DE102007000546B4

DE102007000546B4 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102007000546B4
Application number: DE102007000546.8A
Authority: DE
Inventors: Kiyomi Yamashita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: JP2008108484A; GB2443289B; GB2443289A; JP5194425B2; GB0719131D0; US20080096068A1; DE102007000546A1; US8343673B2

Abstract

Brennstoffzellensystem zur Verwendung mit einer außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehenen Systemenergiequelle (12) zur Zufuhr elektrischer Leistung zu internen Lasten (14, 17) und externen Lasten (19), die jeweils innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle (11) zur Erzeugung elektrischer Leistung durch die Reaktion von Brennstoffgas mit Oxidationsgas zur Zufuhr der erzeugten elektrischen Leistung zu den internen Lasten (14, 17) und den externen Lasten (19), ein Umrichtersystem (15), das eine erste Funktion zur Umwandlung einer Gleichspannung, die aus der Brennstoffzelle (12) abgegeben wird, in eine vorbestimmte Wechselspannung zur Ausgabe der Wechselspannung an Leistungsleitungen (13), die mit der Systemenergiequelle (12) verbunden sind, eine zweite Funktion zur Umwandlung einer Wechselspannung aus den Leistungsleitungen (13) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) und eine dritte Funktion zur Umwandlung der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle (11) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) aufweist, einen Unterbrecherschalter (15g) zum Abtrennen des Umrichtersystems (15) von der Systemenergiequelle (12) wenn diese in einen Energieausfall fällt, eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung (20) zur Zufuhr eines Brennstoffgases in einer geregelten Menge zu der Brennstoffzelle (11), zumindest einen Widerstand (41), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem Umrichtersystem (15) parallel zu dem Umrichtersystem (15) als eine der internen Lasten (14, 17) vorgesehen ist und nur, wenn die Systemenergiequelle (12) in einen Energieausfall fällt, in Verbindung mit der Brennstoffzelle (11) gebracht wird, zumindest einen Widerstandsschalter (42), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem zumindest einen Widerstand (41) angeordnet ist, und eine Steuerungseinrichtung (17) zum Öffnen des Unterbrecherschalters (15g), um das Umrichtersystem (15) von der Systemenergiequelle (12) zu trennen, und zum Schließen des zumindest einen Widerstandsschalters (42), wenn während der Leistungsverwendung durch die externe Last (19) die Systemenergiequelle (12) in den Energieausfall fällt, ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere die Steuerung eines Brennstoffzellensystems in dem Fall eines Energieausfalls.
Als eine Form von Brennstoffzellensystem ist eine bekannt, die in dem japanischen gepruften Patent JP H08-21408 B2 beschrieben ist. Wie es in 1 dieses japanischen Patents gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem mit zwei Widerstanden 10 und 15, die niedrige und hohe Widerstandswerte aufweisen und mit Gleichstrom-Ausgangsanschlussen einer Brennstoffzelle 1 in paralleler Weise verbunden sind, um eine Restspannung beim Betriebsstopp der Brennstoffzelle zu entladen, einem normalerweise geschlossenen Schalter 14, der mit dem Widerstand 15 mit dem hohen Widerstandswert verbunden ist, um den Widerstand 15 wirksam oder unwirksam zu machen, und einem normalerweise geoffneten Schalter 9 versehen, der mit dem Widerstand mit dem niedrigen Widerstandswert verbunden ist, um den Widerstand 10 wirksam oder unwirksam zu machen.
Bei dem System werden in dem Fall eines Energieausfalls der Steuerungsenergieversorgung sowohl der hohe Widerstand 15 als auch der niedrige Widerstand 10 durch die Betätigungen der Schalter 14 und 9 unmittelbar nach dem Energieausfall wirksam gemacht, um die Restspannung schnell auf ein elektrisches Potenzial zum Schutz der Energieversorgung zu verringern. Dann wird der niedrige Widerstand 10 unwirksam gemacht, um die Restspannung langsam zu verringern.
In dem in dem vorstehend erwähnten japanischen Patent beschriebenen Brennstoffzellensystem besteht ein Risiko dahingehend, dass die Restspannung nicht in geeigneter Weise verringert werden kann, da in dem Falle eines Energieausfalls die Restspannung ungeachtet der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 (oder der Betriebsspannung fur die Lasten in dem Energiesystem) verringert wird (d. h. die elektrische Leistung verbraucht wird). Weiterhin tritt ein Problem dahingehend auf, dass der Verbrauch elektrischer Leistung durch die Widerstände 10 und 15 für eine langere Zeit bewirkt, dass die Widerstände 10 und 15 hohe Temperaturen annehmen.
Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Hauptaufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das in der Lage ist, die elektrische Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle in dem Fall eines Energieausfalls einer Systemenergiequelle zu verbrauchen, ohne dass bewirkt wird, dass interne Lasten hohe Temperaturen annehmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, wie es in Patentanspruch 1 angegeben ist.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Reaktion von Brennstoffgas mit Oxidationsgas, um die erzeugte elektrische Leistung internen Lasten und externen Lasten zuzuführen, die jeweils innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, eine Systemenergiequelle zur Zufuhr elektrischer Leistung zu den internen Lasten und den externen Lasten, und ein Umrichtersystem aufweist. Das Umrichtersystem weist eine erste Funktion zur Umwandlung einer aus der Brennstoffzelle ausgegebenen Gleichspannung in eine vorbestimmte Wechselspannung zur Ausgabe der Wechselspannung an Leistungsleitungen, die mit der Systemenergiequelle verbunden sind, eine zweite Funktion zur Umwandlung von Wechselspannung aus den Leistungsleitungen in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung zu den internen Lasten und eine dritte Funktion zur Umwandlung der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung zu den internen Lasten auf. Das Brennstoffzellensystem weist weiterhin eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoffgas in einer geregelten Menge und eine Steuerungseinrichtung auf, um einen Steuerungsbetrieb derart durchzufuhren, dass, wenn die Systemenergiequelle wahrend des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten in einen Energieausfall fallt, zumindest der Leistungsverbrauch durch die internen Lasten und die Zufuhrmenge der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten verandert wird.
Mit diesem Aufbau wird, wenn die Systemenergiequelle während des Leistungsverbrauch durch die externen Lasten in einen Energieausfall fällt, der Leistungsverbrauch durch die internen Lasten und/oder die Zufuhrmenge der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung derart gesteuert, dass sie in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder des Leistungsverbrauch durch die externen Lasten geändert wird bzw. werden. Somit kann erreicht werden, dass die Ausgangsenergie der Brennstoffzelle in geeigneter Weise in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder von dem Leistungsverbrauch durch die externen Vorrichtungen bzw. externen Lasten verbraucht wird. Da weiterhin die Ausgangsenergie der Brennstoffzelle durch Veränderung der von den externen Lasten verbrauchten elektrischen Leistung und der Zufuhrmenge aus der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung geandert wird, wird es möglich, einen Temperaturanstieg der internen Lasten zu unterdrücken, und somit eine Verschlechterung der peripheren Vorrichtungen zu unterdrucken.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die vorstehende Aufgabe und weitere Aufgaben und viele der erzielten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den unterschiedlichen Darstellungen angeben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemaß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch eine in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung ausgeführt wird,
2A ein Teil-Flussdiagramm, das Einzelheiten eines Schritts gemaß 2 gemaß dem Ausfuhrungsbeispiel zeigt,
2B ein weiteres Teil-Flussdiagramm, das Einzelheiten des Schritts gemaß 2 darstellt, der in einer modifizierten Form des Ausfuhrungsbeispiels verwendet wird, und
3 ein Blockschaltbild, das in einer vergrößerten Darstellung den Aufbau eines Teils eines Brennstoffzellensystems gemaß der modifizierten Form des Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
Nachstehend ist ein Brennstoffzellensystem gemaß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 11, eine Systemenergiequelle 12, Leistungsleitungen 13, eine Hilfsvorrichtung 14, ein Umrichtersystem 15, eine Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17, einen Reformer 21, einen Heißwasseraufbewahrungstank 31 und einen Widerstand 41 auf.
Der Brennstoffzelle 11 wird Brennstoffgas (Wasserstoffgas) und ein Oxidationsmittel (Sauerstoff enthaltende Luft) zugefuhrt, wobei die Brennstoffzelle elektrische Leistung durch die Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs erzeugt, um eine Gleichspannung (beispielsweise 40 Volt) auszugeben. Die Brennstoffzelle 11 weist eine maximale Ausgangsleistung von 1000 Watt und eine minimale Ausgangsleistung von 300 Watt auf.
Der Reformer 21 dampfreformiert (reformiert durch Dampf- bzw. Steaming-Reforming) den Brennstoff (Reformierungs- bzw. Reformerbrennstoff), um der Brennstoffzelle 11 wasserstoffreiches Reformergas zuzuführen und weist einen Brenner (Brennabschnitt), einen Reformerabschnitt, einen Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsabschnitt (der nachstehend als ”CO-Shift-Abschnitt” bezeichnet ist) und einen Kohlenmonoxid-Selektiv-Oxidationsabschnitt (der nachstehend als ”CO-Selektiv-Oxidationsabschnitt” bzw. Abschnitt zur selektiven CO-Oxidation bezeichnet ist) auf, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, da sie im Stand der Technik bekannt sind. Als Brennstoff kann naturliches Gas, LPG, Kerosin, Benzin, Methanol oder dergleichen angewandt werden.
Zu dem Zeitpunkt des Betriebsstarts wird dem Brenner Verbrennungsgas und Verbrennungsluft von außerhalb zugefuhrt und wird Anodenabgas (d. h. Reformergas, das der Brennstoffzelle 11 zugefuhrt wird, jedoch ausgestoßen wird, ohne dass es verbraucht wird) von einem Brennstoffpol (fuel pole) der Brennstoffzelle 11 während des normalen Betriebs zugefuhrt, wobei der Brenner 21 jeweils das zugefuhrte verbrennbare Gas verbrennt und das verbrannte Gas zu dem Reformerabschnitt leitet.
Der Reformerabschnitt reformiert ein Gasgemisch, das durch Mischen des Dampfes (Reformerwassers) als einem Verdampfer mit dem von außerhalb zugefuhrten Brennstoff erstellt wird, durch einen in den Reformerabschnitt eingefullten Katalysator und erzeugt Wasserstoffgas und Kohlenmonoxidgas (eine sogenannte Dampfreformreaktion). Gleichzeitig regeneriert er Wasserstoffgas und Kohlendioxid aus dem Kohlenmonoxid und dem Dampf, die in der Dampfreformreaktion erzeugt werden (eine sogenannte Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion). Das erzeugte Gas (d. h. Reformergas) wird zu dem CO-Shift-Abschnitt geleitet.
Der CO-Shift-Abschnitt bewirkt eine Reaktion des Kohlenmonoxids und des Dampfes, die in dem Reformergas enthalten sind, durch den darin eingefüllten Katalysator, um Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas zu regenerieren. Somit wird die Dichte des Kohlenmonoxids in dem Reformergas reduziert, und wird das Reformergas zu dem CO-Selektiv-Oxidationsabschnitt geleitet.
Der CO-Selektiv-Oxidationsabschnitt regeneriert Kohlendioxid durch Bewirken einer Reaktion des restlichen Kohlenoxids in dem Reformergas mit Luft fur eine CO-Reinigung, wobei diese Luft zudem von außerhalb zugefuhrt wird, durch den darin eingefullten Katalysator. Somit wird die Dichte des Kohlenmonoxids in dem Reformergas weiterhin reduziert (weniger als 10 ppm), und wird das Reformergas zu dem Kraftstoffpol der Brennstoffzelle 11 geleitet.
Brennstoff (Reformerbrennstoff), Reformerwasser (Wasser) und Luft (für eine CO-Reinigung) werden dem Reformer 21 jeweils durch eine Kraftstoffpumpe 22, eine Reformerwasserpumpe 23 und eine Luftpumpe 24 zugeführt, und die Zufuhrmengen werden entsprechend Befehlen aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 gesteuert. Eine Regulierung der Zufuhrmenge des aus dem Reformer 21 zugeführten Reformergases (Brennstoffgases) kann verwirklicht werden, indem die Zufuhrmengen aus der Brennstoffpumpe 22, der Reformerwasserpumpe 23 und der Luftpumpe 24 gesteuert werden.
Eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 ist aus dem vorstehend beschriebenen Reformer 21, der Kraftstoffpumpe 22, der Reformerwasserpumpe 23 und der Luftpumpe 24 aufgebaut. Die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 kann durch einen Wasserstoffgasbehalter (Wasserstoffgastank oder Wasserstoffgaszylinder) und ein Regelventil zur Regelung der Zufuhrmenge aus dem Wasserstoffgasbehalter aufgebaut sein.
Die Systemenergiequelle (oder Netzstromversorgung bzw. Netzenergieversorgung) 12 führt elektrische Leistung den externen Lasten 19 uber die Leistungsleitungen 13 zu, die mit der Systemenergiequelle 12 verbunden sind. Die Brennstoffzelle 11 ist mit den Leistungsleitungen 13 durch das Umrichtersystem 15 verbunden. Die externen Lasten 19 sind Leistungslasten, die außerhalb des Brennstoffzellensystems angeschlossen sind und weisen elektrische Haushaltsgeräte wie beispielsweise Fernsehen, Klimaanlage, Waschmaschine und dergleichen auf.
Die Hilfsvorrichtungen 14 als eine Art von internen Lasten weisen (nicht gezeigte) Motoren zum Antrieb der vorstehend beschriebenen jeweiligen Pumpen 22–24, elektromagnetische Ventile zur Zufuhr von Brennstoff, Wasser und Luft zu dem Reformer 21, und elektromagnetische Ventile zur Zufuhr von Reformergas und Luft (Sauerstoff) zu der Brennstoffzelle 11 auf. Die Hilfsvorrichtungen 14 werden durch Zufuhr von Gleichspannung angetrieben, und die Antriebsspannung wird aus einem Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f zugeführt. Die von den Hilfsvorrichtungen 14 und der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 verbrauchte elektrische Leistung beträgt insgesamt etwa 100 Watt. Die internen Lasten sind Leistungslasten, die innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, und weisen die Hilfsvorrichtungen 14, die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17, Heizungsvorrichtungen 11a, 31a und den Widerstand 41 auf.
Das Umrichtersystem 15 weist eine Funktion zur Umwandlung der aus der Brennstoffzelle 11 ausgegebenen Gleichspannung in eine vorbestimmte Wechselspannung, um diese zu den Leistungsleitungen 13 abzugeben, die mit der Systemenergiequelle 12 verbunden sind, eine weitere Funktion zur Umwandlung der Wechselspannung aus den Leistungsleitungen 13 in eine vorbestimmte Gleichspannung, um diese zu den internen Lasten wie den Hilfsvorrichtungen 14, der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 und der Heizvorrichtungen 11a, 31a mit Ausnahme des Widerstands 41 auszugeben, und eine weitere Funktion zur Umwandlung der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle 11 in eine vorbestimmte Gleichspannung auf, um diese zu den internen Lasten mit Ausnahme des vorstehend beschriebenen Widerstands 41 auszugeben.
Insbesondere weist das Umrichtersystem 15 einen Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a, einen Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b, eine Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c, einen Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15d und den Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f auf.
Der Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a wandelt die aus der Brennstoffzelle 11 ausgegebene Gleichspannung (beispielsweise 40 Volt) in eine vorbestimmte Gleichspannung (beispielsweise 350 Volt) um. Der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b wandelt die aus dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung (beispielsweise 200 Volt) um, um diese zu den Leistungsleitungen 13 auszugeben, oder wandelt die Wechselspannung (beispielsweise 200 Volt) aus den Leistungsleitungen 13 in eine vorbestimmte Gleichspannung (beispielsweise 350 Volt) um. Der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b weist eine Funktion zur Messung der Wechselspannung aus der Systemenergiequelle 12 auf und sendet das Messergebnis zu der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c.
Die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c steuert den Antrieb des Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandlers 15a und des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 15b. Die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c ist mit der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 verbunden, damit diese miteinander kommunizieren können, und steuert den Antrieb des Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandlers 15a und des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 15b in Reaktion auf einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17.
Weiterhin ist die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c in der Lage, auf der Grundlage der gemessenen Spannung der Systemenergiequelle 12 aus dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b zu beurteilen, ob die Systemenergiequelle 12 sich in dem Zustand eines Energieausfalls befindet oder nicht. Die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c schaltet ein Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g in einen geoffneten Zustand, wenn beurteilt wird, dass die Systemenergiequelle 12 sich in dem Energieausfallszustand befindet. Die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c schaltet das Energieausfall-Unterbrecherrelais (Energieausfallzeit-Unterbrecherrelais) 15g in einen geschlossenen Zustand, wenn beurteilt wird, dass die Systemenergiequelle 12 sich nicht in dem Energieausfallzustand befindet.
Der Umrichter-Energieversorungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15d erhalt die Gleichspannung aus dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a oder dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b und wandelt die Gleichspannung in eine vorbestimmte Gleichspannung um, um diese als Energieversorgungsspannung (Antriebsspannung) zu dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a, dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b und der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c auszugeben.
Eine Gleichrichterschaltung 15e ist zwischen den Leistungsleitungen 13 und den Hilfsvorrichtungen 14 neben dem Umrichtersystem 15 vorgesehen und ist aus Gleichrichterelementen aufgebaut. Vor der Energieerzeugung durch das Brennstoffzellensystem ist die Gleichrichterschaltung 15e in der Lage, die Wechselspannung aus den Leistungsleitungen 13 gleichzurichten, und ist in der Lage, die gleichgerichtete Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, um diese an die Hilfsvorrichtungen 14 anzulegen. Beispielsweise ist die Gleichrichterschaltung 15e durch vier Dioden als Gleichrichterelemente aufgebaut, die derart angeordnet sind, dass sie eine Diodenbruckenschaltung bilden. Die Gleichrichterschaltung 15e kann mit einem Transformator kombiniert sein oder kann mit Widerstanden, Kondensatoren, Spulen oder dergleichen zur Glattung kombiniert sein.
Der Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs Wandler 15f empfängt die Gleichspannung aus dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a, dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b oder der Gleichrichterschaltung 15e und wandelt die Gleichspannung in eine vorbestimmte Gleichspannung (beispielsweise 24 Volt) um, um diese als Energie- bzw. Leistungsspannung den Hilfsvorrichtungen 14 zuzuführen.
Das Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g ist zwischen dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b und der Systemenergiequelle 12 (oder den Leistungsleitungen 13) geschaltet, und stellt eine Verbindung oder Unterbrechung des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 15b mit oder von der Systemenergiequelle 12 in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c her.
Die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 führt konzentrisch die Gesamtsteuerung des Brennstoffzellensystems durch und steuert den Antrieb der Hilfsvorrichtungen 14 sowie den Antrieb des Umrichtersystems 15. Der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 wird normalerweise ungeachtet davon, ob sie sich in Bereitschaft oder Betrieb (einschließlich des Startbetriebs und des Energieerzeugungsbetriebs) befindet, die Spannung zugeführt.
Der Widerstand 41 ist einer der internen Lasten und ist lediglich als ein einziger zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Umrichtersystem 15 parallel zu dem Umrichter 15 geschaltet, um die aus der Brennstoffzelle 11 abgegebene elektrische Leistung nach Auftreten eines Energieausfalls der Systemenergiequelle 12 zu verbrauchen oder zu verwenden. Das heißt, dass der Widerstand 41 zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a parallel zu dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a vorgesehen ist. Die Kapazität (Leistungsverbrauch) des Widerstands 41 ist auf 300 Watt eingestellt. Der Widerstand 41 ist in Reihe zu einem Widerstandsrelais 42 geschaltet. Das Widerstandsrelais 42 wird in Reaktion auf einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 zum Schließen oder Öffnen gesteuert. Wenn durch die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c beurteilt wird, dass sich die Systemenergiequelle 12 in dem Zustand eines Energieausfalls befindet, wird das Widerstandsrelais 42 in den geschlossenen Zustand geschaltet, wodurch die aus der Brennstoffzelle 41 abgegebene elektrische Leistung durch den Widerstand 41 verbraucht wird. Wenn durch die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c beurteilt wird, dass sich die Systemenergiequelle 12 nicht in dem Zustand eines Energieausfalls befindet, wird das Widerstandsrelais 42 zu dem geöffneten Zustand geschaltet, wodurch die aus der Brennstoffzelle 41 abgegebene elektrische Leistung nicht durch den Widerstand 41 verbraucht wird.
Weiterhin ist der Widerstand 41 mit einem Temperatursensor 41a zur Erfassung der Temperatur des Widerstands 41 verbunden. Das Erfassungsergebnis aus dem Temperatursensor 41a wird zu der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 gesendet.
Der Heißwasser-Aufbewahrungstank 31 dient zur Aufbewahrung von heißem Wasser, das durch die Abwärme von der Brennstoffzelle 11 erhitzt wird. Der Heißwasser-Aufbewahrungstank 31 ist mit einer Heizungsvorrichtung (beispielsweise einer elektrischen Heizung) 31a zum Erhitzen des aufbewahrten Heißwassers oder des Heißwasser-Aufbewahrungstanks 31 versehen. Die Heizungsvorrichtung 31a wird derart gesteuert, dass sie in Reaktion auf einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 angesteuert bzw. angetrieben wird. Die Heizkapazitat der Heizungsvorrichtung 31a sollte vorzugsweise einige 100 Watt betragen. Die Heizungsvorrichtung 31a ist ebenfalls eine der internen Lasten.
Ein Heizungsmedium-Zirkulationskreis 31b ist zwischen dem Heißwasser-Aufbewahrungstank 31 und der Brennstoffzelle 11 vorgesehen, und der Heizungsmedium-Zirkulationskreis 31b ermöglicht, dass eine (nicht gezeigte) Pumpe das Heizungsmedium zirkuliert, das die Abwärme aus der Brennstoffzelle 11 aufgenommen hat. Das in dem Heißwasser-Aufbewahrungstank 31 aufbewahrte heiße Wasser wird durch den Wärmeaustausch mit dem Heizungsmedium erhitzt. An dem Heizungsmedium-Zirkulationskreis 31b ist eine Heizungsvorrichtung 11a zum Erhitzen der Brennstoffzelle 11 durch das Heizungsmedium vorgesehen. Die Heizungsvorrichtung 11a wird derart gesteuert, dass sie in Reaktion auf einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 angetrieben bzw. angesteuert wird. Die Heizungskapazität der Heizungsvorrichtung 11a sollte vorzugsweise einige 100 Watt betragen. Die Heizungsvorrichtung 11a ist ebenfalls eine der internen Lasten. Die Heizungsvorrichtung 11a kann in der Brennstoffzelle 11 vorgesehen sein.
Die Heizungsvorrichtungen 11a und 31a sind derart angeschlossen, dass sie mit elektrischer Leistung versorgt werden, die aus dem Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f hergeleitet ist. Weiterhin können die Heizungsvorrichtungen 11a und 31a zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Umrichtersystem 15 (genauer dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a) neben dem Umrichtersystem 15 vorgesehen sein. Bei einer derartigen Modifikation wird es möglich, ein Niedrigspannungs-Widerstandsrelais 42 zu verwenden, was zu geringen Kosten führt. Der Grund dafür besteht darin, dass die Stufe hinter dem Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a derart ausgeführt ist, dass sie sich auf einer hohen Spannung befindet, weshalb in dieser Stufe ein teures Relais unvermeidlich sein sollte.
(Betrieb)
Der Betrieb des wie vorstehend beschrieben aufgebauten Brennstoffzellensystems ist nachstehend beschrieben. Wenn das Brennstoffzellensystem sich in dem Zustand der Vorbereitung zur Energieerzeugung befindet, befindet sich die Brennstoffzelle 11 in einem Aufwärmzustand und erzeugt keine elektrische Energie, und dem Brennstoffzellensystem wird elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 12 zugeführt. Das heißt, dass der Antrieb des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Wandlers 15b und des Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandlers 15a in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c (in Reaktion auf einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17) gestoppt wird. Weiterhin wird das Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g durch einen Befehl aus der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c (durch einen Befehl aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17) in den geschlossenen Zustand gebracht. Somit wird die Wechselspannung aus der Systemenergiequelle 12 gleichgerichtet und durch die Gleichrichterschaltung 15e in eine Gleichspannung umgewandelt, die dann an dem Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f herabgesetzt wird, um der Brennstoffzellen-Steuerungseinrichtung 17 und den Hilfsvorrichtungen 14 zugeführt zu werden.
Wenn das Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie bzw. elektrischer Leistung arbeitet, werden der Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a und der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b auf der Grundlage eines Befehls aus der Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c (auf der Grundlage eines Befehls aus der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17) in Betrieb gebracht. Weiterhin verbleibt das Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g in dem geschlossenen Zustand. Somit wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 11 durch den Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a angehoben (verstärkt), und die angehobene elektrische Leistung wird dem Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f und somit der Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 sowie den Hilfsvorrichtungen 14 zugeführt. Weiterhin wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 11 den externen Lasten 19 durch den Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15a und den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 15b zugeführt.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems im Falle eines Energieausfalls der Systemenergiequelle 12 ist nachstehend unter Bezugnahme auf ein in 2 gezeigtes Flussdiagramm beschrieben. Wenn ein Energieausfall der Systemenergiequelle 12 in dem Zustand auftritt, dass das Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Leistung betrieben wird, wobei diese an den externen Lasten 19 verbraucht wird, erfasst die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 (die Systemverbindungs-Umrichtersteuerungseinrichtung 15c) das Auftreten des Energieausfalls durch Verwendung der Spannungsmessfunktion des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 15b (Schritt 102). Dann fuhrt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Verarbeitung einer ersten Energieausfall-Betriebsart durch (Schritt 104).
Insbesondere steuert die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 zunachst das Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g, um dieses in den offenen Zustand zu bringen. Gleichzeitig oder nach einer vorbestimmten kurzen Zeit t0 (beispielsweise eine Sekunde später) steuert die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 das Widerstandsrelais 42 derart, dass er von dem geoffneten Zustand zu dem geschlossenen Zustand umgeschaltet wird. Folglich wird die abgegebene elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 11, die elektrische Leistung derart erzeugt hat, dass diese der an den externen Lasten 19 verbrauchte elektrische Leistung (beispielsweise 1000 Watt) nachfolgt, den externen Lasten 19 nicht zugefuhrt, sondern wird dem Widerstand 41 zugefuhrt, um dadurch verbraucht zu werden.
Die aus der Brennstoffzelle 11 abgegebene elektrische Leistung wird ebenfalls derart verbraucht, dass sie nicht nur dem Widerstand 41 sondern ebenfalls den Hilfsvorrichtungen 14 zugefuhrt wird, die zur Energieerzeugung betrieben worden sind.
Demgegenuber steuert die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 zur Verringerung der Zufuhrmenge des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle 11. Diese Steuerung kann durch Steuerung der Brennstoffpumpe 22, der Reformierungs-Wasserpumpe 23 und der Luftpumpe 24 ausgeführt werden, um die Zufuhrmengen von Brennstoff, Reformerwasser und Luft zu dem Reformer 21 zu regulieren. Mit der Verringerung der Zufuhrmenge des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle 11 wird die erzeugte Leistungsgroße der Brennstoffzelle 11 auf die niedrigste oder minimale Ausgangsleistung (beispielsweise 300 Watt) verringert. Die Geschwindigkeit fur die Verringerung zu dieser Zeit wird vorzugsweise derart eingestellt, dass keine Beschadigung einer Brennstoffzelle 11 verursacht wird.
Die Temperatur des Widerstands 41 steigt an, wenn die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 11 durch den Widerstand 41 verbraucht wird. Wenn dies berucksichtigt wird, erfasst die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Temperatur des Widerstands 41 mit dem Temperatursensor 41a. Wenn die Wiederherstellung von dem Energieausfall erfolgt, bis eine erste vorbestimmte Zeit t1 (beispielsweise funf Minuten) seit dem Auftreten des Energieausfalls verstrichen ist, ohne dass die Temperatur des Widerstands 41 eine erste vorbestimmte Temperatur TH1 (beispielsweise 96°C) erreicht, führt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 Beurteilungen ”NEIN” und ”JA” jeweils an den Schritten 106 und 108 durch und fuhrt eine Verarbeitung fur eine Wiederherstellungs-Bereitschaftsbetriebsart durch. Dieselbe Verarbeitung wie die in der vorstehend beschriebenen ersten Energieausfall-Betriebsart wird in dieser Bereitschafts-Wiederherstellungsbetriebsart durchgefuhrt.
Solange wie die Temperatur des Widerstands 41 eine zweite vorbestimmte Temperatur TH2 (beispielsweise 150°C), die höher als die vorbestimmte Temperatur TH1 ist, wahrend der Wiederherstellungs-Bereitschaftsbetriebsart nicht erreicht (NEIN in Schritt 112), führt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Verarbeitung zur Wiederherstellung durch, d. h., stellt eine Systemverbindung durch Verbindung der Brennstoffzelle 11 mit den Leistungsleitungen 13 her und initiiert eine normale Leistungs- bzw. Energieerzeugung (Schritt 114). Demgegenüber führt, wenn die Temperatur des Widerstands 41 die zweite vorbestimmte Temperatur TH2 (beispielsweise 150°C) erreicht, die hoher als die erste vorbestimmte Temperatur TH1 ist (JA in Schritt 112), die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 eine Verarbeitung fur eine Gesamtstoppbetriebsart durch (Schritt 120). In der Gesamtstoppbetriebsart steuert die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 den Antrieb aller Pumpen und bringt die Ventile in einen geschlossenen Zustand.
Weiterhin tritt durch die Ausfuhrung der Verarbeitung fur die vorstehend beschriebene erste Energieausfall-Betriebsart eine Situation auf, dass die Temperatur des Widerstands 41 die erste vorbestimmte Temperatur TH1 (beispielsweise 96°C) erreicht, oder eine weitere Situation auf, dass die Wiederherstellung von dem Energieausfall bis zum Verstreichen der ersten vorbestimmten Zeit t1 seit dem Auftreten des Energieausfalls nicht erfolgt, wobei die Temperatur des Widerstands 41 derart verbleibt, dass diese nicht die erste vorbestimmte Temperatur TH1 (beispielsweise 96°C) erreicht. Wenn eine dieser Situationen auftritt, fuhrt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 eine Verarbeitung fur eine zweite Energieausfall-Betriebsart (Schritt 116) durch. Dieselbe Verarbeitung wie in der vorstehend beschriebenen ersten Energieausfall-Betriebsart wird in dieser zweiten Energieausfall-Betriebsart durchgefuhrt.
Durch die Ausfuhrung der zweiten Energieausfall-Betriebsart tritt eine Situation auf, dass die Temperatur des Widerstands 41 die zweite vorbestimmte Temperatur TH2 (beispielsweise 150°C) erreicht, die höher als die erste vorbestimmte Temperatur TH1 (beispielsweise 96°C) ist (JA in Schritt 118), oder eine andere Situation auf, dass die Wiederherstellung von dem Energieausfall nicht erfolgt, bis eine zweite vorbestimmte Zeit t2 (beispielsweise zehn Minuten), die länger als die erste vorbestimmte Zeit t1 (beispielsweise fünf Minuten) seit dem Auftreten des Energieausfalls verstreicht, wahrend der die Temperatur des Widerstands 41 derart verbleibt, dass diese nicht die zweite vorbestimmte Temperatur TH2 erreicht (NEIN in den Schritten 118 und 122). Wenn eine dieser Situationen auftritt, fuhrt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Verarbeitung für die Gesamtstoppbetriebsart durch (Schritt 120).
Wenn demgegenüber während der Ausführung der zweiten Energieausfall-Betriebsart die Wiederherstellung von dem Energieausfall erfolgt, bis die zweite vorbestimmte Zeit t2 seit dem Auftreten des Energieausfalls verstrichen ist, während der die Temperatur des Widerstands 41 derart verbleibt, dass diese nicht die zweite vorbestimmte Temperatur TH2 erreicht (NEIN in Schritt 118 und JA in Schritt 122), fuhrt die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 eine Verarbeitung fur eine normale Stoppbetriebsart durch (Schritt 124). Die normale Stoppbetriebsart ist eine Verarbeitung zum Stoppen des Brennstoffzellensystems entsprechend einer vorbestimmten Abfolge.
2A zeigt eine ausfuhrliche Verarbeitung für die erste Energieausfall-Betriebsart, die in Schritt 104 gemäß 2 ausgefuhrt wird. Bei Erfassung eines Energieausfalls wird das Energieausfall-Unterbrecherrelais 15g geöffnet (Schritt 1041), und nach dem Verstreichen (Schritt 1042) der vorbestimmten Zeit t0, die vorab als Null oder eine Sekunde eingestellt ist, wird der Leistungsausgangszustand der Brennstoffzelle 11 anhand der Ausgangsleistung (abgegebenen Leistung) der Brennstoffzelle 11 oder anhand des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19 erfasst. Das Widerstandsrelais 42 wird dann in Schritt 1044 unterbrechend (intermittierend) betatigt. Das heißt, dass die Schließ- und Offnungsvorgange des Widerstandsrelais 42 wiederholt für eine vorbestimmte Zeit t3 (beispielsweise einige Minuten oder ahnlich) oder in einer vorbestimmten Anzahl durchgeführt werden. Das Verhältnis der Schließzeit zu der Öffnungszeit des Widerstandsrelais 42 wird in Abhängigkeit von dem in Schritt 1043 erfassten Ausgangszustand der Brennstoffzelle 11 bestimmt. Folglich kann der Leistungsverbrauch durch die internen Lasten (d. h. den Widerstand 41, die Heizungsvorrichtungen 11a und 31a, den Hilfsvorrichtungen 14 usw.) in geeigneter Weise in Abhangigkeit von dem Leistungsausgangszustand bzw. Leistungsabgabezustand der Brennstoffzelle 11 (d. h. der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder dem Leistungsverbrauch durch die externen Lasten 19) geändert werden.
Bei Abschluss der Steuerung der Änderung des Leistungsverbrauchs durch die internen Lasten wird eine Einheitsmenge in Abhängigkeit von dem erfassten Brennstoffzellen-Ausgangszustand eingestellt (Schritt 1045). Die Einheitsmenge wird in Abhängigkeit von dem erfassten Brennstoffzellen-Ausgangszustand zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls auf groß oder klein eingestellt. Die eingestellte Einheitsmenge wird dann zur Verringerung derselben von der gegenwärtigen Zufuhrmenge des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle 11 verwendet. Das heißt, dass die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 die Brennstoffpumpe 22, die Reformierungs-Wasserpumpe 23 und die Luftpumpe 24 derart steuert, dass die Brennstoffgaszufuhr zu der Brennstoffzelle 11 um die Einheitsmenge verringert wird (Schritt 1046). Nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit t4 (Schritt 1047), die derart eingestellt ist, dass sie ausreichend lang ist, damit die Brennstoffzellen-Ausgangsleistung auf die Verringerung der Brennstoffgas-Zufuhrmenge reagieren kann, wird in Schritt 1048 eine Beurteilung durchgefuhrt, ob die Brennstoffzellen-Ausgangsleistung auf die niedrigste oder die minimale Ausgangsleistung (beispielsweise 300 Watt) verringert worden ist oder nicht. Die vorstehend beschriebene Verarbeitung in den Schritten 1046 bis 1048 wird wiederholt, bis die Brennstoffzellen-Ausgangsleistung sich auf die minimale Ausgangsleistung verringert hat. Folglich kann die Brennstoffgas-Zufuhrmenge durch die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 ebenfalls in Abhängigkeit von dem Leistungsausgangszustand der Brennstoffzelle 11 (d. h. der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19) geandert werden. Es sei bemerkt, dass, obwohl das Ausführungsbeispiel die Anderung sowohl in dem Leistungsverbrauch durch die internen Lasten als auch in der Brennstoffgas-Zufuhrmenge durch die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 beschreibt, die vorliegende Erfindung in der Form einer Anderung entweder des Leistungsverbrauchs durch die internen Lasten oder der Brennstoffgas-Zufuhrmenge durch die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 implementiert werden kann.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, andert gemaß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn die Systemenergiequelle 12 in einen Energieausfall fällt, wahrend die externen Vorrichtungen (externen Lasten) 19 die elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellensystem verbrauchen, die Brennstoffzellensystem-Steuerungseinrichtung 17 zumindest entweder den Verbrauch der Ausgangsleistung durch die internen Lasten (Widerstand 41, Heizungsvorrichtungen 11a und 31, Hilfsvorrichtungen 14 und Steuerungseinrichtungen 17 sowie 15c) oder die Zufuhrmenge aus der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder dem Verbrauch der elektrischen Leistung an den externen Vorrichtungen 19. Folglich kann erreicht werden, dass die Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 in geeigneter Weise in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder der durch die externen Lasten 19 verbrauchten elektrischen Leistung verbraucht wird. Da weiterhin die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 steuerbar durch Anderung von zumindest entweder der von den internen Lasten verbrauchten elektrischen Leistung oder der Zufuhrmenge aus der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 verbraucht wird, wird es moglich, einen Temperaturanstieg der internen Lasten zu unterdrucken und somit eine Verschlechterung von Peripherievorrichtungen zu unterdrucken.
Da weiterhin eine Hauptkomponente der internen Lasten durch den Widerstand 41 gebildet werden kann, kann erreicht werden, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 in geeigneter Weise in einem vereinfachten Aufbau verbraucht wird, wobei die Anzahl der Komponenten für das Brennstoffzellensystem und somit ein Anstieg der Kosten unterdrückt wird.
Weiterhin ist der Widerstand 41 zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Umrichtersystem 15 neben dem Umrichtersystem 15 angeordnet. Somit wird es moglich, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 zuverlassig ungeachtet des Umrichtersystems 15 zu verwenden, da die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 direkt durch den Widerstand 41 ohne Hindurchgelangen durch das Umrichtersystem 15 verbraucht werden kann.
Da zusätzlich die internen Lasten die existierenden Heizungsvorrichtungen 11a und 31a aufweisen, die zum Heizen des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wird es moglich, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 zuverlassig ohne Involvieren eines Anstiegs der Anzahl der Komponenten für das Brennstoffzellensystem und eines Anstiegs der Kosten zu verbrauchen.
(Modifikationen)
Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich ein einziger Widerstand 41 zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Umrichtersystem 15 neben dem Umrichtersystem 15 vorgesehen ist, kann eine Vielzahl von Widerstanden 41 parallel zueinander vorgesehen werden, wie es in 3 gezeigt ist. Gemaß dieser modifizierten Form weist jeder Widerstand 41 ein damit in Reihe geschaltetes Widerstandsrelais 42 auf und ist ebenfalls mit einem daran angebrachten Temperatursensor 41a versehen. Somit wird es möglich, den Leistungsverbrauch durch die internen Lasten schrittweise zu andern. Die Änderung in der durch die internen Lasten verbrauchten elektrischen Leistung kann auf der Grundlage der Temperatur (der direkt gemessenen Temperatur jedes Widerstands 41 oder der Umgebungstemperatur davon), die mit den inneren Lasten (Widerstanden 41) korreliert, oder auf der Grundlage der Dauer des Leistungsverbrauchs durch die inneren Lasten durchgefuhrt werden.
Beispielsweise wird die Anzahl der Widerstände 41, die wirksam sind, in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder von der von den externen Vorrichtungen 19 verbrauchten elektrischen Leistung eingestellt. Das heißt, dass die Anzahl der Widerstände 41, die in dem wirksamen Zustand gehalten werden, verringert werden kann, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 nach dem Auftreten des Energieausfalls verringert wird. Weiterhin kann die Anzahl der Widerstande 41, die wirksam gehalten werden, verringert werden, wenn die Temperatur der Widerstande 41 sich verringert. Alternativ kann, wenn die Temperatur der Widerstande im Verlaufe der Zeit ansteigt, die Anzahl der Widerstände 41, die unwirksam gehalten werden, erhöht werden. Weiter alternativ kann die Anzahl der Widerstände 41, die wirksam gehalten werden, mit der Dauer des Leistungsverbrauchs durch die internen Lasten, das heißt, zu vorbestimmten Zeitintervallen, verringert werden.
2B zeigt die ausführliche Verarbeitung für die erste Energieausfall-Betriebsart, die in Schritt 104 gemaß 2 ausgefuhrt wird, gemaß dieser modifizierten Form des Ausfuhrungsbeispiels. 2B ist dieselbe wie 2A mit der Ausnahme der Schritt 1044a und 1044b, weshalb die Einzelheiten dieser Schritte 1044a und 1044b nachstehend beschrieben sind.
Das heißt, dass in Schritt 1044a in Abhangigkeit von dem in Schritt 1043 erfassten Brennstoffzellen-Ausgangszustand eine Bestimmung in Bezug auf die Anzahl der in 3 gezeigten Widerstande 41, die in den wirksamen Zustand zu bringen sind, gemacht wird. Eine größere Anzahl von Widerstanden 41 wird in dem Fall ausgewahlt, dass der Brennstoffzellen-Ausgangszustand eine großere Ausgangsleistung angibt, wohingegen eine kleinere Anzahl von Widerstanden 41 in dem Fall ausgewählt wird, in dem der Brennstoffzellen-Ausgangszustand eine kleinere Ausgangsleistung angibt. Die Widerstandsrelais 42 in der auf dieser Weise bestimmten Anzahl werden in Schritt 1044b geschlossen. Folglich kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 durch die internen Lasten (d. h. Widerstand 41, Heizungsvorrichtungen 11a und 31a, Hilfsvorrichtungen 14 und dergleichen) in geeigneter Weise in Abhangigkeit von dem Leistungsabgabezustand der Brennstoffzelle 11 (d. h. der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 oder dem Leistungsverbrauch durch die externen Lasten 19) verbraucht werden. Das heißt, dass der Leistungsverbrauch durch die internen Lasten durch Änderung der Anzahl der wirksam zu haltenden Widerstände 41 in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19 geändert werden kann.
Gemaß dieser modifizierten Form kann verwirklicht werden, dass die Temperaturanstiege der internen Lasten weiter unterdruckt werden, und die Verschlechterung der Peripherievorrichtungen weiter unterdruckt werden kann. Zusätzlich wird es möglich, den Verbrauch der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 zuverlässig in einem vereinfachten Aufbau in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19 zu regulieren.
Die internen Lasten weisen andere Heizungsvorrichtungen zum Heizen der Komponenten (beispielsweise des Reformers 21, eines (nicht gezeigten) Reformierungs-Wassertanks) des Brennstoffzellensystems als die Heizungsvorrichtungen 31a und 11a auf, die an dem Heißwasser-Aufbewahrungstank 31 und der Brennstoffzelle 11 vorgesehen sind. Die Heizungsvorrichtungen in diesem Fall weisen vorzugsweise eine Heizungskapazitat von einigen hundert Watt auf.
Gemaß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel können neben dem Widerstand 41 die Heizungsvorrichtungen und andere Lasten gleichzeitig als die Lasten verwendet werden, die die elektrische Leistung wahrend des Energieausfalls verbrauchen. Als die Lasten, die die elektrische Leistung wahrend des Energieausfalls verbrauchen können, können die Heizungsvorrichtungen anstelle des Widerstands 41 verwendet werden. Weiterhin kann der Widerstand 41 derart angeschlossen werden, dass er mit der aus dem Hilfsvorrichtungs-Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 15f hergeleiteten elektrischen Leistung versorgt wird.
Nachfolgend sind verschiedene Merkmale und viele der zugehorigen Vorteile gemaß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zusammengefasst:
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 1, 2 und 2A wird, wenn die Systemenergiequelle 12 wahrend des Energieverbrauchs durch die externen Lasten 19 in einen Energieausfall fällt, der Energieverbrauch durch die internen Lasten und/oder die Zufuhrmenge der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 derart gesteuert, dass er bzw. sie in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19 geändert wird. Somit kann erreicht werden, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 in geeigneter Weise in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Vorrichtungen 19 verbraucht wird. Da weiterhin die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 durch Änderung der von den internen Lasten verbrauchten elektrischen Leistung und/oder der Zufuhrmenge aus der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 20 verbraucht wird, wird es möglich, die Temperaturanstiege der internen Lasten zu unterdrücken und somit eine Verschlechterung der Peripherievorrichtungen zu unterdrucken.
Außerdem wird es gemaß dem typischerweise in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel moglich, die Temperaturanstiege der internen Lasten zu unterdrücken und somit die Verschlechterung der Peripherievorrichtungen zu unterdrucken, da die Änderung in dem Leistungsverbrauch durch die internen Lasten auf der Grundlage der Temperatur, die mit den internen Lasten (beispielsweise 41) korreliert, oder der Dauer des Leistungsverbrauchs durch die internen Lasten durchgefuhrt wird.
Außerdem kann, da die internen Lasten den Widerstand 41 aufweisen, gemaß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemaß 1 verwirklicht werden, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 in geeigneter Weise in einem vereinfachten Aufbau verbraucht wird, wobei ein Anstieg der Anzahl der Komponenten für das Brennstoffzellensystem und somit ein Anstieg der Kosten unterdrückt wird.
Gemaß einer modifizierten Form gemäß 3 und 2B wird es moglich, den Verbrauch der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 11 zuverlassig in einem vereinfachten Aufbau in Abhangigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten 19 zu verbrauchen, da die Vielzahl der Widerstande 11 parallel zueinander geschaltet sind und da die Schalter 42 in Reihe jeweils zu den jeweiligen Widerständen 41 zum Schalten der wirksamen Zustände und der unwirksamen Zustände der jeweiligen Widerstände 41 vorgesehen sind.
Gemaß dem vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel gemaß 1 oder gemaß der modifizierten Form gemaß 3 sind der Widerstand 41 oder die Widerstande 41 zwischen der Brennstoffzelle 41 und dem Umrichtersystem 15 parallel zu dem Umrichtersystem 15 angeordnet. Somit wird es möglich, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 zuverlässig ungeachtet des Umrichtersystems 15 zu verbrauchen, da die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 direkt durch den Widerstand 41 oder die Widerstande 41 ohne Hindurchgelangen durch das Umrichtersystem 15 verbraucht werden kann.
Da die internen Lasten die existierenden Heizungsvorrichtungen 11a und 31a aufweisen, die zum Heizen des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wird es gemaß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemaß 1 ebenfalls moglich, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 11 zuverlässig ohne Involvieren eines Anstiegs der Anzahl der Komponenten fur das Brennstoffzellensystem und eines Anstiegs der Kosten zu verbrauchen.
Es sind weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Lehre möglich. Daher kann die vorliegende Erfindung im Umfang der beigefugten Patentansprüche in anderer Weise als vorstehend beschrieben ausgefuhrt werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Systemenergiequelle, einem Umrichtersystem und einer Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr von Brennstoffgas in einer geregelten Menge zu der Brennstoffzelle versehen, wobei, wenn die Systemenergiequelle wahrend des Leistungsverbrauchs durch externe Lasten in einen Energieausfall fallt, der Leistungsverbrauch durch die internen Lasten (Widerstände) und/oder die Zufuhrmenge der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten geändert wird.

Claims

Brennstoffzellensystem zur Verwendung mit einer außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehenen Systemenergiequelle (12) zur Zufuhr elektrischer Leistung zu internen Lasten (14, 17) und externen Lasten (19), die jeweils innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle (11) zur Erzeugung elektrischer Leistung durch die Reaktion von Brennstoffgas mit Oxidationsgas zur Zufuhr der erzeugten elektrischen Leistung zu den internen Lasten (14, 17) und den externen Lasten (19), ein Umrichtersystem (15), das eine erste Funktion zur Umwandlung einer Gleichspannung, die aus der Brennstoffzelle (12) abgegeben wird, in eine vorbestimmte Wechselspannung zur Ausgabe der Wechselspannung an Leistungsleitungen (13), die mit der Systemenergiequelle (12) verbunden sind, eine zweite Funktion zur Umwandlung einer Wechselspannung aus den Leistungsleitungen (13) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) und eine dritte Funktion zur Umwandlung der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle (11) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) aufweist, einen Unterbrecherschalter (15g) zum Abtrennen des Umrichtersystems (15) von der Systemenergiequelle (12) wenn diese in einen Energieausfall fällt, eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung (20) zur Zufuhr eines Brennstoffgases in einer geregelten Menge zu der Brennstoffzelle (11), zumindest einen Widerstand (41), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem Umrichtersystem (15) parallel zu dem Umrichtersystem (15) als eine der internen Lasten (14, 17) vorgesehen ist und nur, wenn die Systemenergiequelle (12) in einen Energieausfall fällt, in Verbindung mit der Brennstoffzelle (11) gebracht wird, zumindest einen Widerstandsschalter (42), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem zumindest einen Widerstand (41) angeordnet ist, und eine Steuerungseinrichtung (17) zum Öffnen des Unterbrecherschalters (15g), um das Umrichtersystem (15) von der Systemenergiequelle (12) zu trennen, und zum Schließen des zumindest einen Widerstandsschalters (42), wenn während der Leistungsverwendung durch die externe Last (19) die Systemenergiequelle (12) in den Energieausfall fällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) eingerichtet ist, den zumindest einen Widerstandsschalter (42) derart zu steuern, dass, wenn die Systemenergiequelle (12) während des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten (19) in einen Energieausfall fällt, die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch den zumindest einen Widerstand nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand und der zumindest eine Widerstandsschalter einen einzigen Widerstand (41) und einen einzigen Widerstandsschalter (42) aufweisen, und dass die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, bei Steuerung des Widerstandsschalters zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls den Widerstandsschalter derart zu steuern, dass die Verbindung des Widerstands (41) mit der Brennstoffzelle intermittierend in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle (11) zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls hergestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand eine Vielzahl von parallel zueinander geschalteten Widerständen (41) aufweist, dass der zumindest eine Widerstandsschalter eine Vielzahl von Widerstandsschaltern (42) aufweist, die jeweils in Reihe zu den jeweiligen Widerständen vorgesehen sind, und dass die Steuerungseinrichtung (17) eingerichtet ist, die Widerstandsschalter (42) derart zu steuern, dass die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch die Widerstände nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird, wenn die Systemenergiequelle (12) während der Leistungsverwendung durch die externen Lasten (19) in den Energieausfall fällt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) eingerichtet ist, zum Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung (20) derart zu steuern, dass die der Brennstoffzelle (11) zugeführte Brennstoffgasmenge verringert wird, zusätzlich zu der Steuerung des einen Widerstandsschalters (42) zum intermittierenden Steuern der Verbindung des einen Widerstands (41) mit der Brennstoffzelle (11).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) eingerichtet ist, zum Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung (20) derart zu steuern, dass die der Brennstoffzelle (11) zugeführte Brennstoffgasmenge verringert wird, zusätzlich zu der Steuerung der Widerstandsschalter (42) derart, dass die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch die Widerstände nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem zur Verwendung mit einer außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehenen Systemenergiequelle (12) zur Zufuhr elektrischer Leistung zu internen Lasten (14, 17) und externen Lasten (19) dient, die jeweils innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle (11) zur Erzeugung elektrischer Leistung durch die Reaktion von Brennstoffgas mit Oxidationsgas zur Zufuhr der erzeugten elektrischen Leistung zu den internen Lasten (14, 17) und den externen Lasten (19), ein Umrichtersystem (15), das eine erste Funktion zur Umwandlung einer Gleichspannung, die aus der Brennstoffzelle (12) abgegeben wird, in eine vorbestimmte Wechselspannung zur Ausgabe der Wechselspannung an Leistungsleitungen (13), die mit der Systemenergiequelle (12) verbunden sind, eine zweite Funktion zur Umwandlung einer Wechselspannung aus den Leistungsleitungen (13) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) und eine dritte Funktion zur Umwandlung der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle (11) in eine vorbestimmte Gleichspannung zur Ausgabe der Gleichspannung an die internen Lasten (14, 17) aufweist, einen Unterbrecherschalter (15g) zum Abtrennen des Umrichtersystems (15) von der Systemenergiequelle (12) wenn diese in einen Energieausfall fällt, eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung (20) zur Zufuhr eines Brennstoffgases in einer geregelten Menge zu der Brennstoffzelle (11), zumindest einen Widerstand (41), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem Umrichtersystem (15) parallel zu dem Umrichtersystem (15) als eine der internen Lasten (14, 17) vorgesehen ist und nur, wenn die Systemenergiequelle (12) in einen Energieausfall fällt, in Verbindung mit der Brennstoffzelle (11) gebracht wird, zumindest einen Widerstandsschalter (42), der zwischen der Brennstoffzelle (11) und dem zumindest einen Widerstand (41) angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: Öffnen des Unterbrecherschalters (15g), um das Umrichtersystem (15) von der Systemenergiequelle (12) zu trennen, und Schließen des zumindest einen Widerstandsschalters (42), wenn während der Leistungsverwendung durch die externe Last (19) die Systemenergiequelle (12) in den Energieausfall fällt, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Steuern des zumindest einen Widerstandsschalters (42) derart, dass, wenn die Systemenergiequelle (12) während des Leistungsverbrauchs durch die externen Lasten (19) in einen Energieausfall fällt, die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch den zumindest einen Widerstand nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand und der zumindest eine Widerstandsschalter einen einzigen Widerstand (41) und einen einzigen Widerstandsschalter (42) aufweisen, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Steuern, bei Steuerung des Widerstandsschalters zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls, des Widerstandsschalters (42) derart, dass die Verbindung des Widerstands (41) mit der Brennstoffzelle intermittierend in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle (11) zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand eine Vielzahl von parallel zueinander geschalteten Widerständen (41) aufweist, und dass der zumindest eine Widerstandsschalter eine Vielzahl von Widerstandsschaltern (42) aufweist, die jeweils in Reihe zu den jeweiligen Widerständen vorgesehen sind, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Steuern der Widerstandsschalter (42) derart, dass die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch die Widerstände nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird, wenn die Systemenergiequelle (12) während der Leistungsverwendung durch die externen Lasten (19) in den Energieausfall fällt.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch Steuern, zum Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls, der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung (20) derart, dass die der Brennstoffzelle (11) zugeführte Brennstoffgasmenge verringert wird, zusätzlich zum Steuern des einen Widerstandsschalters (42) zum intermittierenden Steuern der Verbindung des einen Widerstands (41) mit der Brennstoffzelle (11).
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch Steuern, zum Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls, der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung (20) derart, dass die der Brennstoffzelle (11) zugeführte Brennstoffgasmenge verringert wird, zusätzlich zum Steuern der Widerstandsschalter (42) derart, dass die Verwendung der elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (11) durch die Widerstände nach dem Energieausfall in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt des Auftretens des Energieausfalls gesteuert wird.