DE102007030037A1 - Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung und-Diagnoseverfahren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung (50), welche eine Brennstoffzelle (1) diagnostiziert bzw. prüft, bei der eine Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen (2) zusammengestapelt ist, und welche aufweist: eine Spannungsanlegeeinrichtung (51) zum Anlegen einer Spannung an die Brennstoffzelle (1) von außen; eine magnetische Feldmeßeinrichtung (52) zum Messen eines magnetischen Feldes in oder um die Brennstoffzelle (1), wenn die externe Spannung angelegt wird; und eine Diagnoseeinrichtung zum Feststellen bzw. Prüfen des Status der Brennstoffzelle (1) anhand der Meßergebnisse des magnetischen Feldes. Durch Feststellen einer Ebenen-Stromverteilung in den Leistungserzeugungszellen (2) durch Messen des magnetischen Feldes kann die Verteilung von Wasser in der Elektrolytmembran (31) nach der Leistungserzeugung, basierend auf dem Diagnoseergebnis der Ebenenverteilung des Stroms, diagnostiziert werden.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung und ein Diagnoseverfahren. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Verbesserung einer Technologie zum Prüfen bzw. Feststellen, ob eine Anormalität bei einer Brennstoffzelle vorliegt.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Brennstoffzelle (beispielsweise eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) wird typischerweise durch Zusammenstapeln einer Mehrzahl von Zellen (Leistungserzeugungszellen) gebildet, welche zwischen Separatoren ein Elektrolyt zu liegen haben. Üblicherweise ist bei einer derartigen Brennstoffzelle, welche aus diesen Zellstapelkörpern gebildet ist, eine Zellüberwachungseinrichtung bereitgestellt, um die Spannung in der Zelle (d.h. die Zellspannung) zu messen, so daß der Leistungserzeugungsstatus, wie beispielsweise eine Fluktuation der Zellspannung während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle, überwacht werden kann. Genauer gesagt wird eine Technologie beschrieben, welche die Erfassung der Stromverteilung während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle durch einen in der Zelle bereitgestellten magnetischen Sensor ermöglicht (siehe hierzu beispielsweise die japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-2005-123162 ).
  • Jedoch gibt es, selbst wenn es wie vorstehend beschrieben ein Meßgerät gibt, um die Stromverteilung während der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle zu erfassen, kein Messgerät bzw. Mittel, um die Verteilung von Wasser in einer Elektrolytmembran festzustellen, wenn kein Strom in der Zelle erzeugt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung sowie ein Diagnoseverfahren bereit, welche dazu geeignet sind, die Verteilung von Wasser in einer Elektrolytmembran festzustellen, wenn keine Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird.
  • Es gibt unterschiedliche Technologien zum Überwachen des Status einer Brennstoffzelle, während die Brennstoffzelle Leistung erzeugt, von denen einige Fluktuationen bei der Zellspannung unter Verwendung einer Zellüberwachungseinrichtung (Spannungssensor) wie vorstehend beschrieben überwachen, und andere, welche die Leistungserzeugungsverteilung unter Verwendung eines Magnetliniensensors bzw. Feldliniensensors überwachen, der an einem Außenumfangsabschnitt eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist. Der vorgenannte Spannungssensor ist nicht dazu geeignet, die Leistungserzeugungsverteilung in der Ebene (in-plane power generating distribution) einer Elektrode zu messen, da er die Durchschnittsspannung der gesamten Zelle überwacht, so daß, wenn eine Anormalität in einem Abschnitt der Zelle auftritt, diese nicht erfaßt werden kann. Diesbezüglich wird, bei Verwendung eines Spannungssensors, selbst dann, wenn eine Anormalität auftritt (d.h. wenn die Stromdichte abnimmt), bei einem Ebenen-Abschnitt der Zellen, diese oft durch andere Abschnitte, welche normal funktionieren, ausgeglichen (d.h. die Stromdichte nimmt zu). Als Ergebnis ist die Durchschnittszellspannung nicht anormal, so daß eine Anormalität, bei der ein örtliches Problem vorliegt, unerkannt bleiben kann.
  • Auf der anderen Seite kann der später genannte Magnetfeldsensor die Leistungserzeugungsverteilung (Stromdichte) des gesamten Brennstoffzellenstapels kontaktfrei messen. Daher ist es, selbst wenn eine Zelle mit einer Leistungserzeugungsverteilung, welche von einer Leistungserzeugungsverteilung einer anderen Zelle unterschiedlich ist, in einem Stapel gestapelt ist, unter Verwendung der Störung, welche in den Magnetkraftlinien bzw. Feldlinien erzeugt wird, die sich durch den Stapel erstrecken, möglich zu erfassen, ob eine anormale Zelle vorliegt. Da die Leistung des Magnetfeldsensors zur Erfassung einer anormalen Zelle jedoch gering ist, ist es möglich, daß eine an eine anormale Zelle angrenzende Zelle irrtümlich als anormal erfaßt wird. In wenigen Fällen kann es auch vorkommen, daß die Anormalität überhaupt nicht erfaßt wird. Diesbezüglich ist, wenn beispielsweise eine Anormalität in einer bestimmten Zelle auftritt, wobei diese Anormalität die Leistungserzeugungsverteilung der angrenzenden Zellen derart betrifft, selbst wenn eine Zelle normal funktioniert, deren Leistungserzeugungsverteilung verglichen mit ihrer normalen Leistungserzeugungsverteilung unterschiedlich. Als ein Ergebnis kann eine angrenzende normale Zelle irrtümlich als anormal erfaßt werden. Umgekehrt kann es auch vorkommen, daß, wenn die Anormalität gering ist, diese nicht erfaßt werden kann, da diese durch die Leistungserzeugungsverteilung angrenzender normaler Zellen kompensiert werden kann, welche die Änderungen in den Feldlinien verringern. Da dieses Verfahren darüber hinaus eine Anormalität basierend auf der Leistungserzeugungsverteilung des gesamten Stapels feststellt, nicht jedoch auf einer Zelle, ist es nicht möglich, in zufriedenstellender Weise eine anormal funktionierende Zelle zu erfassen.
  • Davon ausgehend ist es möglich, daß eine Art reversible Anormalität oder ein Zustand während eines instationären Wechsels bzw. einer instationären Veränderung, beispielsweise einer Temperaturänderung bei der Leistungserzeugungsverteilung, einer Ansammlung von erzeugtem Wasser in einem bestimmten Gebiet, oder einem vorübergehenden bzw. instationären Unterschied beim Leistungserzeugungsstatus einer jeden Zelle während einer Veränderung der Last irrtümlich als Anormalität einer Zelle erfaßt wird, da eine Ausgabe von all den Sensoren erhalten wird, wenn Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung, welche eine Brennstoffzelle, bei der eine Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen zusammengestapelt ist, diagnostiziert bzw. überprüft, und wel che dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Spannungsversorgungseinrichtung zum Anlegen einer Spannung von außen an die Zelle aufweist, sowie eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen eines Magnetfeldes in oder um die Brennstoffzelle, wenn die externe Spannung angelegt wird; und eine Diagnosevorrichtung zum Diagnostizieren des Zustands der Brennstoffzelle anhand der Meßergebnisse des magnetischen Feldes.
  • Gemäß dem ersten Aspekt wird durch Anlegen einer externen Spannung ein Magnetfeld (Feldlinien) in oder um die Brennstoffzelle erzeugt, wenn keine Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei zu diesem Zeitpunkt kein Effekt einer instationären Veränderung existiert, welche auftritt, wenn beispielsweise Leistung erzeugt wird. Wenn eine anormale Zelle im Brennstoffzellenstapel vorliegt, wird das Magnetfeld (Feldlinien) durch diese beeinflußt und gestört. Als Ergebnis kann das Vorliegen einer anormalen Zelle durch Erfassen der Störung im Magnetfeld (Feldlinien) erfaßt werden, wodurch die Brennstoffzelle diagnostiziert werden kann.
  • Falls ferner eine große Menge von in der Zelle produziertem Wasser die Strömung oder Diffusion von Reaktionsgas stört, tritt beispielsweise eine Elektrolyse von Wasser in dem Abschnitt auf, wo eine große Menge von Wasser vorhanden ist, was zu einer Stromverteilung führt, die von der Stromverteilung in anderen Abschnitten unterschiedlich ist. Oder, falls ein Katalysator in einer MEA (Membran-Elektrolyt-Anordnung) sich verschlechtert, kann der Strom beispielsweise nicht einfach durch den Abschnitt strömen, so daß die Stromverteilung darin endet, daß diese unterschiedlich von der Stromverteilung anderer Abschnitte ist. Gemäß dem ersten Aspekt kann das Magnetfeld, welches als Resultat davon beeinflußt und gestört wurde, erfaßt werden, und die Position, an der die Stromverteilung unterschiedlich ist, kann ebenfalls basierend auf den Meßergebnissen erfaßt werden. Demgemäß kann eine Ebenenverteilung des Stromes in der Leistungserzeugungszelle basierend auf diesen Erfassungsergebnissen diagnostiziert werden, und ferner kann die Verteilung von Wasser in der Elektrolytmembran nach der Leistungserzeugung basierend auf diesen Ergebnissen diagnostiziert werden.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung kann die Spannungsversorgungseinrichtung ein Magnetfeld in oder um die Brennstoffzelle erzeugen, durch Anlegen einer externen Spannung einer Zellüberwachungseinrichtung, welche den Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle durch Messen der Zellspannung der Leistungserzeugungszellen mißt. In diesem Fall wird eine Brennstoffzelle verwendet, die vorab mit einer Zellüberwachungseinrichtung zur Erfassung des Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle bereitgestellt wurde, und diese existierende Zellüberwachungseinrichtung wird auch als Einrichtung zum Anlegen der externen Spannung verwendet, d.h. als externe Spannungsanlegeeinrichtung. Zusätzlich kann, in Abhängigkeit von der Struktur, eine Zellüberwachungseinrichtung für jede der Mehrzahl der gestapelten Leistungserzeugungszellen bereitgestellt werden. In diesem Fall kann ein Magnetfeld für jede Zelle durch Anlegen einer Spannung an jede Zelle erzeugt werden, so daß der Ort einer Anormalität präziser erfaßt werden kann. Natürlich ist in einem derartigen Fall eine äußere Ausrüstung zum Anlegen einer Spannung nicht notwendig.
  • Gemäß dem ersten Aspekt kann die Diagnoseeinrichtung eine Ebenenverteilung des Stroms in den Leistungserzeugungszellen diagnostizieren. Demgemäß kann die Verteilung des Wassers in einer Elektrolytmembran der Brennstoffzelle, während die Brennstoffzelle keine Leistung erzeugt, basierend auf den Diagnoseergebnissen der Ebenenverteilung des Stroms in den Leistungserzeugungszellen diagnostiziert werden.
  • Ferner kann die Spannungsanlegeeinrichtung eine externe Spannung an die Brennstoffzelle anlegen, während Separatoren der Mehrzahl der Leistungserzeugungszellen kurzgeschlossen sind. Üblicherweise sammeln sich während der fortgesetzten Leistungserzeugung der Brennstoffzelle Oxide an der Oberfläche des Elektrolytkatalysators, welche den Kontakt zwischen dem Reaktionsgas und dem Elektrodenkatalysator stören. Als ein Ergebnis nimmt die Leistungserzeugungsleistung (Ausgangsleistung) schrittweise ab. Wenn auf der anderen Seite die Separatoren kurzgeschlossen werden, während Brenngas in den Zellen vorhanden ist, reinigt die Reduktionsreaktion der Oxide die Katalysator(ober)fläche und reaktiviert diese, wodurch die Leistungserzeugungs leistung wieder hergestellt wird. Wenn ein Magnetfeld (Feldlinien) in der Brennstoffzelle durch Anlegen einer externen Spannung an die Brennstoffzelle erzeugt wird, während die Separatoren der Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen kurzgeschlossen sind, wird eine Reduktionsreaktion ähnlich der vorstehend beschriebenen induziert, wodurch es möglich wird, die Katalysatorfläche gleichzeitig mit der Erfassung einer Anormalität bezüglich der Zellen zu reaktivieren.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle, bei der eine Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen zusammengestapelt ist, welches die Schritte Anlegen einer Spannung an die Brennstoffzelle von außen aufweist; Erfassen eines Magnetfeldes in oder um die Zelle, wenn die externe Spannung angelegt ist; und Diagnostizieren des Status der Brennstoffzelle anhand der Meßergebnisse des Magnetfeldes.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die externe Spannung an die Brennstoffzelle von einer Zellüberwachungseinrichtung angelegt werden, welche den Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle durch Erfassen der Zellspannung der Leistungserzeugungszellen bestimmt.
  • In diesem Fall kann die externe Spannung an die Brennstoffzelle angelegt werden, während die Separatoren der Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen kurzgeschlossen sind.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Vorstehende sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen; dabei zeigt:
  • 1 eine perspektivische Explosionszeichnung einer beispielhaften Struktur einer Leistungserzeugungszelle, welche eine Brennstoffzelle bildet;
  • 2 eine perspektivische Darstellung, welche eine beispielhafte Anordnung eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
  • 3 eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt der Leistungserzeugungszelle darstellt, um das Prinzip des Diagnoseverfahrens zu illustrieren, welches durch die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung angewandt wird;
  • 4 eine Darstellung, die eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei eine Mehrzahl von gestapelten Zellen von der Seite gezeigt wird;
  • 5 ein Flußdiagramm, das ein Beispiel einer Routine des Brennstoffzellen-Diagnoseverfahrens zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • In der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.
  • Die 1 bis 5 zeigen beispielhafte Ausführungsformen einer Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung sowie eines Diagnoseverfahrens gemäß der Erfindung. Die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 der Erfindung ist eine Diagnosevorrichtung zum Diagnostizieren einer Brennstoffzelle 1, welche aus einer Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen (nachfolgend einfach als „Zellen" bezeichnet) 2 gebildet wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein Magnetfeld in oder um die Brennstoffzelle 1 gemessen, wenn eine externe Spannung angelegt ist, und der Status der Brennstoffzelle 1 wird anhand dieser Meßergebnisse diagnostiziert.
  • Bei den nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen wird zunächst die allgemeine Struktur der Zellen 2, welche die Brennstoffzelle 1 bilden, sowie die allgemeine Struktur eines Zellstapels 3, der durch eine Mehrzahl von gestapelten Zellen 2 gebildet wird, beschrieben. Dann wird die Struktur bzw. Anordnung zum Anlegen einer externen Spannung und Diagnostizieren des Zustands in der Brennstoffzelle 1 beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der allgemeinen Struktur einer der Zellen 2 der Brennstoffzelle 1 dieser beispielhaften Ausführungsform. Eine Mehrzahl der Zellen 2, welche wie in der Zeichnung dargestellt strukturiert sind, werden in Serie zusammengestapelt, um einen Zellstapelkörper 3 (siehe 2) zu bilden. Der durch diesen Zellstapelkörper 3 gebildete Brennstoffzellenstapel und dergleichen wird dann auch durch eine in Stapelrichtung aufgebrachte Last gebunden, während beispielsweise beide Enden des Stapels zwischen einem Paar Endplatten 8 angeordnet sind, und Halteteile, die aus Spannplatten 9 ausgebildet sind, werden dann derart angeordnet, um diese Endplatten 8 zusammenzuhalten (siehe 2).
  • Im übrigen kann die Brennstoffzelle 1, die durch einen derartigen Brennstoffzellenstapel und dergleichen gebildet wird, beispielsweise als Onboard-Leistungserzeugungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV – Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug) verwendet werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das bedeutet, die Brennstoffzelle 1 kann auch als Leistungserzeugungssystem verwendet werden, das beispielsweise in unterschiedlichen Typen mobiler Körper (beispielsweise Seefahrzeugen und Luftfahrzeugen) oder einem automatisierbaren Körper (beispielsweise einem Roboter oder dergleichen) angebracht ist, und kann auch als stationäres Leistungserzeugungssystem verwendet werden.
  • Die Zelle 2 enthält ein Elektrolyt (ein bestimmtes Beispiel hiervon ist eine Membran-Elektroden-Anordnung, nachfolgend kurz als „MEA" bezeichnet) 30, sowie ein Paar Separatoren 20 (welche nachfolgend durch die Bezugszeichen 20a und 20b in 1 dargestellt werden), die die MEA zwischen diesen halten, und dergleichen (siehe 1). Die MEA 30 und die Separatoren 20a und 20b bestehen jeweils aus einer im allgemeinen rechteckigen flachen bzw. plattenartigen Form. Darüber hinaus ist die MEA 30 derart ausgebildet, daß deren äußere Form kleiner als die Außenformen der Separatoren 20a und 20b ist.
  • Die MEA 30 enthält eine Polymer-Elektrolytmembran, bestehend aus einer Ionenaustauschmembran aus einem Polymermaterial (nachfolgend einfach als „Elektrolyt" bezeichnet) 31, sowie ein Paar Elektroden (eine Anodenseiten-Diffusionselektrode sowie eine Kathodenseiten-Diffusionselektrode) 32a und 32b, welche die Elektrolytmembran 31 von beiden Seiten umschließen (siehe 1). Die Elektrolytmembran 31 ist größer ausgebildet als die Elektroden 32a und 32b. Die Elektroden 32a und 32b sind beispielsweise durch ein Heißpreßverfahren mit der Elektrolytmembran 31 an Positionen verbunden, so daß die peripheren Randabschnitte 33 der Elektrolytmembran 31 unbedeckt bleiben.
  • Die Elektroden 32a und 32b, die einen Teil der MEA 30 ausbilden, bestehen beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial (Diffusionsschichten), welches einen Katalysator, beispielsweise Platin, trägt, der an der Oberfläche anhaftet. Wasserstoffgas wird als Brenngas (ein Reaktionsgas) einer der Elektroden (der Anode) 32a zugeführt, während Oxidationsgas (ein Reaktionsgas), beispielsweise Luft oder ein Oxidationsmittel der anderen Elektrode (der Kathode) 32b zugeführt wird. Eine elektromotive Kraft wird dann in der Zelle 2 durch elektrochemische Reaktion erzeugt, welche zwischen diesen beiden Typen von Reaktionsgasen in der MEA 30 stattfindet.
  • Die Separatoren 20 (20a und 20b) bestehen aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material, beispielsweise Carbon, einem harten leitfähigem Harz oder einen Metall, beispielsweise Aluminium oder Edelstahl. Die Substrate der Separatoren 20 (20a und 20b) in dieser beispielhaften Ausführungsform bestehen aus einem plattenförmigen Metall (d.h. einem Metallseparator), und eine hochkorrosionsbeständige Membran (beispielsweise eine Membran, welche durch Goldplattierung ausgebildet wird) ist auf der Oberfläche der Substrate ausgebildet, welche am nächsten zu den Elektroden 32a und 32b liegt.
  • Zudem sind rillenförmige Flußpfade, welche durch eine Mehrzahl von konkaven Abschnitten ausgebildet werden, auf beiden Seiten der Separatoren 20a und 20b ausgebildet. Diese Flußpfade können durch Preßformen im Fall der Separatoren 20a und 20b dieser beispielhaften Ausführungsform ausgebildet werden, bei denen die Substrate beispielsweise aus plattenförmigem Metall ausgebildet sind. Die rillenförmigen Flußpfade, welche auf diese Weise ausgebildet werden, bilden einen Gasflußpfad 34 für das Oxidationsgas, einen Gasflußpfad 35 für das Wasserstoffgas oder einen sogenannten Kühlmittelflußpfad 36. Genauer gesagt sind eine Mehrzahl von Gasflußpfaden für das Wasserstoffgas an der Innenseite, d.h. der am nächsten an der Elektrode 32a gelegenen Seite des Separators 20a ausgebildet, während eine Mehrzahl von Kühlmittelflußpfaden 36 auf der Rückseite (d.h. der Außenfläche) des Separators 20a ausgebildet ist (siehe 1). Auf ähnliche Weise ist eine Mehrzahl von Gasflußpfaden 34 für das Oxidationsgas an der Innenfläche ausgebildet, d.h. der am nächsten zur Elektrode 32b gelegenen Seite des Separators 20b, während eine Mehrzahl von Kühlmittelflußpfaden an der Rückseite (d.h. an der Außenfläche) des Separators 20b ausgebildet ist (siehe 1). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Struktur beispielsweise derart, daß bei zwei benachbarten Zellen 2 beide Kühlmittelflußpfade 36 zusammentreffen, wenn die Außenfläche des Separators 20a einer Zelle 2 mit der Außenfläche des Separators 20b der angrenzenden Zelle 2 zusammenpassen, um dadruch einen einzelnen Kühlmittelflußpfad 36 auszubilden, der einen Querschnitt hat, welcher beispielsweise rechteckig oder wabenförmig ist.
  • Wie vorstehend beschrieben, sind die Separatoren 20a und 20b ferner derart ausgebildet, daß zumindest die konkaven und konvexen Formen zum Ausbilden der Fluidflußpfade umgekehrt auf den Front- und Rückflächen ausgebildet sind. Genauer gesagt dient beim Separator 20a die Rückfläche in konvexer Form (konvexe Rippe), die den Gasflußpfad 35 für das Wasserstoffgas bildet, als konkave Fläche (konkave Rille), die den Kühlmittelflußpfad 36 bildet, und die Rückfläche in konkaver Form (konkave Rille), die den Gasflußpfad 35 bildet, dient als konvexe Form (konvexe Rippe), die den Kühlmittelflußpfad 36 bildet. Darüber hinaus dient beim Separator 20b die Rückfläche in konvexer Form (konvexe Rippe), die den Gasflußpfad 34 für das Oxidationsgas bildet, als konkave Form (konkave Rille), die den Kühlmittelflußpfad 36 bildet, und die Rückfläche in konkaver Form (konkave Rille), die den Gasflußpfad 34 bildet, dient als konvexe Form (konvexe Rippe), die den Kühlmittelflußpfad 36 bildet.
  • Ferner sind ein Oxidationsgas-Einlaßseitenkrümmer 15a, ein Wasserstoffgas-Auslaßseitenkrümmer 16b, sowie ein Kühlmittel-Auslaßseitenkrümmer 17b in der Nähe des Endabschnitts in Längsrichtung der Separatoren 20a und 20b ausgebildet (d.h. im Fall der beispielhaften Ausführungsform in der Nähe des einen Endabschnitts, welcher auf der linken Seite in 1 gezeigt ist). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Krümmer 15a, 16b und 17b beispielsweise durch im allgemeinen rechtwinklige oder trapezoide Öffnungen ausgebildet, die in den Separatoren 20a und 20b ausgebildet sind (siehe 1). Ferner sind ein Oxidationsgas-Auslaßseitenkrümmer 15a, ein Wasserstoffgas-Einlaßseitenkrümmer 16a sowie ein Kühlmittel-Einlaßseitenkrümmer 17a am Endabschnitt auf der Seite der Separatoren 20a und 20b ausgebildet, die den Krümmern 15a, 16b und 17b gegenüberliegt. In dieser beispielhaften Ausführungsform sind diese Krümmer 15b, 16a und 17a ebenfalls durch im wesentlichen rechteckige oder trapezoide Öffnungen ausgebildet (siehe 1). Im übrigen werden in 2 und dergleichen die Bezugszeichen der Krümmer ohne die jeweils angefügten Buchstaben a und b dargestellt.
  • Von den vorstehend beschriebenen Krümmern sind der Wasserstoffgas-Einlaßseitenkrümmer 16a sowie der Auslaßseitenkrümmer 16b des Separators 20a zum Gasflußpfad 35 für das Wasserstoffgas jeweils über eine Einlaßseiten-Verbindungsleitung 61 sowie eine Auslaßseiten-Verbindungsleitung 62 geöffnet, welche rillenförmig im Separator 20a ausgebildet sind. Auf ähnliche Weise sind der Oxidationsgas-Einlaßseitenkrümmer 15a und der Oxidationsgas-Auslaßseitenkrümmer 15b des Separators 20b jeweils zum Gasflußpfad 34 für das Oxidationsgas über eine Einlaßseiten-Verbindungsleitung 63 sowie eine Auslaßseiten-Verbindungsleitung 64 offen, welche rillenförmig im Separator 20b ausgebildet sind (siehe 1). Darüber hinaus sind der Kühlmittel-Einlaßseitenkrümmer 17a und der Auslaßseitenkrümmer 17b der Separatoren 20a und 20b zum Kühlmittelflußpfad 36 jeweils über eine Einlaßseiten-Verbindungsleitung 65 sowie eine Auslaßseiten-Verbindungsleitung 66 offen, welche rillenförmig in den Separatoren 20a und 20b ausgebildet sind. Die insoweit beschriebene Struktur der Separatoren 20a und 20b ermöglicht die Zufuhr von Oxidationsgas, Wasserstoffgas und Kühlmittel Zelle 2. Ein spezifisches Beispiel wird nun angeführt. Wenn die Zellen 2 gestapelt werden, strömt Wasserstoffgas beispielsweise vom Einlaßseitenkrümmer 16a des Separators 20a in den Gasflußpfad 35 durch die Verbindungsleitung 61. Nachdem es zur Erzeugung von Leistung in der MEA 30 gedient hat, strömt das Wasserstoffgas dann durch die Verbindungsleitung 62 und den Auslaßseitenkrümmer 16b aus.
  • Ein erstes Dichtungselement 13a sowie ein zweites Dichtungselement 13b sind jeweils aus einer Mehrzahl von Teilen ausgebildet (beispielsweise vier kleinen rechtwinkligen Rahmenkörpern und einem großen Rahmenkörper, der einen Fluidflußpfad bildet) (siehe 1). Von diesen ist das erste Dichtungsteil 13a zwischen der MEA 30 und dem Separator 20a bereitgestellt. Genauer gesagt ist das erste Dichtungsteil 13a derart bereitgestellt, daß ein Abschnitt davon zwischen dem peripheren Randabschnitt 33 des Elektrolytteils 31 sowie einem Abschnitt des Separators 20a, der den Gasflußpfad 35 umgibt, eingefügt ist. Auch das zweite Dichtungsteil 13b ist zwischen der MEA 30 und dem Separator 20b bereitgestellt. Genauer gesagt ist das zweite Dichtungsteil 13b derart bereitgestellt, daß ein Abschnitt davon zwischen dem peripheren Randabschnitt 33 des Elektrolytteils 31 und einem Abschnitt des Separators 20, welcher den Gasflußpfad 34 umgibt, eingefügt ist.
  • Zudem ist ein drittes Dichtungsteil 13c, das aus einer Mehrzahl von Teilen (beispielsweise vier kleinen rechteckigen Rahmenkörpern und einem großen Rahmenkörper, der einen Fluidflußpfad bildet) ausgebildet ist, zwischen dem Separator 20a und dem Separator 20b benachbarter Zellen 2 bereitgestellt (siehe 1). Dieses dritte Dichtungsteil 13c ist zwischen einem Abschnitt des Separators 20b um den Kühlmit telflußpfad 36 und einem Abschnitt des Separators 20a um den Kühlmittelflußpfad 36 dazwischenliegend bereitgestellt, und stellt eine Dichtung zwischen diesen bereit.
  • Die ersten bis dritten Dichtungsteile 13a bis 13c können jeweils aus einem elastischen Körper (einer Dichtung) bestehen, welche durch physikalisches in Kontakt bringen angrenzender Teile Fluid dichtet, oder aus einem Klebstoff oder dergleichen, der durch chemische Bindung mit dem benachbarten Teil anhaftet. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist jedes Dichtungselement 13a bis 13c beispielsweise ein Teil, welches eine physikalische Dichtung unter Verwendung von Elastizität bereitstellt. Alternativ jedoch kann jedes Dichtungsteil 13a bis 13c auch ein Teil sein, welches eine Dichtung aufgrund chemischer Bindung bereitstellt, beispielsweise ein Klebstoff, wie vorstehend beschrieben.
  • Ein rahmenförmiges Teil 40 ist ein Teil, das beispielsweise aus Harz besteht, und zusammen mit der MEA 30 zwischen den Separatoren 20a und 20b angeordnet ist (nachfolgend wird dieses rahmenförmige Teil auch als „Harzrahmen" bezeichnet). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Harzrahmen 40, der eine dünne Rahmenform hat, beispielsweise zwischen den Separatoren 20a und 20b angeordnet und umgibt zumindest einen Abschnitt sandwichartig, beispielsweise den Abschnitt entlang des peripheren Randbereichs 33 der MEA 30 von vorne nach hinten. Der Harzrahmen 40, der auf diese Art und Weise bereitgestellt ist, dient 1) als Spacer bzw. Abstandhalter zwischen den Separatoren 20 (20a und 20b), der die Klemmkraft unterstützt, 2) als Isolierelement, und 3) als Versteifungselement, welches die Festigkeit der Separatoren 20 (20a und 20b) verstärkt.
  • Nachfolgend wird eine einfache Beschreibung der Struktur der Brennstoffzelle 1 gegeben (siehe 2). Die Brennstoffzelle 1 dieser beispielhaften Ausführungsform enthält einen Zellstapelkörper 3, bei dem eine Mehrzahl von Zellen 2 zusammengestapelt ist. Eine Sammelplatte mit einem Ausgangsanschluß, eine Isolierplatte sowie eine Endplatte 8 sind dann der Reihe nach an der Außenseite derjenigen Zellen 2 angeordnet, die an beiden Enden des Zellstapelkörpers 3 angeordnet sind (siehe 2). Ferner sind Spannplatten 9, welche den Zellstapelkörper 3 und dergleichen in einem gestapelten Zustand binden, unter Spannung stehend jeweils zwischen den Endplatten 8 bereitgestellt, zum Beispiel ist ein Paar Spannplatten 9 beiden Seiten des Stapels gegenüberliegend angeordnet (siehe 2). Die Spannplatten 9 sind mit den Endplatten 8 verbunden und halten eine vorbestimmte Klemmkraft (d.h. eine Kompressionslast) in Stapelrichtung auf den Zellstapelkörper 3 aufgebracht. Ferner ist eine nicht dargestellte Isolierschicht zum Vermeiden eines elektrischen Leckflusses und von Funkenbildung an der Innenfläche der Spannplatten 9 ausgebildet (d.h. der Fläche, welche dem Zellstapelkörper 3 gegenüberliegt). Diese Isolierschicht wird beispielsweise durch ein Isolierband ausgebildet, das an der Innenseite der Spannplatten anhaftet, oder eine auf die Oberfläche aufgebrachte Harzbeschichtung, um die Fläche abzudecken, oder dergleichen. Im übrigen sind ein Paar plattenförmiger Teile 12 ausgebildet, welche ein elastisches Modul, das beispielsweise aus einer Spiralfeder besteht, und das eine Klemmkraft (d.h. eine Kompressionslast) auf den Brennstoffzellenstapel aufbringt, dazwischen sandwichartig einklemmen (siehe 2).
  • Um fortzufahren, wird nachfolgend eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 zum Diagnostizieren des Zustands der Brennstoffzelle 1 durch Anlegen einer externen Spannung, sowie ein Diagnoseverfahren unter Verwendung dieser Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 beschrieben (siehe 3 bis 5).
  • Diese Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 mißt das magnetische Feld in oder um die Brennstoffzelle 1, während eine externe Spannung angelegt wird, und diagnostiziert den Zustand der Brennstoffzelle 1 anhand des Meßergebnisses. Die nachfolgende Beschreibung basiert auf dem Prinzip des Diagnoseverfahrens unter Verwendung der externen Spannung und des Magnetfeldes, welches durch die externe Spannung erzeugt wird (siehe 3).
  • Wenn eine externe Spannung an die Separatoren 20 (20a und 20b) angelegt wird, welche einen Teil einer einzelne Zelle 2 bilden, so daß Strom in Richtung vom Separater 20b zum Separator 20a fließt, wird ein Magnetfeld (magnetische Feldlinien) in und um die Zelle 2 erzeugt (siehe die Doppelpunkt-Strich-Linie in 3). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird das Magnetfeld (die magnetischen Feldlinien) unter Verwendung eines Feldliniensensors 52 ermittelt, und der Zustand der Zelle 2 oder der Brennstoffzelle 1 mit der Zelle 2 wird basierend auf dem Meßergebnis ermittelt.
  • Hierbei sind Beispiele anormaler Zustände, welche in der Zelle 2 auftreten können, wie folgt. Das bedeutet, wenn eine große Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 2 produziert wird, die den Fluß oder die Diffusion des Reaktionsgases (Brenngas oder Oxidationsgas) stört bzw. unterbricht, tritt eine Elektrolyse von Wasser in dem Abschnitt auf, wo eine große Menge an Wasser vorhanden ist, was in einer Stromverteilung resultiert, welche unterschiedlich von der Stromverteilung in anderen Abschnitten ist. Oder, falls ein Abschnitt eines Katalysators, wie beispielsweise Platin (genauer gesagt, eine poröse Diffusionsschicht aus Kohlenstoff, welche beispielsweise den Katalysator trägt), die an der Oberfläche der Elektroden 32a und 32b, die einen Teil der MEA 30 bilden, beispielsweise durch Abnutzung verloren gegangen ist, ist der Strom nicht mehr in der Lage, leicht durch diesen Abschnitt zu strömen, so daß die Stromverteilung darin endet, daß sie unterschiedlich von der Stromverteilung anderer Abschnitte ist. Falls eine derartige Anormalität in der Brennstoffzelle 1 auftritt, mißt die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung beispielsweise, daß das Magnetfeld als ein Ergebnis davon beeinflußt und gestört worden ist, und kann den Zustand der Brennstoffzelle 1 oder der Zelle 2, welche einen Teil dieser Brennstoffzelle 1 bildet, basierend auf dem Meßergebnis diagnostizieren.
  • Der Zeitpunkt, zu dem die Diagnose unter Verwendung der Art von Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 ausgeführt wird, ist nicht auf einen bestimmten Zeitpunkt festgelegt, es ist jedoch vorzuziehen, daß die Diagnose dann ausgeführt wird, wenn diese nicht durch einen instationären Zustand, während Strom in der Zelle erzeugt wird, beeinflußt wird. Beispielsweise ermöglicht die Durchführung der Diagnose nach der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle (d.h. nachdem die Brennstoffzelle gestoppt wurde), daß die Brennstoffzelle 1 ohne den instationären Zustand, bei dem Strom in der Brennstoffzelle erzeugt wird, diagnostiziert wird, wodurch der instationäre Zustand die Diagnose nicht beeinflußt. Gemäß der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50, die eine externe Spannung zur Erzeugung eines Magnetfeldes anlegt, dieses Magnetfeld mißt und dann eine Diagnose basierend auf den gemessenen Ergebnissen auf diese Art und Weise ausführt, kann eine Diagnose selbst dann durchgeführt werden, wenn keine Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird.
  • Darüber hinaus ist diese Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung ebenfalls dazu geeignet, die Ebenenverteilung (in-plane distribution) des Stroms in der Leistungserzeugungszelle durch Messen des Magnetfeldes wie vorstehend beschrieben zu diagnostizieren. Als ein Ergebnis kann, falls eine große Menge von produziertem Wasser den Strom oder die Diffusion von Reaktionsgas in der Zelle 2 unterbricht, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise die Verteilung von Wasser in der Elektrolytmembran 31 basierend auf den Diagnoseergebnissen der Ebenenverteilung des Stroms diagnostiziert werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 dieser beispielhaften Ausführungsform eine Diagnose durchführen, wenn keine Leistung erzeugt wird, beispielsweise wenn die Leistungserzeugung beendet wurde, so daß eine Diagnose der Wasserverteilung in der Elektrolytmembran 31 nach Leistungserzeugung nun möglich ist, was vorher nicht möglich war.
  • Die genaue Konstruktion dieser Art von Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung ist nicht auf eine Bestimmte festgelegt. Jedoch wird bei dieser beispielhaften Ausführungform als Einrichtung zum Anlegen der externen Spannung eine Zellüberwachungseinrichtung 51 zum Überwachen der Spannung einer jeden Zelle 2 dazu verwendet (siehe 4). Die Zellüberwachungseinrichtung 51 ist eine Vorrichtung, die dazu verwendet wird, um den Leistungserzeugungsstatus durch Überwachen der Spannung (Zellspannung) der Zelle 2 zu ermitteln. Wenn vorab zur Erfassung des Leistungserzeugungsstatus bereitgestellt, kann die existierende Zellüberwachungseinrichtung 51 in dieser beispielhaften Ausführungsform jedoch auch als Spannungsanlegevorrichtung verwendet werden, was die Notwendigkeit für zusätzliche neue externe Ausrüstung umgeht. Falls eine Zellüberwachungseinrichtung für eine jeder der Mehrzahl der gestapelten Zellen 2 bereitgestellt ist, kann zusätzlich der Ort der Anormalität, beispielsweise wo die Anor malität in der Stapelanordnung aufgetreten ist, genauer festgestellt werden, da diese Zellüberwachungseinrichtungen 51 Magnetfelder durch Anlegen einer Spannung an jede Zelle 2 erzeugen können (siehe 4). In diesem Fall ist es möglich, bezüglich jeder Zelle 2 durch sequentielles Anlegen einer Spannung von einem Anschluß der Zellüberwachungseinrichtung 51, der der Zelle 2 entspricht, festzustellen, ob eine Anormalität aufgetreten ist.
  • Zudem wird bei dieser beispielhaften Ausführungsform der Feldliniensensor bzw. Magnetfeldsensor 52, der um den Zellstapelkörper 3 angeordnet ist, als Beispiel einer Einrichtung zum Erfassen des Magnetfeldes (Feldlinien) verwendet (siehe 4). Falls eine Zellüberwachungseinrichtung 51 für jede der Mehrzahl der gestapelten Zellen 2 bereitgestellt ist, ist vorzugsweise auch ein Feldliniensensor 52 für jede der Zellen 2 bereitgestellt (siehe 4). Als Ergebnis kann das Magnetfeld (Feldlinien) in jeder Zelle 2 erzeugt werden und individuell erfaßt werden.
  • Ein Beispiel einer Diagnoseroutine, welche durch die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 der vorstehend beschriebenen Struktur ausgeführt wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm beschrieben (siehe 5).
  • Wenn eine Diagnose ausgeführt wird, wird zunächst ein jeder Separator der Mehrzahl der Zellen 2 kurzgeschlossen, nachdem die Brennstoffzelle 1 mit der Leistungserzeugung aufgehört hat (d.h. nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 1 gestoppt wurde) (siehe Schritt S1). Wenn eine Zellüberwachungseinrichtung 51 für jede Zelle 2 bereitgestellt ist, können die Separatoren 20 der Zelle 2 unter Verwendung beispielsweise einer Substratschaltung bzw. Trägerschaltung (substrate circuit) (nicht dargestellt), die in jeder Zellüberwachungseinrichtung 51 bereitgestellt ist, kurzgeschlossen werden. Im übrigen werden zur Vermeidung eines übermäßigen Stromflusses unmittelbar während des Kurzschlusses die Separatoren 20 vorzugsweise kurzgeschlossen, nachdem beispielsweise die Zellen 2 betrieben werden, wenn ein luftstöchiometrischen Verhältnis von normaler oder weniger als der Potenzialdifferenz zwischen den positiven und negativen Polen zufriedenstellend verringert wurde.
  • Anschließend wird die externe Spannung an die Brennstoffzelle 1 unter Verwendung der Zellüberwachungseinrichtung 51 angelegt (Schritt S2). Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird beispielsweise die Spannung sequentiell vom Anschluß einer jeden Zellüberwachungseinrichtung 51, die in jeder Zelle 2 bereitgestellt ist, angelegt.
  • Nachfolgend, mißt der Feldliniensensor 52 dann das Magnetfeld (Feldlinien), welches durch die angelegte Spannung erzeugt wird (Schritt S3). Sofern eine anormale Zelle 2 in der Brennstoffzelle 1 vorliegt, wird dieses Magnetfeld (Feldlinien) im Ergebnis gestört. Die anormale Zelle 2 kann dadurch durch Erfassen dieser Störung erfaßt werden. Als ein Ergebnis kann die Brennstoffzelle 1 anhand der Erfassungsergebnisse diagnostiziert werden (Schritt S4).
  • Wie insoweit beschrieben, kann die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung dieser Ausführungsform effektiv die Brennstoffzelle 1 diagnostizieren. Das bedeutet, mit lediglich einer Zellüberwachungseinrichtung (Spannungssensor) war es bis jetzt nicht möglich, die Ebenenleistungserzeugungsverteilung einer Elektrode zu erfassen, da diese die Durchschnittsspannung der gesamten Zelle mißt. Selbst wenn eine Anormalität in einem Abschnitt der Zellen auftritt, ist es nicht möglich, diese zu erfassen, und mit lediglich einem einzigen Magnetfeldsensor kann die Zelle, welche benachbart zur anormalen Zelle liegt, auch irrtümlich als anormal erfasst werden. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird jedoch Spannung aktiv von außen angelegt, und eine anormale Zelle kann, basierend auf dem Meßergebnis des Magnetfeldes (Feldlinien), welches durch die angelegte Spannung erzeugt wird, genauer erfaßt werden.
  • Wenn ferner eine Zellüberwachungseinrichtung 51 für jede Zelle 2 bereitgestellt ist, kann ein Magnetfeld für jede Zelle 2 durch Anlagen der Spannung an jede Zelle 2 unter Verwendung dieser Zellüberwachungseinrichtungen 51 erzeugt werden. Als Ergebnis ist es auch möglich, die Position der Anormalität genauer festzustellen, beispielsweise wo die Anormalität in Stapelrichtung auftritt.
  • Da diese Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 zudem ein Magnetfeld durch Anlegen einer externen Spannung erzeugt und eine Diagnose basierend auf den Ergebnissen dieses Magnetfelds wie vorstehend beschrieben durchführt, kann eine Diagnose auch dann ausgeführt werden, wenn die Brennstoffzelle 1 keine Leistung erzeugt, beispielsweise nach deren Leistungserzeugung (d.h. nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 1 gestoppt wurde). Daher kann, falls eine große Menge von produziertem Wasser in der Zelle 2 vorhanden ist, beispielsweise die Wasserverteilung in der Elektrolytmembran 31 nach Leistungserzeugung basierend auf den Diagnoseergebnissen der Ebenenverteilung des Stroms diagnostiziert werden. Daher kann nunmehr eine Diagnose nach der Leistungserzeugung durchgeführt werden, was bisher nicht möglich war.
  • Darüber hinaus werden bei dieser beispielhaften Ausführungsform, welche die Zellüberwachungseinrichtung 51 verwendet, die Zellüberwachungseinrichtungen 51 als Spannungsüberwachungseinrichtungen verwendet, wenn Leistung normal erzeugt wird. Wenn keine Leistung erzeugt wird, können diese Zellüberwachungseinrichtungen 51 als Einrichtungen zum Anlegen von Leistung verwendet werden. Als ein Ergebnis kann die Zahl der Teile verringert werden, und die Schaltungskonfiguration kann vereinfacht werden.
  • Zudem kann die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 50 dieser beispielhaften Ausführungsform die Zellen 2 auch reaktivieren, während die Diagnose ausgeführt wird. Das bedeutet, während kontinuierlich Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird, sammeln sich Oxide an der Fläche des Elektrodenkatalysators an, welche schrittweise die Leistungserzeugungsleistung (Ausgabeleistung) verringern. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform werden jedoch, wenn Magnetfelder (Feldlinien) in den Zellen 2 durch Anlegen der externen Spannung erzeugt werden, die Separatoren 20 kurzgeschlossen, und eine Reduktionsreaktion wird induziert, wodurch es möglich ist, die Katalysatorfläche zur selben Zeit zu reaktivieren, während eine Anormalitätserfassung bezüglich der Zellen 2 durchgeführt wird.
  • Im übrigen ist die vorstehend diskutierte beispielhafte Ausführungsform lediglich eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Die Erfindung ist auf keinen Fall auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt. Im Gegenteil, unterschiedliche Veränderungen können ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist bei der vorstehenden beispielhaften Ausführungsform ein Fall beschrieben, bei dem die Zellüberwachungsvorrichtungen 51, die für eine jede der Mehrzahl von gestapelten Zellen 2 bereitgestellt sind, als Spannungsversorgungseinrichtung verwendet werden, aber dies ist lediglich ein bevorzugtes Beispiel. Die Erfindung kann auch bei einem Fall angewendet werden, bei dem die Zahl der verwendeten Zellüberwachungseinrichtungen 51 kleiner als die Zahl der gestapelten Zellen ist. Das bedeutet, im Hinblick auf die Erfassung des Leistungserzeugungsstatus durch Erfassen des Magnetfeldes (Feldlinien) der Leistungserzeugungszellen 2 kann gesagt werden, daß es besser ist, mehr Zellüberwachungseinrichtungen 51 zu haben (d.h. es ist vorzuziehen, eine Zahl von Zellüberwachungseinrichtungen 51 zu haben, die näher an der Zahl der gestapelten Zellen liegt). Jedoch können einige Strukturen bzw. Konstruktionen auch weniger Zellüberwachungseinrichtungen haben, um die Größe und die Kosten zu verringern. Selbst in diesen Fällen ist es immer noch möglich, eine Spannung unter Verwendung der Zellüberwachungseinrichtung 51 extern anzulegen und ein Magnetfeld in oder um die Brennstoffzelle 1 zu erzeugen. Demgemäß kann die Störung des Magnetfeldes durch den Feldliniensensor 52 erfaßt werden, und die Brennstoffzelle kann dann natürlich basierend auf diesen Ergebnissen diagnostiziert werden. Beispielsweise ist ein Diagnoseverfahren auch möglich, bei dem die Zahl der Zellüberwachungseinrichtungen 51 kleiner als die Zahl der gestapelten Zellen ist, wobei eine Mehrzahl der angrenzenden Zellen 2 als ein Block betrachtet wird, und ein Magnetfeld (Feldlinien) für jeden Block unter Verwendung dieser Zellüberwachungseinrichtung 51 erzeugt wird.
  • Auf ähnliche Weise kann die Erfindung auch für einen Fall verwendet werden, bei dem die Zahl der Feldliniensensoren 52 kleiner als die Zahl der gestapelten Zellen ist. Beispielsweise ist ein Diagnoseverfahren auch möglich, bei dem eine Mehrzahl von benachbarten Zellen als ein Block betrachtet wird, und das Magnetfeld (Feldlinien) für jeden Block unter Verwendung dieser Feldliniensensoren 52 gemessen wird.
  • Auf diese Weise ist es nicht notwendig, daß ein Paar Sensoren, bestehend aus einer Zellüberwachungseinrichtung 51 und einem Feldliniensensor 52, für eine jede der Zellen 2 bereitgestellt werden muß. Selbst im Extremfall, bei dem nur ein Paar dieser Sensoren bereitgestellt ist, ist es immer noch möglich, das Magnetfeld zu messen, während das einzelne Paar von Sensoren in Zellstapelrichtung bewegt wird, und eine Diagnose basierend auf diesem Ergebnis durchzuführen. Alternativ ist es auch möglich, eine Mehrzahl von Sensorenpaaren, welche geringer als die Zahl der gestapelten Zellen ist, an Stellen entlang bestimmter Abschnitte anzuordnen, an denen eine Erfassung gewünscht ist (beispielsweise an Abschnitten, wo ein Auftreten von Anormalitäten wahrscheinlich ist), wodurch die Zahl der Sensoren letztendlich reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus kann, im Hinblick auf eine weitere kompakte Ausgestaltung des Sensorenpaares der magnetische Feldliniensensor 52 beispielsweise integral mit einem Anschlußabschnitt der Zellüberwachungseinrichtung 51 ausgebildet sein.
  • Im übrigen wird bei der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform die Zellüberwachungseinrichtung 51 als bevorzugtes Beispiel für die Einrichtung zur Anlegung der externen Spannung dargestellt, welche die Notwendigkeit für externe Ausrüstung umgeht. Jedoch verhindert dies nicht, daß eine andere Vorrichtung oder Ausrüstung als die Zellüberwachungseinrichtung 51 als externe Spannungsanlegeeinrichtung verrwendet wird. Das bedeutet, es ist natürlich auch möglich, eine Spannung unter Verwendung einer anderen Vorrichtung oder Ausrüstung extern anzulegen.
  • Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verteilung von Wasser in der Elektrolytmembran selbst dann diagnostizierbar, wenn keine Leistung erzeugt wird, beispielsweise nach der Leistungserzeugung.
  • Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Im Gegenteil, es ist beab sichtigt, daß die Erfindung zahlreiche Modifikationen und äquivalente Ausführungsformen abdeckt. Darüber hinaus sind, während die unterschiedlichen Elemente der beispielhaften Ausführungsformen in unterschiedlichen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt wurden, die lediglich beispielhafter Natur sind, andere Kombinationen und Konfigurationen denkbar, einschließlich mehr, weniger oder lediglich einem einzelnen Element, und gelten als zum Umfang der Erfindung gehörig.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung zum Diagnostizieren einer Brennstoffzelle (1), bei der eine Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen (2) zusammengestapelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: eine Spannungsanlegeeinrichtung (51) zum Anlegen einer Spannung von außen an die Brennstoffzelle (1); eine Magnetfeldmeßeinrichtung (52) zum Messen eines Magnetfelds in oder um die Brennstoffzelle (1), wenn die externe Spannung angelegt wird; und eine Diagnostiziereinrichtung zum Diagnostizieren des Zustands der Brennstoffzelle (1) anhand des Meßergebnisses des Magnetfeldes.
  2. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsanlegeeinrichtung (51) ein Magnetfeld in oder um die Brennstoffzelle (1) durch Anlegen einer externen Spannung von einer Zellüberwachungseinrichtung (51) erzeugt, welche den Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle (1) durch Messen der Zellspannung der Leistungserzeugungszellen (2) mißt.
  3. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Diagnosevorrichtung eine Ebenenverteilung von Strom in den Leistungserzeugungszellen (2) diagnostiziert.
  4. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Diagnosevorrichtung eine Verteilung von Wasser in einer Elektrolytmembran (31) der Brennstoffzelle (1) basierend auf den Diagnoseergebnissen der Ebenenverteilung des Stroms in den Leistungserzeugungszellen (2) diagnostiziert.
  5. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungsanlegeeinrichtung (51) die externe Spannung an die Brennstoffzelle (1) anlegt, während Separatoren (20a, 20b) der Mehrzahl der Leistungserzeugungszellen (2) kurzgeschlossen sind.
  6. Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zustand der Brennstoffzelle (1) diagnostiziert wird, wenn keine Leistung in der Brennstoffzelle (1) erzeugt wird.
  7. Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle (1), bei der eine Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen zusammengestapelt ist, aufweisend: – Anlegen einer Spannung von außen an die Brennstoffzelle (1); – Messen eines Magnetfeldes in oder um die Brennstoffzelle (1), wenn die externe Spannung angelegt ist; und – Diagnostizieren des Zustands der Brennstoffzelle (1) anhand des Meßergebnisses des Magnetfeldes.
  8. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die externe Spannung an die Brennstoffzelle (1) von einer Zellüberwachungseinrichtung (51) angelegt wird, welche den Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle (1) durch Messen der Zellspannung der Leistungserzeugungszelle (2) mißt.
  9. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Ebenenverteilung des Stroms in den Leistungserzeugungszellen (2) diagnostiziert wird.
  10. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei eine Verteilung von Wasser in einer Elektrolytmembran der Brennstoffzelle (1) basierend auf dem Diagnoseergebnis der Ebenenverteilung des Stroms in den Leistungserzeugungszellen (2) diagnostiziert wird.
  11. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die externe Spannung an die Brennstoffzelle (1) angelegt wird, während Separatoren (20a, 20b) der Mehrzahl von Leistungserzeugungszellen (2) kurzgeschlossen sind.
  12. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Zustand der Brennstoffzelle (1) diagnostiziert wird, wenn keine Leistung in der Brennstoffzelle (1) erzeugt wird.
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