BR102015027428B1

BR102015027428B1 - Sistema de célula de combustível e método de controle do mesmo

Info

Publication number: BR102015027428B1
Application number: BR102015027428-9A
Authority: BR
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Tsuyoshi Maruo; Takashi Yamada
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2022-05-24
Also published as: CN105609841A; AU2015252035B2; US10424799B2; JP6156332B2; JP2016096059A; AU2015252035A1; BR102015027428A2; RU2625322C2; NO3021409T3; KR20160057982A; EP3021409B1; KR101821015B1; US20160141690A1; RU2015148175A; CA2909955A1; CA2909955C; EP3021409A1; CN105609841B; DK3021409T3

Abstract

SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO DE CONTROLE DO MESMO. Um objetivo é impedir a secagem de uma célula de combustível durante a operação contínua com carga alta. É fornecido um sistema de células de combustível incluindo uma célula de combustível. O sistema de células de combustível compreende um detector de impedância que é configurado para detectar uma impedância da célula de combustível; e um limitador de corrente que é configurado para limitar uma corrente de saída da célula de combustível com uma taxa de limitação. O limitador de corrente muda a taxa de limitação, baseado na impedância detectada.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica prioridade do pedido de paten te Japonesa P2014-231982 depositado em 14 de novembro de 2014, a totalidade da descrição da qual é incorporada por referência neste pedido.

ANTECEDENTES CAMPO

[002] A presente invenção se refere a um sistema de célula de combustível e um método de controle do sistema de célula de combustível.

TÉCNICA RELACIONADA

[003] Como descrito em WO2010/073383, um sistema de célula de combustível proposto estima uma distribuição de conteúdo de água em um plano de célula de uma célula de combustível e limita a corrente elétrica que é retirada da célula de combustível, baseada no resultado de estimativa.

SUMÁRIO

[004] Um aumento na temperatura de água de resfriamento, no entanto, é retardado com relação ao progresso real de secagem de células unitárias na célula de combustível durante a operação contínua com alta carga. A técnica anterior acima pode consequentemente aplicar limitação de corrente depois do progresso de secagem das células unitárias na célula de combustível. Isto pode levar à pobre capacidade de controle e resultar em aumentar a quantidade de geração de calor na célula de combustível. Isto causa um problema que a secagem das células unitárias na célula de combustível prossegue e torna difícil recuperar o estado de uma membrana de eletrólito para o estado úmido adequado.

[005] A fim de tratar pelo menos parte dos problemas acima, a invenção pode ser implementada por qualquer um dos aspectos seguintes.

[006] (1) De acordo com um aspecto da invenção é fornecido um sistema de célula de combustível incluindo uma célula de combustível. O sistema de célula de combustível pode compreender um detector de impedância que é configurado para detectar uma impedância da célula de combustível; e um limitador de corrente que é configurado para limitar uma corrente de saída doa célula de combustível com uma taxa de limitação. O limitador de corrente pode mudar a taxa de limitação, baseado na impedância detectada. Comparada com uma mudança de temperatura de água de resfriamento, uma mudança em impedância tem a maior resposta para a secagem da célula de combustível. O sistema de célula de combustível deste aspecto consequentemente permite que a limitação de corrente seja aplicada antes do progresso de secagem da célula de combustível, como resultado, isto suprime um aumento em geração de calor da célula de combustível mesmo durante a operação contínua com alta carga. Consequentemente, o sistema de célula de combustível deste aspecto impede a célula de combustí-vel de ser seca durante a operação contínua com alta carga.

[007] (2) No sistema de célula de combustível do aspecto acima, quando a impedância detectada é igual a um segundo valor de impe- dância, que é maior que um primeiro valor de impedância, o limitador de corrente pode ser ajustado em uma taxa de limitação menor que uma taxa de limitação na impedância igual ao primeiro valor de impe- dância sob condição de uma temperatura fixa. O sistema de célula de combustível deste aspecto ajusta a taxa de limitação inferior na impe- dância maior e desse modo aplica a limitação de corrente mais estrita. A impedância maior resulta no conteúdo de água menor da célula de combustível e é mais provável secar a célula de combustível, a limitação de corrente mais estria consequentemente é ajustada na impe- dância maior. Isto impede suficientemente a secagem da célula de combustível.

[008] (3) O sistema de célula de combustível do aspecto acima pode ainda compreender um detector de temperatura que é configurado para detectar a temperatura da célula de combustível. O limitador de corrente pode mudar adicionalmente a taxa de limitação, baseado na temperatura detectada. O sistema de célula de combustível deste aspecto controla a secagem da célula de combustível, baseado na temperatura da célula de combustível. Isto impede mais efetivamente a secagem da célula de combustível.

[009] (4) No sistema de célula de combustível do aspecto acima, quando a temperatura detectada é igual a uma segunda temperatura que é maior que uma primeira temperatura, o limitador de corrente pode ajustar uma taxa de limitação menor que uma taxa de limitação na temperatura igual à primeira temperatura sob condição de uma impe- dância fixa. O sistema de célula de combustível deste aspecto ajusta a taxa de limitação menor na temperatura maior da célula de combustível e desse modo aplica a limitação de corrente mais estrita. A temperatura maior da célula de combustível é provavelmente para secar a célula de combustível, a limitação de corrente mais estrita é consequentemente ajustada na temperatura maior da célula de combustível. Isto suprime mais efetivamente a secagem da célula de combustível

[0010] (5) De acordo com outro aspecto da invenção, em fornecido um método de controle de um sistema de célula de combustível incluindo uma célula de combustível. O método de controle do sistema de célula de combustível pode compreender detectar uma impedância da célula de combustível; limitar uma corrente de saída da célula de combustível com uma taxa de limitação; e mudar a taxa de limitação, ba seada na impedância detectada. O método de controle do sistema de célula de combustível deste aspecto impede a célula de combustível de ser seca durante a operação contínua com alta carga, como o sistema de célula de combustível do aspecto acima.

[0011] A invenção pode ser implementada por qualquer um dos vários aspectos diferentes do sistema de célula de combustível e o método de controle do sistema de célula de combustível descrito acima, por exemplo, um veículo equipado com o sistema de célula de combustível, um programa de computador que implementa as funções que correspondem com as etapas respectivas do método de controle do sistema de célula de combustível, e um meio de armazenamento não transitório em que o programa de computador é armazenado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A figura 1 é um diagrama ilustrando a configuração esque mática de um veículo de célula de combustível de acordo com uma modalidade da invenção;

[0013] a figura 2 é um diagrama de bloco ilustrando a configuração elétrica do veículo de célula de combustível;

[0014] a figura 3 é um fluxograma mostrado um processo de con trole de saída realizado por uma unidade de controle;

[0015] a figura 4 é um diagrama ilustrando um processo de obter um valor alvo de corrente elétrica;

[0016] a figura 5 é um diagrama ilustrando um exemplo de um mapa de limitação de corrente;

[0017] a figura 6 é um diagrama mostrando um gráfico usado para fazer o mapa de limitação de corrente;

[0018] a figura 7 é um diagrama mostrando um gráfico usado para fazer o mapa de limitação de corrente;

[0019] a figura 8 é um diagrama mostrando um gráfico usado para fazer o mapa de limitação de corrente;

[0020] a figura 9 é um diagrama mostrando um gráfico usado para fazer o mapa de limitação de corrente;

[0021] a figura 10 é um diagrama ilustrando uma mudança de um ponto de operação no mapa de limitação de corrente pelo processo de controle de saída;

[0022] a figura 11 é um diagrama ilustrando uma mudança do es tado de geração de energia de uma pilha de células de combustível pelo processo de controle de saída; e

[0023] a figura 12 é um diagrama ilustrando uma mudança do es tado de geração de energia de uma pilha de células de combustível como um exemplo de referência.

[0024] O seguinte descreve uma modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES A. Configuração Geral

[0025] A Figura 1 é um diagrama ilustrando a configuração es quemática de um veículo de célula de combustível 10 de acordo com uma modalidade da invenção, o veículo de célula de combustível 10 é um veículo de quatro rodas e é equipado com um sistema de célula de combustível 30. O sistema de célula de combustível 30 inclui uma pilha de células de combustível 40, um mecanismo de descarga de suprimento de gás hidrogênio 50, um mecanismo de descarga de suprimento de ar 60, um mecanismo de circulação de água de resfriamento 70 e uma unidade de controle 100.

[0026] A pilha de células de combustível 40 é uma unidade que ge ra eletricidade através da reação eletroquímica de hidrogênio e oxigênio e é configurada empilhando várias células unitárias 41. A célula unitária 41 é principalmente compreendida de um anodo, um catodo, um eletró- lito e separadores. A pilha de células de combustível 40 pode ser qualquer um de vários tipos de células de combustível, mas é uma célula de combustível de eletrólito polímero de acordo com esta modalidade.

[0027] O mecanismo de descarga de suprimento de gás hidrogê nio 50 é configurado para suprir e descarregar gás hidrogênio para e da pilha de combustível 40. O gás hidrogênio aqui significa gás rico em hidrogênio em não é limitado a hidrogênio puro. O mecanismo de descarga de suprimento de gás hidrogênio 50 inclui um tanque de hidrogênio 51, uma trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52, uma trajetória de circulação de gás hidrogênio 53 e uma trajetória de descarga de gás hidrogênio 54.

[0028] O tanque de hidrogênio 51 é configurado para armazenar gás hidrogênio de alta pressão. A trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52 é um conduto disposto para suprir o gás hidrogênio armazenado no tanque de hidrogênio 51 ara a pilha de células de combustível 40. A trajetória de circulação de gás hidrogênio 53 é um conduto disposto para circular o gás hidrogênio que não é consumido, mas é descarregado da pilha de células de combustível 40 para a trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52. A trajetória de descarga de gás hidrogênio 54 é um conduto disposto para conectar a trajetória de circulação de gás hidrogênio 53 com uma trajetória de descarga de ar 66 (descrita posteriormente) fornecida no mecanismo de descarga de suprimento de ar 60.

[0029] Um injetor 55, que serve como uma válvula de suprimento de gás hidrogênio, é fornecido na trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52 à montante de um ponto de conexão X da trajetória de circulação de gás hidrogênio 53 e da trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52. O mecanismo de descarga de suprimento de gás hidrogênio 50 também inclui um sensor de pressão 56. O sensor de pressão 56 é fornecido para detectar a pressão do gás hidrogênio na trajetória de suprimento de gás hidrogênio 52 à jusante do ponto de conexão X.

[0030] Uma bomba de circulação de hidrogênio 57 é fornecida na trajetória de suprimento de gás hidrogênio 53 à jusante de um ponto de conexão Y da trajetória de descarga de gás hidrogênio 54 e a trajetória de circulação de gás hidrogênio 53. A bomba de circulação de gás hidrogênio 57 serve para circular o gás hidrogênio na trajetória de circulação de gás hidrogênio 53. Uma válvula de purga 58 é fornecida no meio da trajetória de descarga de gás hidrogênio 54. A válvula de purga 58 é aberta no caso de um aumento na quantidade de impurezas na trajetória de circulação de gás hidrogênio 53 para descarregar as impurezas da trajetória de descarga de ar 66.

[0031] O mecanismo de descarga de suprimento de ar 60 é con figurado para suprir e descarregar o ar como gás oxidante para e da pilha de células de combustível 40 e inclui uma trajetória de suprimento de ar 61, uma trajetória de descarga de ar 66 e uma trajetória de derivação 69. A trajetória de suprimento de ar 61 e a trajetória de descarga de ar 66 são fornecidas como trajetórias de fluxo que conectam respectivamente a pilha de células de combustível 40 com uma abertura de ar da trajetória de suprimento de ar 61 e com uma abertura de ar da trajetória de descarga de ar 66. Um purificador de ar (não mostrado) é fornecido na abertura de ar da trajetória de suprimento de ar 61. A trajetória de desvio 69 é fornecida como uma trajetória de fluxo que conecta a trajetória de suprimento de ar 61 com a trajetória de descarga de ar 66.

[0032] O mecanismo de descarga de suprimento de ar 60 tam bém inclui um compressor de ar 62. O compressor de ar 672 é fornecido no meio da trajetória de suprimento de ar 61 para conduzir o ar através da abertura de ar da trajetória de suprimento de ar 61 e comprimir o ar de entrada. A localização onde o compressor de ar 62 é colocado é a posição mais próxima da abertura de ar que um ponto de conexão da trajetória de suprimento de ar 61 e da trajetória de derivação 69.

[0033] O mecanismo de descarga de suprimento de ar 60 ainda inclui uma válvula de interrupção de divisão de fluxo 63. A válvula de interrupção de divisão de fluxo 63 é fornecida no ponto de conexão da trajetória de suprimento de ar 61 e na trajetória de derivação 69 para dividir o fluxo do ar comprimido do compressor de ar 62 em um lado à jusante da trajetória de suprimento de ar 61 e a trajetória de derivação 69. Esta válvula é chamada de válvula de três vias. A “divisão de fluxo” aqui inclui não somente distribuir a taxa de fluxo em duas ramificações, mas distribuir a taxa de fluxo inteira (100%) para cada uma das duas ramificações.

[0034] O mecanismo de descarga de suprimento de ar 60 inclui adicionalmente um sensor de pressão 65 que serve como um detector de pressão, o sensor de pressão 65 detecta a pressão de ar na trajetória de suprimento de ar 61 entre o compressor de ar 62 e a válvula de interrupção de divisão de fluxo 63.

[0035] O mecanismo de descarga de suprimento de ar 60n tam bém inclui uma válvula de interrupção de regulagem de pressão 67. A válvula de interrupção de regulagem de pressão 67 é fornecida na trajetória de descarga de ar 66 para regular a área de seção de fluxo da trajetória de descarga de ar 66 de acordo com a posição da válvula. O ar que passa através da válvula de interrupção de regulagem de pressão 67 flui através do ponto de conexão da trajetória de derivação 69 e a trajetória de descarga de ar 66 e é descarregada através da abertura de ar para a atmosfera.

[0036] O mecanismo de circulação de água de resfriamento 70 é configurado para resfriar a pilha de células de combustível 40 e inclui um radiador 71, uma bomba de circulação de água de resfriamento 72, sensor de temperatura de água 73 e 74 e uma válvula de interrupção de divisão de fluxo 75. A válvula de interrupção de divisão de fluxo 75 é fornecida em um ponto de conexão da trajetória de circulação de água de resfriamento 76 e a trajetória de derivação 77. o mecanismo de circulação de água de resfriamento 70 é configurado para circular a água de resfriamento entre as células unitárias 41 e o radiador 71 e desse modo controlar a temperatura da operação das células unitárias 41 e contornar o radiador 71 e circular a água de resfriamento através da trajetória de derivação 77. Tal circulação da água de resfriamento consegue a absorção de calor nas células unitárias 41 e a liberação de calor no radiador 71. O sensor de temperatura de água 73 é fornecido no lado de saída da pilha de células de combustível 40 no mecanismo de circulação de água de resfriamento 70 para detectar a temperatura da água de resfriamento no lado de saída. O sensor de temperatura de água 73 detecta a temperatura da água de resfriamento no lado de saída de modo a detectar a temperatura da pilha de células de com-bustível 40. O sensor de temperatura da água 74 é fornecido no lado de saída do radiador 71 para detectar a temperatura de água de resfriamento apenas descarregada do radiador 71.

[0037] A operação do sistema de célula de combustível 30 é con trolada pela unidade de controle 100. A unidade de controle 100 é im-plementada por um microcomputador incluindo uma CPU, uma RAM e uma ROM. A unidade de controle 100 recebe vários fragmentos de informação incluindo um sinal de saída de um sensor de posição de acelerador 112 e computa uma solicitação de saída para a pilha de células de combustível 40 a partir dos vários fragmentos de informação recebidos. O sensor de posição de acelerador 112 é configurado para detectar uma quantidade de operação de um pedal de acelerador 110 operado pelo motorista (daqui em diante também referido como “posição de acelerador”). A unidade de controle 100 também recebe informação de status dos vários sensores tais como os sensores de pressão 56 e 65. A unidade de controle 100 controla as operações do injetor 55, as operações das válvulas respectivas 58, 63 e 67 e as ope- rações das bombas 57 e 72 e do compressor de ar 62, baseada na solicitação de saída computada e a informação de status de entrada, de modo a controlar a saída da pilha de células de combustível 40.

[0038] A Figura 2 é um diagrama de bloco ilustrando a configura ção elétrica do veículo de célula de combustível 10. O veículo de célula de combustível 10 ainda inclui uma bateria secundária 81, um conversor de CC/CC 82, um conversor de CC/CC para FC87, um inversor de CC/CA 83 e um motor de acionamento 85.

[0039] A pilha de células de combustível 40 é conectada com uma linha de energia CC ECL por meio do conversor de CC/CC para FC 87. A bateria secundária 81 é conectada com a linha de energia de CC por meio do conversor CC/CC 82. A linha de energia CC CCL é conectada com o inversor CC/CA 83. O inversor CC/CA 83 é também conectado ao motor de acionamento 85.

[0040] A bateria secundária 81 funciona como um suprimento de energia auxiliar de combustível 40 e pode ser implementada, por exemplo, por uma bateria híbrida de níquel carregável e descarregável ou bateria de íon de lítio. O conversor de CC/CC 82 serve como um controlador de carga e descarga para controlar a carga e descarga da bateria secundária 81 e ajusta o nível de voltagem da linha de energia CC CCL a um valor adequado para carregar ou descarregar, em resposta a uma instrução da unidade de controle 100. No caso onde a saída da pilha de célula de combustível 40 é insuficiente com relação à solicitação de saída determinada de acordo com a posição do acelerador, o conversor de CC/CC 82 faz a bateria secundária 81 ser descar-regada para compensar a insuficiência. O conversor CC/CC para FC 87 serve como um controlador de carga e descarga para controlar a carga e descarga da pilha de células de combustível 40.

[0041] O inversor de CC/CA 83 converte a energia de CC obtida da pilha de células de combustível 40 e da bateria secundária 81 em energia de CA. O motor de acionamento 5 pode ser implementado por um motor trifásico e produz força de acionamento rotacional de acordo com a energia CA do inversor de CC/CA 83. Quando um rotor do motor de acionamento 85 é rodado por uma força externa, o motor de acionamento 85 funciona como um gerador para gerar energia de CA (energia regenerativa). A energia regenerativa é convertida em energia CC pelo inversor de CC/CA 83 e é acumulada na bateria secundária 81 por meio do conversor CC/CC 82.

[0042] Um amperímetro 91, um voltímetro 92, e um medidor de impedância 93 são fornecidos na periferia da pilha de células de combustível 40 como um grupo de sensores para detectar o estado de geração de energia da pilha de células de combustível 40. O medidor de impedância 93 aplica uma voltagem de CA de alta frequência na pilha de células de combustível 40 para medir a impedância da pilha de células de combustível 40. Os resultados das medições do amperímetro 90, do voltímetro 92, e do medidor de impedância 93 são enviados para a unidade de controle 100.

[0043] A unidade de controle 100 computa um valor de medição de voltagem de saída (estado de geração de energia) da pilha de células de combustível 40 do valor de medição de entrada do voltímetro 92 (mostrado na figura 1). A unidade de controle 100 também controla um detector de SOC (não mostrado) para detectar o estado da carga (SOC) da bateria secundária 81. A unidade de controle 100 ajusta as voltagens de saída do conversor de CC/CC para FC 87 e do conversor de CC/CC 82, baseada nestes fragmentos de informação, e controla as energias de saída da pilha de células de combustível 40 e da bateria secundária 81. A unidade de controle 100 também controla o inver- sor de CC/CA 83 para regular a frequência da energia CA e faz o motor de acionamento 85 gerar um torque exigido.

B. Processo de Controle de Saída

[0044] A figura 3 é um fluxograma mostrando um processo de con trole de saída da pilha de células de combustível 40 realizado pela unidade de controle 100. O processo de controle de saída é realizado repetidamente depois de uma operação de ligar de uma chave de ignição para iniciar a pilha de células de combustível 40. No início do processo de controle de saída, a unidade de controle 100 recebe uma solicitação de saída que é a solicitação para a saída da pilha de células de combustível 40 que é determinada pela posição do acelerador e vários outros fragmentos de informação (etapa S100). A unidade de controle 100 determina subsequentemente uma energia elétrica que deve ser emitida da pilha de células de combustível 40, baseada na solicitação de saída recebida, e especifica um valor alvo de corrente elétrica da pilha de células de combustível 40 a fim de obter a energia elétrica determinada (etapa S200).

[0045] A Figura 4 é um diagrama ilustrando o processo de obter o valor alvo de corrente elétrica na etapa S200. A Figura 4 mostra uma curva de característica de corrente-energia (característica I-P) GI-P da pilha de células de combustível 40, com a energia elétrica como ordenada esquerda e a corrente elétrica como abscissa. A Figura 4 mostra um gráfico de característica de corrente-voltagem (característica I-V) GI-V que é referida na etapa S400 descrita posteriormente, com a voltagem como ordenada direita e a corrente elétrica como abscissa.

[0046] Em geral o gráfico de característica I-P da célula de com bustível é mostrado como uma curva descendente côncava. O gráfico de característica I-V da célula de combustível é mostrado como uma curva em formato de S (deitado) lateral que a voltagem diminui gradualmente com um aumento em corrente elétrica. A unidade de controle 100 armazena antecipadamente a informação com relação à característica I-P e a característica de I-V da pilha de células de combustível 40, como informação para controle da pilha de células de combustível 40. A unidade de controle 100 obtém um valor de comando de corrente elétrica da pilha de células de combustível 40, baseada na informação para controle, como descrito em detalha abaixo.

[0047] A unidade de controle 100 determina uma energia elétrica que deve ser emitida da pilha de células de combustível 40 (energia alvo PT), baseada na solicitação de saída recebida na etapa S100. A unidade de controle 100 então se refere à característica de I-P da pilha de célula de combustível 40 para especificar um valor alvo de corrente elétrica que deve ser emitida da pilha de células de combustível 40 (corrente alvo It) a fim de satisfazer a energia alvo PT.

[0048] A característica de I-P e a característica de I-V da pilha de células de combustível 40 são variadas de acordo com a condição de operação da pilha de células de combustível 40, tal como a temperatura de operação. Consequentemente, é preferível que a unidade de controle 100 armazene antecipadamente a informação para controle com relação a cada condição de operação e selecione adequadamente a informação para controle de acordo com a condição de operação de corrente da pilha de célula de combustível 40.

[0049] Referindo-se novamente à figura 3, na etapa S300 subse quente à etapa S200, a unidade de controle 100 realiza um processo de limitação de corrente para ajustar um limite superior da corrente alvo It especificado na etapa S200. O seguinte descreve os detalhes do processo de limitação de corrente na etapa S300.

[0050] A unidade de controle 100 em primeiro lugar recebe uma impedância Z do medidor de impedância 93 (etapa S310), e recebe uma temperatura T da pilha de células de combustível 40 do sensor de temperatura de água 73 (etapa S320). Os processos de etapas S310 e S320 podem ser realizados em paralelo, ou o processo da etapa S320 pode ser realizado antes do processo da etapa S310. A unidade de controle 100 então se refere a um mapa de limitação de corrente ante- cipadamente na ROM para computar a taxa de limitação de corrente R de acordo com a impedância Z e a temperatura T (etapa S330).

[0051] A figura 5 é um diagrama ilustrando um exemplo de mapa de limitação de corrente MP. Como ilustrado, o mapa de limitação de corrente MP é um dado de mapa tridimensional que tem temperatura T da célula de combustível como abscissa e taxa de limitação de corrente R como ordenada e mapear variações em taxa de limitação de corrente R contra a temperatura T da célula de combustível com relação a cada impedância Z. A taxa de limitação de corrente R é um parâmetro usado para especificar o limite superior da corrente alvo It. O limite superior da corrente alvo It diminui em taxa de limitação de corrente R. Isto indica a limitação de corrente mais estrita. O dado de mapa inclui quatro gráficos G1 a G4: o gráfico G1 com a impedância Z=Za, O gráfico G2 com a impedância Z=Zb, o gráfico G3 com a impedância Z=Zc e o gráfico G4 com a impedância Z=Zd. Za é, por exemplo, 100 mQ. Za, Zb, Zc, e Zd aumentam nesta sequência; isto é, Zd>Zc>Zb>Za.

[0052] Nos gráficos respectivos G1 a G4, a taxa de limitação de corrente R é igual a 100% na temperatura T da pilha de células de combustível 40 que é igual a ou menor que, por exemplo, Ta. A taxa de limitação de corrente R diminui gradualmente com um aumento em temperatura T que excede, por exemplo, Ta. Entre os gráficos G1 a G4, o gráfico G4 tendo a maior impedância Z tem a maior taxa de diminuição. A taxa de diminuição é gradualmente abaixada com a diminuição em impedância Z (do gráfico G3, G2 para G1). Consequentemente, no estado que a temperatura T da pilha de célula de combustível 40 excede Ta, a taxa de limitação de corrente R em uma temperatura fixa diminui na sequência de G1, G2, G3 e G4. De acordo com esta modalidade, o gráfico G4 é uma curva que torna a operação contínua da pilha de células de combustível 40 com alta carga improvável de fazer a secagem das células unitárias 41 na pilha de célula de combustível 40 prosseguir**. O número de gráficos incluídos no mapa de limitação de corrente MP é quatro nesta modalidade, mas pode ser qualquer número plural, por exemplo, 2, 3, 5, 6, ...10.

[0053] As figuras 6 a 9 são diagramas mostrando gráficos usados para fazer o mapa de limitação de corrente MP. A figura 6 é um gráfico obtido por experimento ou por simulação para mostrar um aumento em impedância, que é usado como a indicação de secagem das células unitárias 41, aumentando gradualmente a temperatura T da pilha de células de combustível 40 durante a operação da pilha de células de combustível 40 em um estado estacionário em uma corrente de saída de 100 [A]. A figura 7 é um gráfico obtido em uma maneira similar à figura 6 durante a operação da pilha de célula de combustível 40 em um estado estacionário em uma corrente de saída de 190 [A]. A figura 8 é um gráfico obtido em uma maneira similar à figura 6 durante a operação da pilha de células de combustível 40 em um estado estacionário em uma corrente de saída de 320 [A]. A figura 9 é um obtido em uma maneira similar à figura 6 durante a operação da pilha de células de combustível 40 em um estado estacionário em uma corrente de saída de 475 [A].

[0054] Os gráficos das figuras 6 a 9 indicam pontos de inflexão em que a impedância Z muda drasticamente com a temperatura T. O gráfico da figura 6 mostra que a impedância Z aumenta drasticamente (isto significa que a célula de combustível se torna seca) na área da temperatura T sobre Td na corrente de saída de 100 [A]. O gráfico da figura 7 mostra que a impedância Z aumenta drasticamente na área da temperatura T sobre Tc que é menor que Td na corrente de saída de 190 [A]. O gráfico da figura 8 mostra que a impedância Z aumenta drasticamente na área da temperatura T sobre Tb que é menor que Tc na corrente de saída de 320 [A]. O gráfico da figura 9 mostra que a impedância Z aumenta drasticamente na área da temperatura T sobre Ta que é menor que Tb na corrente de saída de 475 [A]. O gráfico G4 do mapa de limitação de corrente MP (mostrado na Figura 5) é feito usando estes pontos de inflexão Ta a Td obtidos dos gráficos das figuras 6 a 9. Os pontos de inflexão Ta a Td aumentam nesta sequência; isto é, Td> Tc> Tb> Ta.

[0055] O gráfico G4 da Figura 5 com relação à impedância Z = Zd é usada como a base. Os gráficos G3 a G1 da Figura 5 são então feitos de modo que: quando a impedância Z = Zc, a taxa de limitação de corrente R na temperatura T se torna 10% maior que a base com relação à impedância Z =Zc; quando a impedância Z = Zb, a taxa de limitação de corrente R na temperatura T se torna 20% maior que a base com relação à impedância Z = Zb; e quando a impedância Z = Za, a taxa de limitação de corrente R na temperatura T se torna 30% maior que a base com relação à impedância Z = Za. As taxas de aumento de 10%, 20% e 30% com relação aos valores respectivos Zc, Zb, e Za da impedância Z são determinadas por experimento ou por simulação.

[0056] Referindo-se de volta à figura 3, na etapa S330, a unidade de controle 100 lê o mapa de limitação de corrente MP da figura 5 descrito acima a partir da ROM e se refere a este mapa MP para determinar a taxa de limitação de corrente R que corresponde com a entrada de impedância Z na etapa S310 e a entrada de temperatura T na etapa S320. Quando a impedância Z é igual a ou menor que o valor Za, a unidade de controle 100 se refere ao gráfico G1 para determinar a taxa de limitação de corrente R. Quando a impedância Z é igual a ou maior que o valor Zd, a unidade de controle 100 se refere ao gráfico G4 para determinar a taxa de limitação de corrente R. Quando a impe- dância Z está entre Zd e Za e é um valor diferente das impedâncias dos gráficos G1 a G4, a unidade de controle 100 calcula um ponto dividindo internamente entre os gráficos adjacentes relevantes e compa-ra a impedância Z com o ponto dividindo internamente calculado para determinar a taxa de limitação de corrente R.

[0057] Depois da conclusão da etapa S330 na figura 3, a unidade de controle 100 multiplica a corrente alvo It especificada na etapa S200 pela taxa de limitação de corrente R determinada na etapa S330 para calcular uma nova corrente alvo It* (etapa S340). Depois da conclusão da etapa S340, a unidade de controle 100 termina o processo de limitação de corrente da etapa S300 e prossegue para a etapa S400.

[0058] Na etapa S400, a unidade de controle 100 se refere à ca racterística I-V da pilha de células de combustível 40 mostrada na figura 4 para especificar um valor alvo de voltagem (voltagem alvo VT) da pilha de células de combustível 40 que é exigida para emitir a nova corrente alvo It* calculada na etapa S340. Mais especificamente, como mostrado na figura 4, como o resultado do processo de limitação de corrente da etapa S300, a corrente alvo comuta da corrente alvo It que corresponde com a energia alvo Pt para satisfazer a solicitação de saída para a nova corrente alvo It* determinada pela multiplicação da limitação de corrente. Na etapa S400, a unidade de controle 100 lê uma voltagem alvo VT que corresponde à nova corrente alvo It* do gráfico GI-V de característica de corrente-voltagem (característica I-V).

[0059] Depois da conclusão da etapa S400 na figura 3, a unidade de controle 100 realiza o controle de saída que fornece uma instrução para o conversor CC/CC para FC87 para controlar a pilha de células de combustível 40 para emitir a voltagem alvo VT e desse modo emitir a nova corrente alvo It* calculada na etapa S340 (etapa S500). A unidade de controle 100 consequentemente serve como o limitador de corrente. A unidade de controle 100 repete o processamento de etapas S100 a S500 até que a operação do veículo de célula de combustível 10 é interrompida (etapa S600). Quando a operação do veículo de célula de combustível 10 é interrompida (etapa S600: SIM), a unidade de controle 100 termina o processo de controle de saída.

[0060] A figura 10 é um diagrama ilustrando um comutador de um ponto de operação no mapa de limitação de corrente MP pelo processo de controle de saída descrito acima. No espaço inicial que a pilha de células de combustível 40 está em um estado úmido adequado e tem a impedância Z igual a ou menor que Za (por exemplo, 100 mQ), o gráfico G1 é empregado para o controle mesmo no caso de um aumento em temperatura T que indica a temperatura de água de resfriamento da pilha de células de combustível 40. Isto prove a alta taxa de limitação de corrente R e a limitação de corrente leve.

[0061] Operação contínua da pilha de células de combustível 40 com alta carga mantém a pilha de células de combustível 40 em alta temperatura e começa a secar as células unitárias 41 para aumentar a impedância Z. Quando a impedância Z excede 100 mQ, a taxa de limitação de corrente R é controlada para um valor limite em um ponto dividindo internamente entre os gráficos G1 e G2. Por exemplo, no caso onde a impedância Z aumenta de 100 mQ para 105 mQ na temperatura T mantida imutável, o ponto de operação é mudado de um ponto de operação P1 no gráfico G1 para um ponto de operação P2, de modo a diminuir a taxa de limitação de corrente R de Ra para Rb (<Ra), como mostrado na figura 10. Isto indica a limitação de corrente mais estrita.

[0062] A taxa de limitação de corrente R então diminui com um aumento em impedância Z. Quando a impedância Z se torna igual a ou maior que Zd, o ponto de operação é desviado para um ponto de operação P3 no gráfico G4. Consequentemente a secagem das células unitárias 41 não prossegue mesmo no caso de operação contínua. Na descrição acima, assume-se que a temperatura T da célula de combustível diminui com um aumento em impedância Z.

C. Efeitos Vantajosos da Modalidade

[0063] O sistema de células de combustível 30 tendo a configura ção acima muda a taxa de limitação de corrente R de acordo com a im- pedância Z. Isto permite a limitação de corrente antes do progresso de secagem das células unitárias 41 da pilha de células de combustível 40. Como um resultado, mesmo no caso de operação contínua da pilha de células de combustível 40 com alta carga, esta configuração impede um aumento em geração de calor da célula de combustível. Consequentemente, o sistema de célula de combustível 30 impede a secagem da célula de combustível durante a operação contínua com alta carga.

[0064] A figura 11 é um diagrama ilustrando uma mudança do es tado de geração de energia da pilha de célula de combustível 40 pelo processo de controle de saída. A figura 11 mostra as curvas de característica de corrente-voltagem (daqui em diante referida como “característica IV”) da pilha de célula de combustível 40. Assume-se que a pilha de célula de combustível 40 é operada em um ponto de operação Q1 sob as condições da temperatura T da pilha de célula de combustível 40 igual a 80°C e a impedância Z igual a Za (por exemplo, 100 mQ). Quando a temperatura T aumenta a partir desta condição de operação, o processo de controle de saída da figura 3 é realizado para limitar a corrente elétrica. A limitação de corrente deste momento fornece somente uma ligeira diminuição de corrente elétrica. A operação contínua da pilha de células de combustível 40 sob a limitação de corrente faz a secagem das células unitárias 41 prosseguir e aumenta a inclinação da curva de característica de IV. Como um resultado, a curva de característica de IV é mudada de uma curva de base C1 para uma curva C2, de modo que o ponto de operação é deslocado para um ponto de operação Q2 na curva C2. A inclinação da curva de característica de IV corresponde com a impedância Z. Mudar o ponto de operação para Q2 aumenta a impedância Z. O processo de controle de saída é realizado usando o mapa de limitação de corrente MP da figura 5 para aplicar ainda a limitação de corrente e mudar o ponto de operação para um ponto de operação Q3 na curva C2.

[0065] Mudar o ponto de operação para Q3 baseado na impedân- cia Z é atribuído para aplicar a limitação de corrente na suposição anterior de secagem das células unitárias 41, comparada com a técnica anterior. Isto reduz um aumento em quantidade de geração de calor e consequentemente causa uma subida menor em temperatura T, comparada com a técnica anterior. A curva de característica de IV é então mudada da curva C2 para a curva C3, de modo que o ponto de operação é deslocado para um ponto de operação Q4 na curva de característica de IV C3. Mudar o ponto de operação Q4 aumenta a impedân- cia Z. A curva de característica de IV é então mudada da curva C3 para a curva C4. A curva C4 tem um pequena diferença da curva C3. Isto resulta em convergência da mudança em característica de iV e estabiliza substancialmente a característica de IV para impedir uma subida em temperatura T. Como entendido a partir do gráfico da figura 11, isto impede um aumento em geração de calor na célula de combustível mesmo durante a operação contínua da pilha de célula de combustível 40n com alta carga.

[0066] A figura 12 é um diagrama ilustrando uma mudança do es tado de geração de energia de uma pilha de célula de combustível como um exemplo de referência. O exemplo de referência aplica limitação de corrente baseado somente na temperatura de água de resfriamento de uma célula de combustível. Assume-se que a pilha de células de combustível é operada em um ponto de operação S1 sob a condição da temperatura da pilha de células de combustível (temperatura de água de resfriamento) igual a 80°C. Quando a temperatura aumenta de sua condição de operação, a corrente elétrica é limitada. A operação contínua de pilha de células de combustível sob a limita-ção de corrente faz a secagem das células unitárias prosseguir e aumenta a inclinação da curva de característica de IV. Como resultado, a curva de característica de IV é significantemente mudada de uma cur- va de base C11 para uma curva C12, de modo que o ponto de operação é mudado em um ponto de operação S2 na curva C12. O produto de uma mudança de voltagem pela mudança do ponto de operação de S1 a S2 e uma corrente correspondente (área de um retângulo de S1, S1, S2 e Sb) corresponde com um aumento em quantidade de geração de energia na célula de combustível. A temperatura da pilha de células de combustível aumenta com um aumento em quantidade de geração de energia. Isto resulta em aplicar limitação de corrente mais estrita adicional e muda o ponto de operação para um ponto de operação S3 na curva C12. Um aumento em temperatura de água de resfriamento é retardado com relação à secagem real das células unitárias. O exemplo de referência consequentemente faz uma temperatura maior subir, comparado com a modalidade acima.

[0067] A operação contínua da pilha de células de combustível sob a limitação de corrente faz a secagem das células unitárias prosseguir adicionalmente e aumenta a inclinação da curva de característica de IV. Como resultado, a curva de característica de IV é mudada signifi- cantemente da curva C12 para uma curva C13, de modo que o ponto de operação é mudado para um ponto de operação S4 na curva C13. Isto repete o ciclo de aumentar a quantidade de geração de energia na pilha de células de combustível, aumentar a temperatura da água de resfriamento, e aplicar a limitação de corrente mais estrita adicional (ponto de operação S5). Isto resulta em divergência da mudança do estado. No exemplo de referência, a operação contínua da pilha de célula de combustível com alta carga é provável secar as células unitárias da pilha de célula de combustível. Isto torna difícil recuperar o estado da membrana de eletrólito para o estado úmido adequado.

D. Modificações *Modificação 1

[0068] A modalidade acima utiliza o sensor de temperatura de água 73 fornecido no lado de saída da pilha de células de combustível 40 como o detector de temperatura configurado para detectar a temperatura da célula de combustível. O sensor de temperatura da água 73, no entanto, não é essencial, mas pode ser substituído por um sensor de temperatura de água fornecido no lado de entrada da pilha de células de combustível 40 ou um sensor de temperatura que é configurado para detectar diretamente a temperatura interna da pilha de células de combustível 40.

[0069] Na modalidade acima, a taxa de limitação de corrente R é ajustada em 100% na temperatura T da pilha de células de combustível que é igual a ou menor que Ta. Quando a impedância é igual a um segundo valor de impedância que é maior que um primeiro valor de impedância em uma faixa da temperatura T da pilha de células de combustível maior que Ta, a taxa de limitação de corrente é controlada para um valor menor que a taxa de limitação de corrente na impedân- cia igual ao primeiro valor de impedância sob a condição de uma temperatura fixa.

[0070] De acordo com uma modificação, a taxa de limitação de corrente menor que 100% pode ser ajustada, independente da temperatura da pilha de células de combustível. Nesta modificação, quando a impedância é igual a um segundo valor de impedância que é maior que um primeiro valor de impedância, a taxa de limitação de corrente pode ser controlada independente da temperatura da pilha de células de combustível, para um valor menor que a taxa de limitação de corrente na impedância igual ao primeiro valor de impedância sob a condição de uma temperatura fixa.

[0071] Na modalidade acima, quando a temperatura da célula de combustível é igual a uma segunda temperatura que é maior que uma primeira temperatura, a taxa de limitação de corrente é controlada para um valor menor que a taxa de limitação de corrente na temperatura da célula de combustível igual à primeira temperatura sob a condição de uma impedância fixa. De acordo com uma modificação, quando a temperatura da célula de combustível é igual a uma segunda temperatura que é maior que uma primeira temperatura, a taxa de limitação de corrente pode ser controlada para um valor idêntico com ou um valor maior que a taxa de limitação de corrente na temperatura da célula de combustível igual à primeira temperatura sob a condição de uma im- pedância fixa.

[0072] A taxa de limitação de corrente pode ser determinada inde pendente da temperatura da pilha de células de combustível.

*Modificação 2

[0073] A modalidade acima usa o medidor de impedância 93 como o detector de impedância. De acordo com uma modificação, a impe- dância pode ser determinada baseada nos resultados de medição do amperímetro 91 e do voltímetro 92.

*Modificação 3

[0074] Na modalidade acima, o sistema de células de combustível é montado no veículo. O sistema de células de combustível da modalidade acima pode, no entanto, ser montado em um corpo móvel diferente do veículo ou pode ser estacionário para ser instalado em um edifício, instalação ou similar.

[0075] Parte das funções configuradas pelo software na modalida de acima pode ser implementada por configuração de hardware (por exemplo, circuito integrado), e parte das funções configuradas pelo hardware na modalidade acima pode ser implementada por configuração de software.

[0076] A invenção não é limitada a qualquer modalidade e suas modificações descritas acima, mas podem ser implementadas por uma diversidade de configurações sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, os recursos técnicos de qualquer modalidade e suas modificações que correspondem com os recursos técnicos dos aspectos rescritos no SUMÁRIO podem ser substituídos ou combinados apropriadamente, a fim de solucionar parte ou todos os problemas descritos acima ou a fim de atingir parte ou todos os aspectos vantajosos descritos acima. Componentes diferentes daqueles descritos nas reivindicações independentes dentro os componentes de qualquer modalidade e suas modificações são componentes adicionais e podem ser omitidos apropriadamente.

Claims

1. Sistema de célula de combustível incluindo uma célula de combustível (40), o sistema de célula de combustível caracterizado pelo fato de que compreende: um detector de impedância (93) que é configurado para de-tectar uma impedância da célula de combustível (40); um limitador de corrente (100) que é configurado para limitar uma corrente de saída da célula de combustível (40) com uma taxa de limitação; e um detector de temperatura que é configurado para detectar uma temperatura da célula de combustível (40), em que o limitador de corrente (100) muda a taxa de limitação, baseado na impedância detectada e na temperatura detectada, em que o limitador de corrente (100), no caso em que a temperatura detectada seja igual ou menor que um valor limite predeterminado, defina a taxa limitação como um valor constante, independentemente do tamanho da impe- dância detectada, e no caso em que a temperatura detectada exceda o valor limite, quando o impedância é igual a um segundo valor de impedância maior que um primeiro valor de impedância, o limitador de corrente (100) define uma taxa limitação mais baixa que uma taxa limitação no momento em que a impedância é igual ao primeiro valor de impedância sob condição de uma temperatura fixa, em que quando a temperatura detectada excede o valor limite e a temperatura detectada é igual a uma segunda temperatura que é maior que uma primeira temperatura, o limitador de corrente (100) ajusta uma taxa de limitação menor que uma taxa de limitação na temperatura igual à primeira temperatura sob condição de uma impedância fixa.

2. Método de controle de um sistema de célula de combus-tível incluindo uma célula de combustível (40) como definido na rei-vindicação 1, o método de controle caracterizado pelo fato de que compreende: detectar uma impedância da célula de combustível (40); limitar uma corrente de saída da célula de combustível (40) com uma taxa de limitação; mudar a taxa de limitação, com base na temperatura da célula de combustível (40); e mudar a taxa de limitação, baseada na impedância detectada e na temperatura detectada, em que a mudança da de limitação, no caso de a temperatura detectada ser igual ou inferior a um valor limite predeterminado, define a taxa de limitação para um valor constante, independentemente do tamanho da impedância detectada, e no caso de a temperatura detectada exceder o valor limite, quando a impedância é igual a um segundo valor de impedância maior que um primeiro valor de impedância, a mudança da taxa limite define uma taxa de limitação inferior a uma taxa limitação no momento em que a impedância é igual ao primeiro valor da impedância na condição de um temperatura fixa, em que quando a temperatura detectada excede o valor limite e a temperatura detectada é igual a uma segunda temperatura que é maior que uma primeira temperatura, a mudança da taxa de limitação ajusta uma taxa de limitação menor que uma taxa de limitação na temperatura igual à primeira temperatura sob condição de uma im- pedância fixa.