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    • 专利摘要:
    Ein Betriebszustandbestimmungsgerät (20) zur Bestimmung des Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30), die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31) gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran (32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33), der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode (34), der ein Oxidiergas zugeführt wird, angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch: eine Spannungsmesseinrichtung (40) zum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen (31) oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31) geformt ist, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung, die bestimmt, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannung sich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während eines gefluteten Zustands im Wesentlichen unmöglich ist, und der bestimmt, dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannung innerhalb des ...
    公开号:DE102004005530A1
    申请号:DE102004005530
    申请日:2004-02-04
    公开日:2004-09-09
    发明作者:Masaaki Toyota Kondo；Nobuyuki Toyota Orihashi
    申请人:Toyota Motor Corp；
    IPC主号:H01M8-10
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft ein Betriebszustandbestimmungsgerät und -verfahrendes Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist.
    [0002] Ein herkömmliches Gerät zur Bestimmung desBetriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie ist in der japanischenPatentoffenlegungsschrift Nummer 6-310161 offenbart. Dieses Gerät bestimmt, dasssich die Brennstoffgasmengen anormal verringert hat, falls die Ausgangsspannungvon zumindest einer der Einheitszellen, die die Brennstoffzellenbatteriebilden, unter einem vorbestimmten Wert abgefallen ist. Dann stopptdas Gerätden Betrieb der Brennstoffzellenbatterie, um die Brennstoffzellenbatteriezu schützen.
    [0003] Das Phänomen, das die Ausgangsspannung einerEinheitszelle unter einem vorbestimmten Wert abfällt (d. h. einer Ausgangsspannungwährendeines korrekten Betriebszustands) tritt nicht nur in dem Fall auf,wenn das Brennstoffgas sich anormal verringert hat, d: h. wenn eineunzureichende Brennstoffgasmenge vorliegt, sondern ebenfalls indem Fall, dass die Oxidiergasmenge unzureichend ist, in dem Fall, indem die Festelektrolytmembran einer Einheitszelle übermäßig trockenwird (ausgetrockneter Zustand), und in dem Fall auf, in dem einBrennstoffgaskanal oder ein Oxidiergaskanal einer EinheitszelleWassertröpfchenaufweist (gefluteter Zustand). Daher ermöglicht die bloße Erfassungder Ausgangsspannung einer Einheitszelle, die unter einem vorbestimmtenWert sich verringert, nicht eine ausführliche Kenntnis über denBetriebszustand der Brennstoffzellenbatterie.
    [0004] Die Erfindung wurde in Hinblick aufdie vorstehend beschriebenen Probleme gemacht. Der Erfindung liegtdie Aufgabe zugrunde, ein Betriebszustandbestimmungsgerät und -verfahrenbereitzustellen, die die Beschaffung einer ausführlichen Kenntnis des Betriebszustandseiner Brennstoffzellenbatterie ermöglichen.
    [0005] Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabewenden das Betriebszustandsbestimmungsgerät und -verfahren für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindungdie folgenden Einrichtungen an.
    [0006] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wirddie Aufgabe gelöstdurch ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung des Betriebszustandseiner Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahlvon Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer Anode,der ein Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode, der ein Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, wobei das Gerätaufweist: eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Spannung zumindesteiner der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, undeine Betriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, dassder Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, der entwederein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustandist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannungsich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, undunterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf einenniedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendemOxidiergas und währendeines gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und zur Bestimmung,dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entwederein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustandist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung innerhalbdes unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmtenSpannung liegt.
    [0007] Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misstdie Spannung einer Einheitszelle oder die Spannung eines Einheitszellenstapels.Falls die gemessene Spannung innerhalb des vorbestimmten unkorrektenSpannungsbereichs liegt und unterhalb der vorbestimmten Spannungliegt, bestimmt das Betriebezustandbestimmungsgerät, dassder Betriebszustand der erste Betriebszustand (der Zustand mit wenigBrennstoffgas oder der ausgetrocknete Zustand) ist. Falls die gemesseneSpannung innerhalb des vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichs liegtund oberhalb der vorbestimmten Spannung liegt, bestimmt das Betriebszustandbestimmungsgerät, dassder Betriebszustand der zweite Betriebszustand (der Zustand mitwenig Oxidiergas oder der geflutete Zustand) ist. Daher ist diesesGerät imVergleich zu Gerätengemäß dem Standder Technik in der Lage, ausführlicheKenntnis überden Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie zu beschaffen.
    [0008] Die Bestimmung, ob die gemesseneSpannung innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt, unddie Bestimmung, ob die gemessene Spannung unterhalb der vorbestimmtenSpannung liegt, kann vor der anderen durchgeführt werden. Falls eine gemesseneSpannung unterhalb der vorbestimmten Spannung liegt, liegt die gemesseneSpannung natürlichinnerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs. Daher ist es möglich, fallseine gemessene Spannung unterhalb der vorbestimmten Spannung liegt,eine darauf folgende Bestimmung, ob die gemessene Spannung innerhalbdes unkorrekten Spannungsbereichs liegt, auszulassen. Der "unkorrekte Spannungsbereich" kann beispielsweise niedrigereingestellt sein als ein Bereich von Spannungen, den die Brennstoffzellenbatteriemöglicherweisewährendeines korrekten Betriebszustands erzeugen kann, oder kann ebenfallsin einen Variationsbereich eingestellt werden, der größer alsein Spannungsvariationsbereich ist, der während eines korrekten Betriebszustandsder Brennstoffzellenbatterie möglichist. Die "vorbestimmteSpannung" kann aufder Grundlage eines empirischen Werts bestimmt werden, der im empirischals ein Spannungswert bestimmt wird, der während des Zustands mit wenig Oxidiergasoder währenddes gefluteten Zustands nicht angenommen werden kann, und der während desZustands mit wenig Brennstoffzellengas und während des gefluteten Zustandsangenommen werden kann. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die vorbestimmteSpannung auf einen Wert eingestellt wird, der fast 0 Volt beträgt. Es istinsbesondere vorzuziehen, dass die vorbestimmte Spannung innerhalbeines Bereichs von -0,2 bis 0 Volt eingestellt wird.
    [0009] In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann dieBetriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlage von Spannungen,die durch die Spannungsmesseinrichtung mehrfach während einer Zeitdauereiner vorbestimmten Bestimmungszeit gemessen werden, nachdem bestimmtworden ist, dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung innerhalb desunkorrekten Spannungsbereichs liegt, bestimmen, welcher des erstenBetriebszustands und des zweiten Betriebszustands der Betriebszustandist. Daher kann der Betriebszustand korrekt bestimmt werden, wobeizeitabhängigeSpannungsänderungenberücksichtigtwerden.
    [0010] In dem Betriebszustandbestimmungsgerät bestimmt,falls der Betriebszustand der zweite Betriebszustand ist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtung,dass der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, wenn die Spannungabfälltund die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist, und bestimmt die Betriebszustandbestimmungseinrichtung,dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist, wenndie Dauer lang ist. Gemäß den Ergebnissen inZusammenhang mit der Erfindung zeigt die gemessene Spannung eineTendenz zum Ansteigen innerhalb einer kurzen Zeit nach Hereinkommenin den unkorrekten Spannungsbereich, falls der Betriebszustand derBrennstoffzellenbatterie der geflutete Zustand war. Falls der Betriebszustandder Zustand mit wenig Oxidiergas ist, zeigte die gemessene Spannungeine Tendenz, in den unkorrekten Spannungsbereich zu gelangen unddann auf einen im wesentliche konstanten Wert zu bleiben, mit oderohne einen darauf folgenden Spannungsanstieg. Daher ermöglicht dieBestimmung, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz oder lang ist,eine korrekte Unterscheidung zwischen dem gefluteten Zustand undem Zustand mit wenig Oxidiergas.
    [0011] Das Betriebszustandbestimmungsgerät kann weiterhineine Impedanzmesseinrichtung aufweisen, die eine Impedanz zumindesteiner der Einheitszellen oder einer Impedanz des Einheitszellenstapelsmisst. In diesem Aufbau bestimmt, falls der Betriebszustand dererste Betriebszustand ist und die durch die Impedanzmesseinrichtunggemessene Impedanz nicht innerhalb eines gehäuften Impedanzbereichs liegt,die Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustandder ausgetrocknete Zustand ist. Falls der Betriebszustand der erste Betriebszustandist und die durch die Impedanzmesseinrichtung gemessene Impedanzinnerhalb des vorbestimmten korrekten Impedanzbereichs liegt, bestimmtdie Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustandder Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas ist. Daher kann eine Unterscheidungzwischen dem ausgetrockneten Zustand und dem Zustand mit wenig Brennstoffgaskorrekt ausgeführtwerden, wohingegen die Durchführungeiner Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage dergemessenen Spannungen schwierig ist.
    [0012] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindungist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung des Betriebszustandseiner Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahlvon Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einerAnode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,der ein Oxidiergas zugeführtwird, angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: (a) einen Schrittdes Bestimmens, ob eine Spannung zumindest einer der Einheitszellenoder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichsliegt, (b) einen Schritt des Bestimmens, ob eine Spannung unterhalbeiner vorbestimmten Spannung liegt, die auf einen vorab eingestelltenniedrigen Wert liegt, der währendeines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während einesgefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und (c) einen Schrittdes Bestimmens, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustandist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas istoder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die Spannung sich innerhalbeines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und unterhalb dervorbestimmten Spannung liegt, und des Bestimmens, dass der Betriebszustandein zweiter Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichendenOxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die Spannung innerhalbdes unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmten Spannungliegt.
    [0013] Diese Betriebszustandbestimmungsverfahrenkann weiterhin aufweisen: (d) einen Schritt des Bestimmens, ob eineImpedanz zumindest einer der Einheitszellen oder eine Impedanz desEinheitszellenstapels innerhalb eines vorbestimmten korrekten Impedanzbereichsliegt. In dem Schritt (c) wird, falls der Betriebszustand der ersteBetriebszustand ist und die Impedanz sich nicht in dem vorbestimmten korrektenImpedanzbereich liegt, bestimmt, dass der Betriebszustand der ausgetrockneteZustand ist. Weiterhin wird, falls in dem Schritt (c) der Betriebszustandder erste Betriebszustand ist und die Impedanz innerhalb des vorbestimmtenkorrekten Impedanzbereichs liegt, bestimmt, dass der Betriebszustandder Betriebszustand der Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist.
    [0014] Eine weiter Ausgestaltung der Erfindungist ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung des Betriebszustandseiner Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahlvon Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einerAnode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,der ein Oxidiergas zugeführtwird, angeordnet ist, wobei das Gerät aufweist: eine Impedanzmesseinrichtungzur Messung einer Impedanz zumindest einer der Einheitszellen odereiner Impedanz eines durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellengebildeten Einheitszellenstapels, eine Spannungsmesseinrichtungzum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen odereiner Spannung eines Einheitszellenstapels, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtungzur Bestimmung auf der Grundlage der durch die Impedanzmesseinrichtunggemessenen Impedanz und der durch die Spannungsmesseinrichtung gemessenenSpannung, welcher eines Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas,eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, eines gefluteten Zustandsoder eines ausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist.
    [0015] Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misstdie Impedanz einer Einheitszelle oder eines Einheitszellenstapelsund misst ebenfalls die Spannung einer Einheitszelle oder einesEinheitszellenstapels. Auf der Grundlage der gemessenen Impedanzund der gemessenen Spannung bestimmt das Gerät, ob der Betriebszustand derZustand mit wenig Brennstoffgas, der Zustand mit wenig Oxidiergas,der geflutete Zustand oder der ausgetrocknete Zustand ist. Daherkönnenim Vergleich mit dem Fall, in dem der Betriebszustand lediglichauf der Grundlage der gemessenen Impedanz bestimmt wird, oder mitdem Fall beschafft werden, in dem der Betriebszustand lediglichauf der Grundlage der gemessenen Spannung bestimmt wird, ausführlicheInformationen in Bezug auf den Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterieerhalten werden. Es sei hier bemerkt, dass die Reihenfolge, in derdie Bestimmung auf der Grundlage der gemessenen Impedanz und dieBestimmung auf der Grundlage der gemessenen Spannung ausgeführt wird,nicht besonders beschränkt ist.
    [0016] In dem vorstehend beschriebenen Betriebszustandbestimmungsgerät kann dieBetriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlage von durchdie Impedanzmesseinrichtung mehrfach gemessenen Impedanzen und vondurch die Spannungsmesseinrichtung mehrfach gemessenen Spannungenwährendeiner Zeitdauer einer vorbestimmten Bestimmungszeit nach Bestimmung,dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannunginnerhalb eine vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichs liegt,bestimmen, welcher des Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas,des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, des gefluteten Zustandsoder des ausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist. Daherkann der Betriebszustand durch Berücksichtigung zeitabhängiger Spannungsänderungenkorrekt bestimmt werden.
    [0017] In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann dieBetriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustandder ausgetrocknete Zustand ist, falls die durch die Impedanzmesseinrichtunggemessene Impedanz keine vorbestimmte korrekte Impedanz ist. Aufdiese Weise kann eine Unterscheidung zwischen dem ausgetrockneten Zustandund dem Zustand mit wenig Brennstoffgas korrekt durchgeführt werden,wohingegen eine Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage dergemessenen Spannung schwierig ist. Weiterhin kann, falls die durchdie Impedanzmesseinrichtung gemessene Impedanz die korrekte Impedanzist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlageder durch die Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannung bestimmen,welcher des Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas, des Zustandsmit unzureichendem Oxidiergas, oder des gefluteten Zustands derBetriebszustand ist. Falls die gemessene Impedanz die korrekte Impedanzist, das heißt,falls der Betriebszustand nicht der getrocknete Zustand ist, istder Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgas, der Zustandmit wenig Oxidiergas oder der geflutete Zustand. Die Bestimmung, welcherdieser Zustand der Betriebszustand ist, kann korrekt auf der Grundlagelediglich der gemessenen Spannung durchgeführt werden. Weiterhin kanndie Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustandder Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, falls die durch die Impedanzmesseinrichtunggemessene Impedanz die korrekte Impedanz ist und die durch Spannungsmesseinrichtunggemessene Spannung unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt,die auf einen niedrigen Wert vorab eingestellt ist, der während desZustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist. Falls die gemessene Impedanz die korrekte Impedanz ist, dasheißt,falls der Betriebszustand nicht der getrocknete Zustand ist, kannauf der Grundlage davon, ob die bemessene Spannung unterhalb dervorbestimmten Spannung liegt, bestimmt werden, ob der Betriebszustandder Zustand mit wenig Brennstoff oder einer der anderen Zustände ist.
    [0018] In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann dieBetriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustandder geflutete Zustand ist, wenn die durch Spannungsmesseinrichtunggemessene Spannung in einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichabfällt,jedoch über einervorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wert vorabeingestellt ist, der währenddes Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist, und der Spannungsabfall kurz ist. Weiterhin kann die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmen, dass der Betriebszustand der Zustand mit unzureichendemOxidiergas ist, wenn die durch Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannungin einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereich abfällt, jedoch über einervorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wert vorabeingestellt ist, der währenddes Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist, und der Spannungsabfall lang ist. Gemäß den in Zusammenhang gewonnenErkenntnissen zeigte die gemessene Spannung in einer kurzen Zeitnach Eintritt in den unkorrekten Spannungsbereich eine Tendenz zumAnstieg, falls der Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterieder geflutete Zustand war. Falls im Gegensatz dazu der Betriebszustandder Zustand mit wenig Oxidiergas war, zeigte die gemessene Spannungeine Tendenz zum Eintritt in den unkorrekten Spannungsbereich unddarauf folgendes Verbleiben auf einen im wesentlichen konstantenWerten, mit oder ohne einem darauf folgenden Spannungsanstieg. Daherermöglichtdie Bestimmung, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz oder langist, eine korrekte Unterscheidung zwischen dem gefluteten Zustandund dem Zustand mit wenig Oxidiergas.
    [0019] Die weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindungist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung einesBetriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, die jeweils einen Aufbauaufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustandzwischen einer Anode, der Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,der Oxidiergas zugeführtwird, dazwischen angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritteaufweist: Messen einer Impedanz von zumindest einer der Einheitszellenoder der Impedanz eines Einheitszellenstapels, der durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, Messen einer Spannungvon zumindest einer der Einheitszellen oder einer Spannung des Einheitszellenstapels,und Bestimmen, welcher eines Zustands mit unzureichendem Brennstoffgas,eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, eines gefluteten Zustandsund eines ausgetrockneten Zustands der Betriebszustand ist, aufder Grundlage der Impedanz und der Spannung. Daher ermöglicht diesesVerfahren die Beschaffung einer ausführlichen Kenntnis des Betriebszustandsder Brennstoffzellenbatterie im Vergleich zu dem Fall, dass derBetriebszustand lediglich auf der Grundlage der gemessenen Impedanzbestimmt wird, oder zu dem Fall, in dem der Betriebszustand lediglichauf der Grundlage der gemessen Spannung bestimmt wird. Es sei bemerkt,dass die Reihenfolge, in der die auf der gemessenen Impedanz beruhendeBestimmung und der die auf der gemessenen Spannung beruhende Bestimmungdurchgeführtwerden, nicht besonders eingeschränkt ist.
    [0020] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindungist ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung eines Betriebszustandseiner Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahlvon Einheitszellen geformt ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einerAnode, der Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode, der Oxidiergas zugeführt wird, angeordnet ist, wobeidas Gerät aufweist:eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Spannung von zumindesteiner der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist,und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, obes eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergasist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannunghöchstenseine erstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmte Spannungist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist, und zurBestimmung, dass es eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannunghöchstensdie zweite vorbestimmte Spannung ist.
    [0021] Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misstdie Spannung einer Einheitszelle oder eines Einheitszellenstapels.Falls die gemessene Spannung höchstensdie erste vorbestimmte Spannung und zumindest die zweite vorbestimmteSpannung ist, bestimmt das Gerät,dass es eine Möglichkeit gibt,dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist. Fallsdie gemessene Spannung höchstensdie zweite vorbestimmte Spannung ist, bestimmt das Gerät, dasseine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgasist. Daher ist das Gerätim Vergleich zu den Gerätengemäß dem Standder Technik in der Lage, eine ausführliche Kenntnis des Betriebszustandsder Brennstoffzellenbatterie zu beschaffen.
    [0022] Beispielsweise kann die "erste vorbestimmte Spannung" auf der Grundlageeiner empirischen Kenntnis unterhalb des Bereichs der Spannungen eingestelltwerden, die die Brennstoffzellenbatterie möglicherweise während eineskorrekten Betriebszustands erzeugen kann, und kann die "zweite vorbestimmteSpannung" auf derGrundlage einer empirischen Kenntnis auf einen Wert eingestelltwerden, der niedriger als ein typischer Wert ist, der während desZustands mit wenig Oxidiergas auftritt, und der höher alsein typischer Wert ist, der währenddes Zustands mit wenig Brennstoffzellengas auftritt.
    [0023] Das Betriebszustandbestimmungsgerät kann weiterhineine Impedanzmesseinrichtung zum Messen einer Impedanz von zumindesteiner der Einheitszellen oder einer Impedanz des Einheitszellenstapelsaufweisen. In diesem Gerätbestimmt die Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustandder ausgetrocknete Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtunggemessene Spannung höchstensdie zweite vorbestimmte Spannung ist, und die durch die Impedanzmesseinrichtunggemessene Spannung nicht innerhalb eines korrekten Impedanzbereichsliegt. Daher kann eine Unterscheidung zwischen dem ausgetrocknetenZustand und dem Zustand mit wenig Brennstoffgas korrekt durchgeführt werden,wohingegen die Durchführungeiner Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage dergemessenen Spannung schwierig ist.
    [0024] In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann dieBetriebszustandbestimmungseinrichtung in einem Fall, wenn die durchdie Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung auf zwischen dieerste vorbestimmte Spannung und die zweite vorbestimmte Spannungabfälltund die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist, bestimmen, dass derBetriebszustand der geflutete Zustand ist. Daher ist es möglich, korrektzu bestimmen, ob der Betriebszustand der geflutete Zustand ist,indem bestimmt wird, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist.
    [0025] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindungist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung einesBetriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, die jeweils einenAufbau aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustandzwischen einer Anode, der Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,der Oxidiergas zugeführtwird, angeordnet ist, mit den Schritte: Messen einer Spannung vonzumindest einer der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist,und Bestimmen, dass es eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergasist, falls die Spannung höchstenseine erstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmte Spannungist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist, und desBestimmens, dass es eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist, falls die Spannung höchstensdie zweite vorbestimmte Spannung ist. Somit ermöglicht im Vergleich zu denVerfahren gemäß dem Standder Technik dieses Verfahren eine Beschaffung einer detaillierten Kenntnisdes Betriebszustands der Brennstoffzellenbatterie.
    [0026] Es sei bemerkt, das gemeinsame Bezeichnungender Beschreibungen der verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindungim wesentlichen mit derselben Bedeutung verwendet sind.
    [0027] 1 zeigteine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems 20.
    [0028] 2 zeigteine Schnittansicht einer Einheitszelle 31 einer Brennstoffzellenbatterie 30.
    [0029] 3 zeigteinen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während einesausgetrockneten Zustands angibt.
    [0030] 4 zeigteinen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während einesgefluteten Zustands anzeigt.
    [0031] 5 zeigteinen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während einesZustands mit wenig Brennstoffgas angibt.
    [0032] 6 zeigteinen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während einesZustands mit wenig Oxidiergas angibt.
    [0033] 7 zeigtein Flussdiagramm, das einen Datenbeschaffungsprozessablauf veranschaulicht.
    [0034] 8 zeigtein Flussdiagramm, das einen Betriebszustandbestimmungsprozessablaufveranschaulicht.
    [0035] 9 zeigtein Flussdiagramm eines weiteren Betriebszustandbestimmungsprozessablaufs.
    [0036] Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispieleder Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine schematischeDarstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems, dass alsBetriebszustandbestimmungsgerätgemäß der Erfindungarbeitet. Wie es in 1 gezeigtist, weist ein Brennstoffzellensystem 20 eine Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22,die ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zuführt, einBrennstoffgasbefeuchter 23, der das aus der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 zugeführte Brennstoffgasbefeuchtet, eine Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24, die einSauerstoff enthaltendes Oxidiergas (beispielsweise Luft) zuführt, einOxidiergasbefeuchter 25, der das aus der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 zugeführte Oxidiergasbefeuchtet, eine Festpolymer-Brennstoffzellenbatterie 30,die elektrische Leistung erzeugt, wenn ihr das Brennstoffgas unddas Oxidiergas zugeführtwerden, eine Kühlvorrichtung 50,die die Brennstoffzellenbatterie 30 kühlt, und eine elektronischeSteuerungseinheit 60 auf, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 steuert.
    [0037] Die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 ist eineVorrichtung, die ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zuführt undkann beispielsweise ein Reformer sein, der Kohlenwasserstoff-Brennstoffwie Methanol, Methan oder dergleichen reformiert und daher ein wasserstoffreichesBrennstoffgas zuführt, oderkann ein Brennstoffgasspeichertank sein, der ein Wasserstoff enthaltendesBrennstoffgas speichert. Die Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 isteine Vorrichtung, die ein Sauerstoff enthaltendes Oxidiergas zuführt, undkann eine Luftpumpe sein, die lediglich Luft zuführt, oder kann ein Oxidiergasspeichertanksein, der ein anderes Oxidiergas als Luft speichert. Die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 unddie Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 sind mit der elektronischenSteuerungseinheit 60 überSignalleitungen verbunden, so dass die Menge des zugeführten Brennstoffgasesund die Menge des zugeführtenOxidiergases durch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuertwerden.
    [0038] Der Brennstoffgasbefeuchter 23 undder Oxidiergasbefeuchter 25 sind Befeuchter, die Wasser verdampfen(vaporisieren) dass aus einem Wassertank 26 heraus gepumptwird, und führenWasserdampf den Brennstoffgas und dem Oxidiergas zu. Der Brennstoffgasbefeuchter 22 undder Oxidiergasbefeuchter 25 sind mit der elektronischenSteuerungseinheit 60 überSignalleitungen verbunden, so dass das Befeuchtungsausmaß des Brennstoffgases unddas Befeuchtungsausmaß desOxidiergases durch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuertwerden.
    [0039] Die Brennstoffzellenbatterie 30 isteine Fest-Polymer-Brennstoffzellenbatterie,die durch Stapeln einer Vielzahl von (beispielsweise einigen hundert)Einheitszellen 31 gebildet ist. 2 veranschaulicht schematisch den Aufbaueiner Einheitszelle 31 der Brennstoffzellenbatterie 30.Wie es in 2 gezeigtist, ist die Einheitszelle 31 aufgebaut aus: einer Festelektrolytmembran 32,die eine protonleitende Membran ist, die durch ein hochmolekularesMaterial wie Fluorkohlenwasserstoff-Harz oder dergleichen gebildetist, einer Anode 33 und einer Kathode 34, diejeweils durch ein Kohlenstoffgewebe (Karbongewebe) geformt sind,die darin einen Katalysator wie Platin oder eine Legierung von Platinund einem anderen Metall hält,und die eine Festelektrolytmembran 32 zwischen den Katalysatorenthaltenen Oberflächensandwichartig umschließenund daher eine Sandwich-Struktur bilden, und zwei Trenner (Separatoren) 35,die die Sandwich-Struktur von entgegengesetzten Seiten sandwichartigumgeben, und Brennstoffgas- und Oxidiergaskanäle 36 und 37 zusammenmit der Anode 33 und der Kathode 34 bilden, undwobei jeder davon als eine Trennwand zwischen benachbarten Einheitszellen 31 dient.
    [0040] Die Brennstoffzellenbatterie 30 istmit verschiedenen darin angebrachten Sensoren und dergleichen wieVoltmeter 40, die die Ausgangsspannung V der Einheitszellen 31 derBrennstoffzellenbatterie 30 messen, einer Strommesseinrichtung 42,die den Strom I erfasst, der aus der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegebenwird, einem Brennstoffzellentemperatursensor 44, der dieTemperatur der gesamten Brennstoffzellenbatterie erfasst, Drucksensoren 46,die den Gasdruck P des Brennstoffgases und des Oxidiergases erfassen,einer Impedanzerfassungseinrichtung 48, die die Impedanzder gesamten Brennstoffzellenbatterie erfasst, usw. versehen. DieseSensoren und dergleichen sind mit der elektronischen Steuerungseinheit 60 über Signalleitungen verbunden.Bekannte Beispiele fürdie Impedanzerfassungseinrichtung 48 umfassen einen Wechselstrom-Milliohm-Sensor,der eine Impedanz der Wechselspannung bestimmt, die beim Anlegeneines kleinen Wechselstroms an die Ausgangsanschlüsse derBrennstoffzellenbatterie 30 auftritt. Die Impedanz derBrennstoffzellenbatterie 30 kann grob in die Widerstandswerteder Anoden 33, der Katoden 34 und der Trenner 35 sowieder Widerstandswert der auf der Grundlage der Protonenleitfähigkeitder Festelektrolytmembrane 32 im Hinblick auf die vorstehendbeschriebenen Aufbau der Brennstoffzellenbatterie unterteilt werden.Da die Anoden 33, die Katoden 34 und die Trenner 35 durchelektrisch leitende Materialien gebildet sind, ändert sich ihre Impedanz nichtwesentlich in Abhängigkeitdavon, ob sie befeuchtet sind. Die Festelektrolytmembrane 32 zeigeneine gute protonische Leitfähigkeitin einem nassen Zustand, zeigen jedoch eine verschlechterte protonischeLeitfähigkeitin einem ausgetrockneten Zustand. Daher reflektiert die Impedanzder Brennstoffzellenbatterie 30, ob die Festelektrolytmembrane 32 sichin einem ausgetrockneten Zustand befinden.
    [0041] Ausstoßrohre der Brennstoffzellenbatterie 30 für das Brennstoffgasund das Oxidiergas sind jeweils mit Druckregelventilen 27 und 28 versehen,so dass der Gasdruck des Brennstoffgases und der Gasdruck des Oxidiergasesin der Brennstoffzellenbatterie 30 justiert werden können. Betätigungsgliederder Druckregelventile 27 und 28 sind mit der elektronischenSteuerungseinheit 60 überSignalleitungen verbunden, und unterliegen daher der Betätigungssteuerungdurch die elektronische Steuerungseinheit 60.
    [0042] Die Kühlvorrichtung 50 weistauf: einen Kühlwasserdurchlass 52,der einen innerhalb der Brennstoffzellenbatterie 30 geformtenKühlwasserkanal undeinen Umlaufsdurchlass zur Zufuhr und zum Ausstoß von Kühlwasser in Bezug auf den Kühlwasserkanalaufweist, einen Wärmetauscher 56,der an den Kühlwasserdurchlass 52 angebrachtist und der das Kühlwasserdurch Wärmeaustauschmit externer Luft kühlt,eine Kühlwasserpumpe 54,die das Kühlwasserdurch den Umlaufsdurchlass umlaufen lässt (zirkulieren lässt) undeinen Kühlwassertemperatursensor 58,der die Temperatur des Kühlewassersin dem Kühlwasserdurchlass 52 inder Näheder Auslassöffnungder Brennstoffzellenbatterie 30 erfasst. Die Kühlwasserpumpe 54 undder Kühlwassertemperatursensor 58 sindmit der elektronischen Steuerungseinheit 60 über Signalleitungenverbunden, so dass die Kühlungder Brennstoffzellenbatterie 30 durch die elektronischeSteuerungseinheit 60 gesteuert wird. Das heißt, dassdas Ausmaß derUmlaufsströmungdes Kühlwassersdurch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuertwird, die die Kühlwasserpumpe 54 aufder Grundlage der durch den Kühlwassertemperatursensor 58 erfasstenKühlwassertemperaturbetreibt.
    [0043] Die elektronische Steuerungseinheit 60 ist alsein Ein-Chip-Mikroprozessorgebildet, der eine CPU 62 als Zentralkomponente aufweist.Die elektronische Steuerungseinheit 60 ist mit einem ROM 64, dasVerarbeitungsprogramme speichert, einem RAM 66 zum zeitweiligenSpeichern von Daten, sowie (nicht gezeigte) Eingangs-/Ausgangsanschlüsse versehen.Die elektronische Steuerungseinheit 60 empfängt über dieEingangsanschlüssedie Temperaturen und die Mengen des Brennstoffgases und des Oxidiergases,die aus der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 und der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 ausThermometern, (nicht gezeigten) Strömungsmetern usw. zugeführt werden,Betriebszuständedes Brennstoffgasbefeuchters 23 und der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24,die von der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegebenen SpannungV aus Voltmetern 40, den von der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegebenenStrom I von der Strommesseinrichtung 42, die Temperaturder Brennstoffzellenbatterie von dem Brennstoffzellentemperatursensor 44,die Gasdrücke Pdes Brennstoffgases und des Oxidiergases der Brennstoffzellenbatterie 30 ausden Drucksensoren 46, die Impedanz Z der Brennstoffzellenbatterie 30 ausder Impedanzerfassungseinrichtung 48, die Temperatur desKühlwassersaus dem Kühlwassertemperatursensor 58 usw.Die elektronische Steuerungseinrichtung 60 gibt über Ausgangsanschlüsse Ansteuerungssignalezu der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 und der Oxidiergasvorrichtung 24,Ansteuerungssignale zu den Brennstoffgasbefeuchter 23 unddem Oxidiergasbefeuchter 25, Ansteuerungssignale zu derKühlwasserpumpe 54 usw.aus.
    [0044] Ein in der vorstehend beschriebenenWeise aufgebautes Brennstoffzellensystem 20 wurde ununterbrochenmit einem konstanten Laststrom (Io) in verschiedenen Zuständen betrieben,die zwangsweise erzeugt worden ist, d.h. in einem ausgetrockneten Zustand,in einem gefluteten Zustand, in einem Zustand mit wenig Brennstoffgasund in einem Zustand mit wenig Oxidiergas betrieben. Während jedesBetriebs wurden die Ausgangsspannung jeder Einheitszelle 31 derBrennstoffzellenbatterie 30 und die Impedanz Z der gesamtenBrennstoffzellenbatterie gemessen. 3 bis 6 zeigen Graphen, die Änderungenin der Spannung V der Einheitszellen 31 (die ebenfallsals "Zellspannung" bezeichnet ist)in Bezug auf die Zeit währendder vorstehend beschriebenen Betriebszustände angeben. Das heißt, dassjeder der Graphen zeitabhängige Änderungenin den Ausgangsspannungen V der gestapelten Einheitszellen 31 während einesspezifischen Betriebszustands angibt. Die Messungen wurden zu jederSekunde durchgeführt.
    [0045] Der ausgetrocknete Zustand wurdezwangsweise hervorgebracht, indem das Befeuchtigungsausmaß von einemnormalen Pegel verringert wurde und in dem die Temperatur der gesamtenBrennstoffzellenbatterie durch Drosseln der durch die Kühlvorrichtung 50 durchgeführten Kühlung erhöht wurde. 3 gibt zeitabhängige Änderungender Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während desausgetrockneten Zustands an. Wie aus 3 hervorgeht,fällt während desausgetrockneten Zustands die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 scharfab, und einige Einheitszellen 31 erreichten einen Minusbereich,der allgemein als umgekehrtes Potential (reverse potential) bezeichnetist. Die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie stieg zumindestauf das dreifache eines normalen Pegels aufgrund einer Verschlechterungin der protonischen Leitfähigkeitan, die durch die Änderungenvon dem nassen Zustand zu den ausgetrockneten Zustand der Festelektrolytmembrane 32 verursachtwurde.
    [0046] Der geflutete Zustand wurde zwangsweise hervorgebracht,indem das Befeuchtigungsausmaß voneinem normalen Pegel erhöhtwurde und indem die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatteriedurch die von der Kühlvorrichtung 50 durchgeführte ausreichendeKühlungverringert worden ist. 4 zeigtdie zeitabhängigen Änderungenin der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während desgefluteten Zustands an. Wie aus 4 hervorgeht,fiel währenddes gefluteten Zustands die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 mitverstreichender Zeit scharf ab, jedoch erreichte keine Einheitszelle 31 denMinusbereich. Auf jeden Spannungsabfall folgte unmittelbar ein Anstieg.Somit war die Dauer des Spannungsabfalls kurz. Das Auftreten derkurzen Dauer kann wie folgt erklärtwerden. Das heißt,dass in Betracht gezogen wird, dass die Ausgangsspannungen V derEinheitszellen 31 aufgrund des Sammelns von Wasser in denKanälen 36 und 37 derTrenner 35 der Einheitszellen 31 abfielen und dannwieder anstiegen, als das Wasser mit Gas weggetragen worden ist.Es sei ebenfalls bemerkt, dass währenddes gefluteten Zustands die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatteriekeinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustandszeigte.
    [0047] Der Zustand mit wenig Brennstoffgaswurde zwangsweise hervorgebracht, indem die zugeführte Mengedes Brennstoffgases derart eingestellt wurde, dass Wasserstoff einenstöchiometrischenWert unterschreitet, der fürdie elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoffbestimmt ist. 5 zeigtdie zeitabhängigen Änderungender Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während desZustands mit wenig Brennstoffgas. Wie aus 5 hervorgeht, fiel während des Zustands mit wenigBrennstoffgas die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 scharfab und fiel in den Minusbereich ab. Das Muster der Änderungenin den Ausgangsspannungen V ist bemerkenswert ähnlich zu dem Muster der Änderungenwährenddes ausgetrockneten Zustands. Es sei ebenfalls bemerkt, dass während desZustands mit wenig Brennstoffgas die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatteriekeinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustandszeigte.
    [0048] Der Zustand mit wenig Oxidiergaswurde zwangsweise hervorgebracht, indem die zugeführte Mengedes Oxidiergases derart eingestellt worden ist, dass der Sauerstoffeinen stöchiometrischenWert unterschreitet, der fürdie elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoffbestimmt ist. 6 zeigtdie zeitabhängigen Änderungender Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während desZustands mit wenig Oxidiergas. Wie aus 6 hervorgeht, verringerte sich während desZustands mit wenig Oxidiergas der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 zeitweiligmit Verstreichen der Zeit, erreichte jedoch nicht den Minusbereich.Die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 war an dem abgefallenenWert füreine gewisse Zeit lang stabil und begann dann sich zu erhöhen. Essei bemerkt, dass währenddes Zustands mit wenig Oxidiergas die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatteriekeinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustandszeigte.
    [0049] Die vorstehend beschriebenen Experimente gebendas folgende an. Das heißt,dass der ausgetrocknete Zustand und der Zustand mit wenig Brennstoffgasin den Verhalten der Ausgangsspannungen V der Einheitszelle 31 inBezug auf die Zeit ähnlich sind.Das heißt,dass währenddes ausgetrockneten Zustands und während des Zustands mit wenig Brennstoffgasdie Ausgangsspannung V der Einheitszellen 31 sich in denMinusbereich oder in die Nähedes Minusbereichs verringerten. Jedoch tritt bei dem ausgetrocknetenZustand ein anormaler Anstieg der Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatterieauf, wohingegen ein derartiges Phänomen nicht während des Zustandsmit wenig Brennstoffgas beobachtet wurde. Während des gefluteten Zustands undwährenddes Zustands mit wenig Oxidiergas verringert sich die AusgangsspannungV jeder Einheitszelle 31 nicht bis in den Minusbereichhinein. Währenddes gefluteten Zustands ist die Dauer des Abfalls der AusgangsspannungV der Einheitszellen 31 kurz. Im Gegensatz dazu ist während desZustands mit wenig Oxidiergas eine derartige Dauer lang. Daher istes auf der Grundlage dieser Ergebnisse möglich, eine ausführlicheKenntnis übereinen spezifischen Betriebszustand einer Brennstoffzellenbatterie zuerlangen, falls die Brennstoffzellenbatterie sich in einen inkorrektenBetriebszustand befindet.
    [0050] Nachstehend ist der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20,das wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, und insbesondere einProzess zur Bestimmung des Betriebszustands der Brennstoffzellenbatterie 30 undein Datenbeschaffungsprozess zur Beschaffung von Daten beschrieben,die fürden Bestimmungsprozess erforderlich sind. 7 zeigt ein Flussdiagramm, das einenDatenbeschaffungsprozessablauf veranschaulicht, dass durch die elektronischeSteuerungseinheit 60 des Brennstoffzellensystems 20 ausgeführt wird. 8 zeigt ein Flussdiagramm,das den Betriebszustandbestimmungsprozessablauf veranschaulicht.
    [0051] Zunächst ist der Datenbeschaffungsprozessablaufbeschrieben. Dieser Ablauf wird wiederholt zu jeweils einer vorbestimmtenZeit (beispielsweise alle 1 Sekunde) während einer Zeitdauer ausgeführt, die unmittelbardem Start des Brennstoffzellensystems 20 nachfolgt undendet, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gestopptwird. Wenn der Datenbeschaffungsprozessablauf ausgeführt wird,beschafft die CPU 62 die Spannung V jeder Einheitszelle 31 ausden Voltmeter 40 jeder Zelle 31 und beschafftdie Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie aus der Impedanzerfassungseinrichtung 48,und assoziiert (ordnete zu) die beschafften Spannungen V und diebeschaffte Impedanz Z mit der gegenwärtigen Zeit und speichert diesein das RAM 66 (Schritt S100). Darauf folgend wird bestimmt,ob irgendeine der in Schritt S100 beschafften Spannungen V innerhalbeines vorbestimmten unkorrekten Bereichs liegt (Schritt S110). Fallskeiner der Spannungen innerhalb des unkorrekten Bereichs liegt, wirdder Ablauf unmittelbar beendet. Falls im Gegensatz dazu irgendeinerder Spannungen V sich innerhalb des unkorrekten Bereichs befindet,wird ein Flag (eine Kennung) F auf einen Wert 1 gesetzt (Schritt S120),woraufhin der Ablauf beendet wird. Der unkorrekte Bereich der Spannungist ein Niedrigspannungsbereich (beispielsweise ≤ 0,3 Volt), der während eineskorrekten Betriebszustands niemals erreicht werden kann, der jedocherreicht werden kann, falls der Betriebszustand unkorrekt wird.Der unkorrekte Bereich der Spannung wird auf der Grundlage empirischerhaltener Daten eingestellt. Das Flag F wird auf einen Wert 1 gesetzt,wenn der Betriebszustand unkorrekt wird. Dann wird das Flag F aufeinen Wert 0 zurückgesetzt,nachdem in den nachstehend beschriebenen Betriebszustandbestimmungsprozessbestimmt worden ist, welcher des ausgetrockneten Zustands, des geflutetenZustands, des Zustands mit wenig Brennstoffgas und des Zustandsmit wenig Oxidiergas der vorliegende Betriebszustand ist.
    [0052] Der Betriebszustandbestimmungsprozessablaufist nachstehend beschrieben. Dieser Ablauf wird wiederholt zu jeweilseiner vorbestimmten Zeit (beispielsweise eine Minute) während einerZeitdauer durchgeführt,die unmittelbar nach dem Start des Brennstoffzellensystems 20 beginnt,und endet, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gestopptwird. Wenn der Betriebszustandsbestimmungsprozessablauf ausgeführt wird,wird bestimmt, ob eine ansteigende Flanke des Flags F vom Wert 0 aufden Wert 1 erfasst worden ist (Schritt S202). Falls eine ansteigendeFlanke erfasst wird, wird eine Zeitmessung über einen (nicht gezeigten)Zeitgeber gestartet (S204), woraufhin der Ablauf beendet wird. Fallsim Gegensatz dazu keine ansteigende Flanke erfasst wird, wird derWert des Flags F überprüft (SchrittS206). Falls der Wert des Flags F 0 ist, wird angegeben, dass derBetriebszustand korrekt ist, weshalb der Ablauf beendet wird. Fallsder Wert des Flags 1 ist, wird angegeben, dass eine ansteigende Flankedes Flags F vorher erfasst worden ist und dass die Zeitmessung gestartetworden ist. Daher wird bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeit zur Bestimmung(beispielsweise einige Minuten) nach dem Start der Zeitmessung verstrichenist (S208). Falls die Bestimmungszeit nicht verstrichen ist, wirdder Ablauf unmittelbar beendet. Es sei an dieser Stelle bemerkt,dass die Bestimmungszeit ein Zeitintervall ist, dass zur Bestimmungerforderlich ist, welcher des ausgetrockneten Zustands, des geflutetenZustands, des Zustands mit wenig Brennstoffgas und des Zustandsmit wenig Oxidiergas der vorliegende Betriebszustand ist, und dieBestimmungszeit wird auf der Grundlage empirischer Daten vorab bestimmt. Biszum Verstreichen der Bestimmungszeit wird der Datenbeschaffungsprozessablaufgemäß 7 wiederholt ausgeführt. Daherwerden die erfassten Spannungen V und die Impedanzen Z mit der Zeitin Zusammenhang gebracht, und werden in dem RAM 66 gespeichert.
    [0053] Falls in Schritt S208 bestimmt wird,dass die vorbestimmte Bestimmungszeit verstrichen ist, werden diein dem Datenbeschaffungsprozessablauf innerhalb der Bestimmungszeitbeschafften Daten, d. h. die Spannungen V und die Impedanzen Z ausgelesen(Schritt S210), und dann wird bestimmt, ob irgendeine der ausgelesenenImpedanzen Z größer alsein vorbestimmter Schwellwert Zthr ist (Schritt S212). Es sei bemerkt,dass der Schwellwert Zthr vorab eingestellt ist, so dass der SchwellwertZthr niedriger als die Impedanz ist, die auftritt, wenn der ausgetrockneteZustand zwangsweise erzeugt wird, und größer als die Impedanzen ist,die währendder anderen Betriebszuständeauftreten. Falls in Schritt S212 bestimmt wird, dass die ausgelesenenImpedanzen Z eine Impedanz Z aufweisen, die größer als der Schwellwert Zthrist, werden Informationen, dass der gegenwärtige Zustand der ausgetrockneteZustand ist, in dem Rahmen 66 gespeichert (Schritt S214).Danach wird das Flag F zurückgesetzt(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
    [0054] Falls im Gegensatz dazu in SchrittS212 bestimmt wird, dass keine der Impedanzen Z größer als derSchwellwert Zthr ist, wird bestimmt, ob irgendeine der in SchrittS210 ausgelesenen Spannungen niedriger als ein Schwellwert Vthrist (Schritt S216). Es sei bemerkt, dass der Schwellwert Vthr vorabeingestellt ist, so dass der Schwellwert Vthr größer als die Spannung V ist,die auftritt, wenn der Zustand mit wenig Brennstoffgas zwangsweiseerzeugt wird, und niedriger als die Spannungen V ist, die während desZustands mit wenig Oxidiergas oder des gefluteten Zustands auftreten.Insbesondere ist der Schwellwert Vthr auf einen Wert eingestellt,der ≤ 0 Voltist und ist vorzugsweise auf einen Wert innerhalb des Bereichs von-0,2 bis 0 Volt eingestellt. Gemäß diesemAusführungsbeispielist der Schwellwert Vthr auf -0,1 Volt eingestellt. Falls in SchrittS216 bestimmt wird, dass die ausgelesenen Spannungen V eine SpannungV aufweisen, die niedriger als der Schwellwert Vthr ist, werdenInformationen, die angeben, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustandmit wenig Brennstoffgas ist, d. h. ein Zustand mit wenig Wasserstoffist, in das RAM 66 gespeichert (Schritt S218). Danach wirddas Flag F zurückgesetzt(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
    [0055] Falls im Gegensatz dazu in SchrittS216 bestimmt wird, dass keine der Spannungen V niedriger als derSchwellwert Vthr ist, wird bestimmt, ob die Dauer der SpannungenV jeder Einheitszelle 31, die in Schritt S210 ausgelesenworden sind, kurz oder lang ist (Schritt S220). In einem möglichenProzess wird beispielsweise die Spannung V einer Einheitszelle 31,die in der vorhergehenden Ausführungdes Datenbeschaffungsprozessablaufs beschafft worden ist, von derSpannung V der selben Einheitszelle 31 abgezogen, die inder gegenwärtigenAusführung desAblaufs beschafft wird, um eine Differenz ΔV zu bestimmen. Die Differenz ΔV wird durcheine Zeitdifferenz Δtzwischen der vorhergehenden Ausführung undder gegenwärtigenAusführungdes Ablaufs dividiert, wodurch ΔV/Δt bestimmtwird. Eine Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem der Werts ΔV/Δt kleiner alsein vorbestimmter negativer Wert wird, bis zu dem Zeitpunkt, zudem der Wert ΔV/Δt größer alsein vorbestimmter positiver Wert wird, wird berechnet. Die Zeitdauerwird als Dauer des Spannungsabfalls betrachtet. In diesem Fall istes ausreichend, den negativen Wert und den positiven Wert auf derGrundlage empirischer Daten zu bestimmen. Das ΔV/Δt kann als zeitliche Ableitungder Spannung V betrachtet werden. Es ist ebenfalls möglich, eine Zeitdauervon dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V kleiner als eine vorbestimmteBestimmungsspannung wird, bis zu dem Zeitpunkt zu berechnen, wenndie Spannung V größer alsdie Bestimmungsspannung wird, und die Zeitdauer als die Dauer desSpannungsabfalls zu betrachten. Es ist ausreichend, die Bestimmungsspannungauf der Grundlage empirischer Daten zu bestimmen.
    [0056] Falls in Schritt S220 bestimmt wird,dass die Dauer des Spannungsabfalls lang ist, werden Informationen,die angeben, dass der gegenwärtigeBetriebszustand der geflutete Zustand ist, in das RAM 66 gespeichert(Schritt S222). Falls im Gegensatz dazu in Schritt S220 bestimmtwird, dass die Dauer des Spannungsabfalls lang ist, werden Informationen,die angeben, dass der gegenwärtigeBetriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist, d. h. derZustand mit wenig Luft ist, in das RAM 66 gespeichert (SchrittS224). Nach Schritt S222 oder Schritt S224 wird das Flag F zurückgesetzt(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
    [0057] Nach dem Ende des Betriebszustandsbestimmungsprozessablaufskann die CPU 62 den Betriebszustand von dem RAM 66 zueiner (nicht gezeigten) Anzeige ausgeben oder kann den Betriebszustandaus dem RAM 66 übereinen (nicht gezeigten) Drucker ausdrucken. Die CPU 62 kannebenfalls die Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenbatterie 30 aufder Grundlage des in dem RAM 66 gespeicherten Betriebszustands ändern. Fallsbeispielsweise der gespeicherte Betriebszustand der ausgetrockneteZustand ist, kann das Ausmaß derdurch den Brennstoffgasbefeuchter 23 bereitgestellte Befeuchtungund das Ausmaß derdurch den Oxidiergasbefeuchter 25 bereitgestellten Befeuchtungerhöhtwerden, oder die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatteriekann verringert werden, indem die Ausstoßmenge aus der Kühlwasserpumpe 54 der Kühlvorrichtung 50 erhöht wird.Falls der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, können dasAusmaß derdurch den Brennstoffgasbefeuchter 23 bereitgestellten Befeuchtungund das Ausmaß derdurch den Oxidiergasbefeuchter 25 bereitgestellten Befeuchtungverringert werden, oder die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatteriekann erhöhtwerden, indem die Ausstoßmengeaus der Kühlwasserpumpe 54 derKühlvorrichtung 50 verringertwird, oder die Gasdrückekönnenzeitweilig angehoben werden und dann durch Betreiben der Druckregelventile 27 und 28 verringertwerden. Falls der in dem RAM 66 gespeicherte Betriebszustandder Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, kann die zugeführte Brennstoffgasmengedurch Betreiben der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 erhöht werden.Falls der gespeicherte Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist,kann die Menge des zugeführtenOxidiergas durch Betreiben der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 erhöht werden.Anstelle oder zusätzlichzu diesen Vorgängenkann der Laststrom verringert werden.
    [0058] Bei dem ausführlich vorstehend beschriebenenBrennstoffzellensystem 20 wird die Impedanz 20 dergesamten Brennstoffzellenbatterie gemessen und werden die SpannungenV der einzelnen Einheitszellen 31 gemessen. Auf der Grundlageder Impedanz Z und der Spannungen V wird bestimmt, welcher der Zustände Zustandmit wenig Brennstoffgas, Zustand mit wenig Oxidiergas, gefluteterZustand und ausgetrockneter Zustand der gegenwärtige Betriebszustand ist.Daher kann eine ausführliche Kenntnis über denBetriebszustand der Brennstoffzellenbatterie im Vergleich zu demFall beschafft werden, in dem Betriebszustand lediglich auf derGrundlage der Impedanz Z bestimmt wird, oder zu dem Fall beschafftwerden, in der Betriebszustand auf der Grundlage lediglich der SpannungenV bestimmt wird.
    [0059] Weiterhin bestimmt das Brennstoffzellensystem 20,welcher des Zustands mit wenig Brennstoffgas, des Zustands mit wenigOxidiergas, des gefluteten Zustands und des ausgetrockneten Zustandsder gegenwärtigeBetriebszustand ist, auf der Grundlage der Impedanzen Z und derSpannungen V, die währendder Zeitdauer einer vorbestimmten Bestimmungszeit gemessen werden,nach dem aufgetreten ist, dass ein Wert der Spannung V einer Einheitszelle 31 sichinnerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs befindet. Somit werden Änderungenin der Spannung in Bezug auf die Zeit berücksichtigt, um korrekt denBetriebszustand zu bestimmen.
    [0060] Weiterhin wird in dem System 20 bestimmt, dassdie Brennstoffzellenbatteriezelle sich in dem ausgetrockneten Zustandbefindet, falls die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatteriegrößer alsder Schwellwert Zthr ist. Somit wird es möglich, ausgetrockneten Zustandund den Zustand mit wenig Brennstoffgas zu machen, was schwierigdurchzuführenist, falls die Grundlage fürdie Unterscheidung lediglich die Spannung V ist. Falls die ImpedanzZ der gesamten Brennstoffzellenbatterie den Schwellwert Zthr nicht überschreitetsondern korrekt ist, kann korrekt bestimmt werden, welcher des Zustandsmit wenig Brennstoffgas, des Zustands mit wenig Oxidiergas und desgefluteten Zustands der vorliegende Betriebszustand ist. Insbesonderewird korrekt bestimmt, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustandmit wenig Brennstoffgas ist, falls eine Spannung V niedriger alsder Schwellwert Vthr ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird dieDauer des Abfalls der Spannung V überprüft. Falls die Dauer kurz ist,wird bestimmt, dass der gegenwärtigeBetriebszustand der geflutete Zustand ist. Falls die Dauer langist, wird bestimmt, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustandmit wenig Oxidiergas ist.
    [0061] Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispielkann wie folgt interpretiert werden. Das heißt, dass in der Bestimmungin Schritt S110, ob eine Spannung V sich innerhalb des vorbestimmten unkorrektenBereichs befindet, bestimmt wird, ob die Spannung V kleiner odergleich einer ersten vorbestimmten Spannung (beispielsweise 0,3 Volt)ist. Falls die Antwort in Schritt S110 positiv ist, wird dann inSchritt S216 bestimmt, ob irgendeine aus der Vielzahl der SpannungenV niedriger als der Schwellwert Vthr, d. h, eine zweite vorbestimmteSpannung ist. Falls die Antwort in Schritt S216 positiv ist, wirdbestimmt, dass es die Möglichkeitfür denZustand mit wenig Brennstoffgas gibt. Falls die Antwort in Schritt S216negativ ist, wird bestimmt, dass es eine Möglichkeit für den Zustand mit wenig Oxidiergasgibt.
    [0062] Die Erfindung ist nicht durch dasvorstehende Ausführungsbeispielin irgendeiner Form beschränkt,sondern kann in verschiedenen Formen innerhalb des technischen Umfangsund der erfinderischen Idee umgesetzt werden.
    [0063] Beispielsweise folgt in den Betriebszustandbestimmungsprozessablaufgemäß dem vorstehend beschriebenenAusführungsbeispielden Vergleich der Impedanz Z mit dem Schwellwert Zthr (Schritt S212)der Vergleich der Spannungen V mit dem Schwellwert Vthr (SchrittS216) nach. Jedoch kann die Reihenfolge umgekehrt werden, das heißt, dass derVergleich der Spannungen V mit dem Schwellwert Vthr vor dem Vergleichder Impedanz Z mit dem Schwellwert Zthr ausgeführt werden kann. Genauer wird,wie es in 9 veranschaulichtist, nach Ausführungdes Prozesses der Schritte S202 bis S210 bestimmt, ob irgendeineder ausgelesenen Spannungen V niedriger als der Schwellwert Vthrist (Schritt S252). Falls zu einer Spannung V unterhalb des SchwellwertsVthr gibt, wird darauf folgend bestimmt, ob irgendeine der ausgelesenenImpedanzen Z größer alsder Schwellwert Zthr ist (Schritt S254). Falls es eine ImpedanzZ oberhalb des Schwellwerts Zthr gibt, werden Informationen, dieangeben, dass der gegenwärtigeBetriebszustand der ausgetrocknete Zustand ist, in das RAM 66 gespeichert(Schritt S256). Danach wird das Flag F zurückgesetzt (Schritt S226), woraufhinder Ablauf beendet wird. Falls demgegenüber die ausgelesene ImpedanzenZ nicht eine Impedanz Z aufweisen, die den Schwellwert Zthr überschreitet,werden Informationen, die angeben, dass der gegenwärtige Betriebszustandder Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, in das RAM 66 gespeichert(Schritt S258). Danach wird das Flag F zurückgesetzt (Schritt S226), woraufhinder Ablauf beendet wird. Falls in Schritt S252 bestimmt wird, dassdie ausgelesenen Spannungen keine Spannung V aufweisen, die niedrigerals der Schwellwert Vthr ist, werden der vorstehend beschriebeneProzess von Schritt S220 und die darauf folgenden Schritte ausgeführt. ImWesentlichen die selben Vorteile wie diejenigen gemäß dem vorstehendbeschriebenen Ausführungsbeispielwerden erzielt, wenn der Betriebszustandbestimmungsprozessablaufgemäß 9 ausgeführt wird. Der Ablauf gemäß 9 kann wie folgt interpretiertwerden. Das heißt,dass, falls eine Spannung V sich innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichsbefindet und sich unterhalb des Schwellwerts befindet, bestimmtwird, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgas oderder ausgetrocknete Zustand ist. Falls die Spannung V sich innerhalbdes unkorrekten Spannungsbereichs befindet und oberhalb des Schwellwerts Vthrliegt, wird bestimmt, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenigOxidiergas oder der geflutete Zustand ist.
    [0064] Weiterhin ist es, obwohl gemäß dem vorstehendbeschriebenen Ausführungsbeispieldie Spannung V jeder Einheitszelle 31 gemessen wird undmit dem Schwellwert Vthr verglichen wird, ebenfalls möglich, dieSpannung zumindest einer Einheitszelle 31 zu messen, dieaus den gestapelten Einheitszellen 31 ausgewählt wird,und die gemessene Spannung mit einen Schwellwert zu vergleichen.Weiterhin ist es möglich,die Spannung eines Einheitszellenmoduls einer Vielzahl von Einheitszellen 31 zumessen und die gemessene Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen.Es ist ebenfalls möglich,die Spannung der gesamten Brennstoffzellenbatterie zu messen unddie gemessene Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen.
    [0065] Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenenAusführungsbeispieldie Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie gemessen wirdund mit dem Schwellwert Zthr verglichen wird, ist es ebenfalls möglich, dieImpedanz jeder Einheitszelle 31 zu messen und die gemesseneImpedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen. Weiterhin ist esmöglich, dieImpedanz zumindest einer Einheitszelle 31, die aus dengestapelten Einheitszellen 31 ausgewählt ist, zu messen und diegemessene Impedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen. Es istebenfalls möglich,die Impedanz eines Einheitszellenmoduls einer Vielzahl von Einheitszellen 31 zumessen und die gemessene Impedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen.
    [0066] Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 20 kannauf Brennstoffzellenfahrzeuge und Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (co-generation systems)angewandt werden und kann ebenfalls für beliebige andere Verwendungenangewandt werden.
    [0067] Wie es vorstehend beschrieben wordenist, ist ein Betriebszustandbestimmungsgerät 20 zur Bestimmungdes Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie 30,die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 31 gebildetist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran 32im nassen Zustand zwischen einer Anode 33, der ein Brennstoffgaszugeführtwird, und einer Kathode 34, der ein Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch: eine Spannungsmesseinrichtung 40 zumMessen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen 31 odereiner Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln einer Vielzahlvon Einheitszellen 31 geformt ist, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung,die bestimmt, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustandist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas istoder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung 40 gemesseneSpannung sich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet,und unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab aufeinen niedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendemOxidiergas und währendeines gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und die bestimmt,dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entwederein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustandist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung 40 gemessene Spannunginnerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb dervorbestimmten Spannung liegt.
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) zur Bestimmungdes Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der ein Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der ein Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, gekennzeichnet durch: eine Spannungsmesseinrichtung(40) zum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen (31)oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapelneiner Vielzahl von Einheitszellen (31) geformt ist, und eineBetriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, dass der Betriebszustandein erster Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichendenBrennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls diedurch die Spannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannungsich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, undunterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf einenniedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendemOxidiergas und währendeines gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und zur Bestimmung, dassder Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entwederein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustandist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung (40)gemessene Spannung innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegtund oberhalb der vorbestimmten Spannung liegt.
    [2] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungauf der Grundlage von Spannungen, die durch die Spannungsmesseinrichtung(40) mehrfach währendeiner Zeitdauer einer vorbestimmten Bestimmungszeit gemessen werden,nachdem bestimmt worden ist, dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung(40) innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt, bestimmt,welcher des ersten Betriebszustands und des zweiten Betriebszustandsder Betriebszustand ist.
    [3] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, falls der Betriebszustandder zweite Betriebszustand ist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, wenndie Spannung abfälltund die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist, und die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist,wenn die Dauer lang ist.
    [4] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach einemder Ansprüche1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Impedanzmesseinrichtung (48)zum Messen einer Impedanz zumindest einer der Einheitszellen (31)oder einer Impedanz des Einheitszellenstapels, wobei, falls derBetriebszustand der erste Betriebszustand ist und die durch dieImpedanzmesseinrichtung (48) gemessene Impedanz nicht innerhalbeines gehäuftenImpedanzbereichs liegt, die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der ausgetrocknete Zustand ist,und wobei, falls der Betriebszustand der erste Betriebszustand istund die durch die Impedanzmesseinrichtung (48) gemesseneImpedanz innerhalb des vorbestimmten korrekten Impedanzbereichsliegt, die Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmt, dassder Betriebszustand der Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist.
    [5] Betriebszustandbestimmungseinrichtung (20) nacheinem der Ansprüche1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Spannung aufeinen Wert von höchstensNull Volt eingestellt ist.
    [6] Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmungdes Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der ein Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der ein Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, gekennzeichnet durch: (a) einen Schritt (S110)des Bestimmens, ob eine Spannung zumindest einer der Einheitszellen(31) oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, derdurch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31) geformtist, innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs liegt, (b)einen Schritt (S252) des Bestimmens, ob eine Spannung unterhalbeiner vorbestimmten Spannung liegt, die auf einen vorab eingestelltenniedrigen Wert liegt, der währendeines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während einesgefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und (c) einenSchritt des Bestimmens, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustandist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist oderein ausgetrockneter Zustand ist, falls die Spannung sich innerhalbeines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und unterhalb dervorbestimmten Spannung liegt, und des Bestimmens, dass der Betriebszustandein zweiter Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichendenOxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die Spannung innerhalbdes unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmtenSpannung liegt.
    [7] Betriebszustandbestimmungsverfahren nach Anspruch6, weiter gekennzeichnet durch (d) einen Schritt (S254) des Bestimmens,ob eine Impedanz zumindest einer der Einheitszellen (31)oder eine Impedanz des Einheitszellenstapels innerhalb eines vorbestimmtenkorrekten Impedanzbereichs liegt, wobei in dem Schritt (c),falls der Betriebszustand der erste Betriebszustand ist und dieImpedanz sich nicht in dem vorbestimmten korrekten Impedanzbereich liegt,bestimmt wird, dass der Betriebszustand der ausgetrocknete Zustandist, und wobei, falls in dem Schritt (c), falls der Betriebszustandder erste Betriebszustand ist und die Impedanz innerhalb des vorbestimmtenkorrekten Impedanzbereichs liegt, bestimmt. wird, dass der Betriebszustandder Betriebszustand der Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist.
    [8] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) zur Bestimmungdes Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der ein Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der ein Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, mit einer Impedanzmesseinrichtung (48)zur Messung einer Impedanz zumindest einer der Einheitszellen (31)oder einer Impedanz eines durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen(31) gebildeten Einheitszellenstapels, einer Spannungsmesseinrichtung(40) zum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen (31)oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, und einerBetriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung auf der Grundlageder durch die Impedanzmesseinrichtung gemessenen Impedanz und derdurch die Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannung, welchereines Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas, eines Zustandsmit unzureichendem Oxidiergas, eines gefluteten Zustands oder einesausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist.
    [9] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungauf der Grundlage von durch die Impedanzmesseinrichtung (48)mehrfach gemessenen Impedanzen und von durch die Spannungsmesseinrichtung(40) mehrfach gemessenen Spannungen während einer Zeitdauer einervorbestimmten Bestimmungszeit nach Bestimmung, dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung(40) gemessene Spannung innerhalb eine vorbestimmten unkorrektenSpannungsbereichs liegt, bestimmt, welcher des Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas,des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, des gefluteten Zustandsoder des ausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist.
    [10] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der ausgetrocknete Zustand ist,falls die durch die Impedanzmesseinrichtung (48) gemesseneImpedanz keine vorbestimmte korrekte Impedanz ist.
    [11] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die durch die Impedanzmesseinrichtung(48) gemessene Impedanz die korrekte Impedanz ist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtungauf der Grundlage der durch die Spannungsmesseinrichtung (40)gemessenen Spannung bestimmt, welcher des Zustands mit unzureichendenBrennstoffgas, des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, oderdes gefluteten Zustands der Betriebszustand ist.
    [12] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der Zustand mit unzureichendemBrennstoffgas ist, falls die durch die Impedanzmesseinrichtung (48)gemessene Impedanz die vorbestimmte korrekte Impedanz ist und die durchSpannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannung unterhalbeiner vorbestimmten Spannung liegt, die auf einen niedrigen Wertvorab eingestellt ist, der während desZustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist.
    [13] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach einemder Ansprüche8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, wenndie durch Spannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannungin einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereich abfällt, jedoch über einervorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wert vorabeingestellt ist, der währenddes Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist, und der Spannungsabfall kurz ist.
    [14] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach einemder Ansprüche8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungbestimmt, dass der Betriebszustand der Zustand mit unzureichendemOxidiergas ist, wenn die durch Spannungsmesseinrichtung (40)gemessene Spannung in einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichabfällt,jedoch übereiner vorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wertvorab eingestellt ist, der währenddes Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustandsim wesentlichen unmöglichist, und der Spannungsabfall lang ist.
    [15] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach einemder Ansprüche12 bis 14, wobei die vorbestimmte Spannung auf höchstens 0 V eingestellt ist.
    [16] Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmungeines Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)geformt ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der Oxidiergas zugeführt wird,dazwischen angeordnet ist, gekennzeichnet durch: einen Schritt(S100) des Messens einer Impedanz von zumindest einer der Einheitszellen(31) oder der Impedanz eines Einheitszellenstapels, derdurch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31) gebildet ist, einenSchritt (S100) des Messens einer Spannung von zumindest einer derEinheitszellen (31) oder einer Spannung des Einheitszellenstapels,und einen Schritt des Bestimmens, welcher eines Zustands mitunzureichendem Brennstoffgas, eines Zustands mit unzureichendemOxidiergas, eines gefluteten Zustands und eines ausgetrocknetenZustands der Betriebszustand ist, auf der Grundlage der Impedanzund der Spannung.
    [17] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) zur Bestimmungeines Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)geformt ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, gekennzeichnet durch: eine Spannungsmesseinrichtung(40) zum Messen einer Spannung von zumindest einer derEinheitszellen (31) oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)gebildet ist, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtungzur Bestimmung, ob es eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergasist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung (40) gemesseneSpannung höchstens eineerstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmteSpannung ist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist,und zur Bestimmung, dass es eine Möglichkeit gibt, dass der Betriebszustandein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas ist, falls die durchdie Spannungsmesseinrichtung (40) gemessene Spannung höchstens diezweite vorbestimmte Spannung ist.
    [18] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch17, gekennzeichnet durch eine Impedanzmesseinrichtung (48)zum Messen einer Impedanz von zumindest einer der Einheitszellen(31) oder einer Impedanz des Einheitszellenstapels, wobeidie Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmt, dass der Betriebszustandder ausgetrocknete Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung(40) gemessene Spannung höchstens die zweite vorbestimmteSpannung ist, und die durch die Impedanzmesseinrichtung (48)gemessene Spannung nicht innerhalb eines korrekten Impedanzbereichsliegt.
    [19] Betriebszustandbestimmungsgerät (20) nach Anspruch17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandbestimmungseinrichtungin einem Fall, wenn die durch die Spannungsmesseinrichtung (40)gemessene Spannung auf zwischen die erste vorbestimmte Spannungund die zweite vorbestimmte Spannung abfällt und die Dauer des Spannungsabfallskurz ist, bestimmt, dass der Betriebszustand der geflutete Zustandist.
    [20] Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmungeines Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie (30),die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (31)geformt ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran(32) im nassen Zustand zwischen einer Anode (33),der Brennstoffgas zugeführtwird, und einer Kathode (34), der Oxidiergas zugeführt wird,angeordnet ist, mit einem Schritt (S100) des Messens einerSpannung von zumindest einer der Einheitszellen (31) odereiner Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln einerVielzahl von Einheitszellen (31) gebildet ist, und einemSchritt des Bestimmens, dass es eine Möglichkeit gibt, dass der Betriebszustandein Zustand mit unzureichendem Oxidiergas ist, falls die Spannung höchstenseine erstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmteSpannung ist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist, unddes Bestimmens, dass es eine Möglichkeitgibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgasist, falls die Spannung höchstensdie zweite vorbestimmte Spannung ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US7354668B2|2008-04-08|
    DE102004005530B4|2015-08-27|
    US20040151956A1|2004-08-05|
    JP4273781B2|2009-06-03|
    CA2456405C|2010-01-05|
    CA2456405A1|2004-08-05|
    JP2004241236A|2004-08-26|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-09-09| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2015-04-20| R018| Grant decision by examination section/examining division|
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