DE102012207632A1

DE102012207632A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102012207632A1
Application number: DE102012207632A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Kazuno; Hibiki Saeki; Daishi Igarashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-02-07
Also published as: JP5750341B2; US20120288777A1; JP2012252998A; CN102774291A

Abstract

Bei einem FC-System (12) eines FC-Fahrzeugs (10) stellt, falls eine Steuerungseinrichtung (24) bestimmt, dass Bedingungen eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus einer FC (40) erfüllt sind, die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der FC (40) auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs (R3) ein, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und steuert eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66), dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die FC (40) eine Ausgabe entsprechend der von einem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist, von der Brennstoffzelle gelieferte elektrische Leistung zu speichern, und einem Verbraucher, dem elektrische Leistung von zumindest der Brennstoffzelle oder der Energiespeichervorrichtung zugeführt wird.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Bei einer herkömmlichen Technik wird ein Brennstoffzellensystem zum Unterbinden einer Degradation einer in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen verwendeten Brennstoffzelle vorgeschlagen und in dem Brennstoffzellensystem wird eine Leistungserzeugung in einer Weise durchgeführt, dass das elektrische Redoxpotenzial vermieden wird ( Japanische Offenlegungspatentveröffentlichung Nr. 2011-015580 (nachfolgend als „ JP2011-015580A ” bezeichnet)). Bei dem Brennstoffzellensystem der JP2011-015880A schaltet, falls eine bei einer Leistungserzeugung benötigte Leistung (benötigte Leistungsabgabe) (P*) weniger als ein vorbestimmter Schwellwert (Pthr) ist, das Brennstoffzellensystem in einen Leistungserzeugungsunterbrechungsmodus durch Stoppen einer Zufuhr von Gasen zu der Brennstoffzelle. In dem Leistungserzeugungsunterbrechungsmodus wird die Spannung der Brennstoffzelle auf eine Spannung festgelegt, die niedriger als eine Leerlaufspannung (OCV) ist, und ein genauer Strom wird zum Verhindern einer Degradation der Brennstoffzelle erzeugt, während eine Verbesserung des Wirkungsgrads in dem Fahrzeug erreicht wird (siehe Zusammenfassung, Absätze [0045] bis [0047], 2 und 4 darin). Während des Leistungserzeugungsunterbrechungsmodus wird eine Batterie (74) mit überschüssiger elektrischer Leistung geladen. Die Batterie wirkt als eine Speicherquelle der überschüssigen elektrischen Energie, als eine regenerative Energiespeicherquelle zum Zeitpunkt eines regenerativen Bremsens und als ein Energiepuffer, wenn eine Leistungsabgabeschwankung aufgrund einer Beschleunigung oder einer Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs auftritt (Absatz [0036] darin).
Zusammenfassung der Erfindung
Wie oben beschrieben, wird in JP2011-015580A , nachdem die überschüssige elektrische Leistung in dem Leistungserzeugungsunterbrechungsmodus in der Batterie gespeichert ist, die gespeicherte elektrische Leistung zum Beschleunigen des Fahrzeugs verwendet. Falls somit die Frequenz des Ladens/Entladens der Batterie erhöht wird, tritt ein Verlust an elektrischer Leistung aufgrund eines solchen Ladens/Entladens auf und der Ausgabewirkungsgrad in dem Brennstoffzellensystem kann unerwünscht verringert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die Probleme dieser Bauart zu berücksichtigen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das es ermöglicht, eine Degradation einer Brennstoffzelle zu unterbinden und den Ausgabewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems insgesamt zu verbessern.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle geliefert wird, einen Verbraucher, dem elektrische Leistung von zumindest der Brennstoffzelle oder der Energiespeichervorrichtung zugeführt wird, einen Wandler zum Einstellen der Spannung der Brennstoffzelle, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der von der Brennstoffzelle und der Energiespeichervorrichtung dem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung basierend auf von dem Verbraucher benötigter elektrischer Leistung, eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung zum Zuführen eines Reaktantgases zu der Brennstoffzelle. Falls die Steuerungseinrichtung bestimmt, dass eine Bedingung eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus der Brennstoffzelle erfüllt ist, legt die Steuerungseinrichtung die Spannung der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs fest, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und steuert die Reaktantgaszufuhrvorrichtung, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die Brennstoffzelle eine Ausgabe entsprechend der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird, während die Spannung der Brennstoffzelle auf einem konstanten Level außerhalb des Spannungsbereichs gehalten wird, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, der Ausgabestrom der Brennstoffzelle entsprechend der Leistungsabgabe geändert. Daher wird während des Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus der Brennstoffzelle eine Degradation der Brennstoffzelle verhindert und eine unnötige Leistungserzeugung kann unterbunden werden. Entsprechend kann der Lade-/Entladeverlust in der Energiespeichereinrichtung verringert werden und eine Verbesserung des Ausgabewirkungsgrads in dem Brennstoffzellensystem wird erreicht.
Der vorbestimmte Spannungswert kann oberhalb oder unterhalb des Spannungsbereichs sein, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet.
Falls eine Menge der in der Energiespeichereinrichtung gespeicherten elektrischen Leistung eine Sollenergiespeichermenge oder weniger ist, kann die Spannung der Brennstoffzelle bei dem vorbestimmten Spannungswert gehalten werden bis die Menge der in der Energiespeichereinrichtung gespeicherten elektrischen Leistung die Sollenergiespeichermenge erreicht und ein Gas in der Brennstoffzelle kann in einem fetten Zustand gehalten werden. Bei der Struktur kann, da die Spannung der Brennstoffzelle auf den vorbestimmten Spannungswert außerhalb des Spannungsbereichs festgelegt wird, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, eine Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden. Da außerdem das Gas in der Brennstoffzelle in einem fetten Zustand gehalten wird, wird die Menge der in der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung erhöht und die Energiespeichereinrichtung wird mit der überschüssigen elektrischen Leistung geladen. Somit kann die Menge der in der Energiespeichereinrichtung gespeicherten elektrischen Leistung bei der Sollenergiespeichermenge gehalten werden.
Das Brennstoffzellensystem kann in einem Fahrzeug montiert sein. Der Verbraucher kann einen regenerativen Motor und eine Hilfseinrichtung umfassen. Falls die Steuerungseinrichtung bestimmt, dass die Bedingung des Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus erfüllt ist, kann die Steuerungseinrichtung die Spannung der Brennstoffzelle auf den vorbestimmten Spannungswert festlegen und die Reaktantgaszufuhrvorrichtung steuern, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die Brennstoffzelle eine Ausgabe entsprechend der von der Hilfseinrichtung benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Falls die Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder die Drehzahl des Motors ein vorbestimmter Schwellwert oder weniger ist, kann die Steuerungseinrichtung die Spannung der Brennstoffzelle auf den vorbestimmten Spannungswert festlegen und die Reaktantgaszufuhrvorrichtung steuern, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die Brennstoffzelle eine Ausgabe entsprechend der von der Hilfseinrichtung benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, eine Energiespeichereinrichtung zum Speichern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle geliefert wird, einen Verbraucher, dem elektrische Leistung von zumindest der Brennstoffzelle oder der Energiespeichereinrichtung zugeführt wird, einen Wandler zum Einstellen der Spannung der Brennstoffzelle, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der von der Brennstoffzelle und der Energiespeichereinrichtung dem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung basierend auf einer von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung und eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung zum Zuführen eines Reaktantgases zu der Brennstoffzelle. Die Steuerungseinrichtung stellt die Spannung der Brennstoffzelle ein zum wahlweisen Durchführen eines Normalmodus zum Steuern der von der Brennstoffzelle dem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung und eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus zum Begrenzen einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle während eines Geringe-Leistungsabgabebetriebs des Brennstoffzellensystems. In dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus legt die Steuerungseinrichtung die Spannung der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs fest, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und führt eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zum Begrenzen einer Zufuhrmenge des Reaktantgases durch. Zum Zeitpunkt eines Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus als eine Folge der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung erhöht die Steuerungseinrichtung eine Zufuhrmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktantgases entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung und senkt die auf den vorbestimmten Spannungswert festgelegte Spannung der Brennstoffzelle von dem vorbestimmten Spannungswert entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Betrieb der Brennstoffzelle schnell von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand übergehen. Das heißt, im Allgemeinen muss in dem Fall, in dem eine Konzentration des Reaktantgases konstant ist, um eine in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung zu erhöhen, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt werden und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle muss erhöht werden. Ferner kann in dem Fall, in dem die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom unverändert gehalten werden, durch Erhöhen der Konzentration des Reaktantgases die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung erhöht werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird zu dem Zeitpunkt des Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus die Menge des zugeführten Reaktantgases entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung erhöht und die Spannung der Brennstoffzelle wird entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gesenkt. Da es somit möglich ist, die Konzentration des Reaktantgases entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung zu erhöhen und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu senken, kann die Brennstoffzelle schnell von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand übergehen (Man sollte beachten, dass es nur erforderlich ist, einen Betrieb zum Erhöhen der Menge des zugeführten Reaktantgases und einen Betrieb zum Senken der Spannung der Brennstoffzelle als eine Reihe von Prozessen durchzuführen, und dass solche Betriebe nicht zwangsläufig gleichzeitig durchgeführt werden müssen.).
Ferner wird zum Zeitpunkt des Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus die Spannung der Brennstoffzelle von dem vorbestimmten Spannungswert gesenkt. Falls der vorbestimmte Spannungswert auf einen Wert unterhalb des Spannungsbereichs, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, zum Zeitpunkt des Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus festgelegt wird, verläuft die Spannung der Brennstoffzelle nicht durch den Spannungsbereich, in dem die Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet. Somit wird es in diesem Fall möglich, eine Degradation der Brennstoffzelle zu verhindern, die verursacht werden kann, falls die Spannung der Brennstoffzelle durch den Spannungsbereich läuft, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet.
Zum Zeitpunkt des Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus kann die Spannungsänderung der Brennstoffzelle unterbunden werden. Falls die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle schnell geändert wird, kann eine Degradation der Brennstoffzelle unerwünscht auftreten. Bei der obigen Struktur kann, da die schnelle Schwankung der Ausgangsspannung unterbunden werden kann, eine Degradation der Brennstoffzelle in vorteilhafter Weise unterbunden werden.
Vor dem Übergang von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus als eine Folge der Erhöhung der Leistungsabgabe kann das Rückschlagventil in einer Schließrichtung bewegt werden. Durch Bewegen des Rückschlagventils in der Schließrichtung wird der Druck der Luft in dem Kathodenkanal der Brennstoffzelle erhöht und eine Sauerstoffkonzentration (Volumenkonzentration) pro Volumenstrom wird erhöht. Somit kann eine Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand schnell durchgeführt werden.
Ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ausgestattet. Somit werden eine hohe Langlebigkeit und ein hoher Wirkungsgrad in dem Fahrzeug erreicht.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels eines erläuternden Beispiels gezeigt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung, die schematisch eine gesamte Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Leistungssystem des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
3 ist eine Darstellung, die schematisch eine Struktur einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist eine Darstellung, die Details eines DC/DC-Wandlers gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Fließdiagramm, das die Basissteuerung in einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU – electronic control unit) zeigt;
6 ist ein Fließdiagramm des Berechnens einer Systemleistungsabgabe;
7 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der momentanen Drehzahl eines Motors und der geschätzten von dem Motor verbrauchten elektrischen Energie zeigt;
8 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem SOC einer Batterie, dem Lade-/Entladekoeffizienten und der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung zeigt;
9 ist eine Kurve, die ein Beispiel der Beziehung zwischen dem elektrischen Potenzial einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels und einer Degradation der Brennstoffzelle zeigt;
10 ist eine zyklisches Voltametriediagramm, das ein Beispiel des Fortschritts der Oxidation und des Fortschritts der Reduktion in den Fällen verschiedener schwankender Geschwindigkeiten in dem elektrischen Potenzial der Brennstoffzelle zeigt;
11 ist eine Kurve, die eine Mehrzahl von Leistungszufuhrmodi bei der ersten Ausführungsform zeigt;
12 ist ein Fließdiagramm, bei dem die ECU ein Energiemanagement des Brennstoffzellensystems bei der ersten Ausführungsform durchführt;
13 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis der Kathode und dem Zellstrom zeigt;
14 ist ein Fließdiagramm eines zweiten Normalmodus;
15 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom und der Sollsauerstoffkonzentration zeigt;
16 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Sollsauerstoffkonzentration und dem Soll-FC-Strom und der Sollluftpumpendrehzahl und der Sollwasserpumpendrehzahl zeigt;
17 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Sollsauerstoffkonzentration und dem Soll-FC-Strom und dem Sollöffnungsgrad eines Rückschlagventils zeigt;
18 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom und der Durchflussmenge von Luft zeigt;
19 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad eines Zirkulationsventils und der Durchflussmenge eines Zirkulationsgases zeigt;
20 ist ein Fließdiagramm, das einen zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus zeigt;
21 ist ein Fließdiagramm, das eine Drehmomentsteuerung des Motors zeigt;
22 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagrams in den Fällen, in denen verschiedene Steuerungen gemäß der ersten Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels verwendet werden;
23 ist ein Fließdiagramm, bei dem die ECU ein Energiemanagement des Brennstoffzellensystems bei einer zweiten Ausführungsform durchführt;
24 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms in dem Fall, in dem verschiedene Steuerungen gemäß einer zweiten Ausführungsform verwendet werden;
25 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines ersten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
26 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines zweiten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt; und
27 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines dritten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
A. Erste Äusführungsform
1. Beschreibung im Hinblick auf die gesamte Struktur
[1-1. Gesamte Struktur]
1 ist eine Darstellung, die schematisch die gesamte Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 (nachfolgend als das „FC-Fahrzeug 10” bezeichnet) darstellt, das mit einem Brennstoffzellensystem 12 (nachfolgend als das „FC-System 12” bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Leistungssystem des FC-Fahrzeugs 10 zeigt. Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst das FC-Fahrzeug 10 einen Fahrmotor 14 und einen Wechselrichter (Hilfseinrichtung) 16 zusätzlich zu dem FC-System 12.
Das FC-System 12 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 18 (nachfolgend als die „FC-Einheit 18” bezeichnet), eine Hochspannungsbatterie (nachfolgend als die „Batterie 20” bezeichnet) (Energiespeichereinrichtung), einen DC/DC-Wandler 22 und eine elektronische Steuerungseinheit (Steuerungseinrichtung) 24 (nachfolgend als die „ECU 24” bezeichnet).
[1-2. Antriebssystem]
Der Motor 14 erzeugt eine Antriebskraft basierend auf der von der FC-Einheit 18 und der Batterie 20 gelieferten elektrischen Leistung und dreht Räder 28 unter Verwendung der Antriebskraft durch ein Getriebe 26. Ferner gibt der Motor 14 durch Regeneration erzeugte elektrische Leistung (regenerative elektrische Leistung Preg) [W] an die Batterie 20 oder dergleichen aus (siehe 2).
Der Wechselrichter 16 weist eine Drehstrombrückenschaltungsstruktur auf und führt eine DC/AC-Wandlung zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom in drei Phasen aus. Der Wechselrichter 16 führt den Wechselstrom dem Motor 14 zu und führt den Gleichstrom nach AC/DC-Wandlung als eine Folge der Regeneration der Batterie 20 oder dergleichen durch einen DC/DC-Wandler 22 zu.
Man sollte beachten, dass der Motor 14 und der Wechselrichter 16 gemeinsam als ein Verbraucher 30 bezeichnet werden. Der Verbraucher 30 kann Bauteile (Hilfseinrichtung) umfassen, wie beispielsweise eine Luftpumpe (Reaktantgaszufuhrvorrichtung) 60, eine Wasserpumpe 80 und eine Klimaanlage 90, wie später beschrieben wird.
[1-3. FC-System]
(1-3-1. Gesamte Struktur)
3 ist eine Darstellung, die schematisch eine Struktur der FC-Einheit 18 zeigt. Die FC-Einheit 18 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 40 (nachfolgend als der „FC-Stapel 40” oder die „FC 40” bezeichnet), ein Anodensystem zum Zuführen von Wasserstoff (Brenngas) zu und zum Abgeben des Wasserstoffs (Brenngas) von den Anoden des FC-Stapels 40, ein Kathodensystem zum Zuführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) zu und zum Abgeben der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) von den Kathoden des FC-Stapels 40, ein Kühlmittelsystem zum Zirkulieren von Kühlwasser (Kühlmittel) zum Kühlen des FC-Stapels 40 und einen Zellspannungsmonitor 42.
(1-3-2. FC-Stapel 40)
Zum Beispiel wird der FC-Stapel 40 durch Stapeln von Brennstoffzellen (nachfolgend als die „FC-Zellen” bezeichnet) gebildet, von denen jede eine Anode, eine Kathode und eine feste Polymerelektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst.
(1-3-3. Anodensystem)
Das Anodensystem umfasst einen Wasserstofftank 44 (Reaktantgaszufuhrvorrichtung), ein Regelventil 46, einen Ejektor 48 und ein Entleerventil 50. Der Wasserstofftank 44 enthält Wasserstoff als das Brenngas. Der Wasserstofftank 44 ist mit dem Einlass eines Anodenkanals 52 durch eine Leitung 44a, ein Regelventil 46, eine Leitung 46a, einen Ejektor 48 und eine Leitung 48a verbunden. Somit kann der Wasserstoff in dem Wasserstofftank 44 dem Anodenkanal 52 durch die Leitung 44a oder dergleichen zugeführt werden. Ein Absperrventil (nicht gezeigt) ist in der Leitung 44a vorgesehen. Zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung des FC-Stapels 40 wird das Absperrventil von der ECU 24 geöffnet.
Das Regelventil 46 regelt den Druck des zugeführten Wasserstoffs auf einen vorbestimmten Wert und gibt den Wasserstoff ab. Das heiß, das Regelventil 46 regelt den Druck auf der stromabwärtigen Seite (Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite) in Abhängigkeit von dem Druck (Vorsteuerdruck) der Luft auf der Kathodenseite, die durch die Leitung 46b zugeführt wird. Daher ist der Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite mit dem Druck der Luft auf der Kathodenseite verbunden. Wie später beschrieben, ändert sich durch Ändern der Drehzahl oder dergleichen der Luftpumpe 60 so, dass die Sauerstoffkonzentration geändert wird, ebenso der Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite.
Der Ejektor 48 erzeugt einen Unterdruck durch Ausstoßen von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 44 durch eine Düse. Durch diesen Unterdruck kann das Anodenabgas aus einer Leitung 48a gesaugt werden.
Der Auslass des Anodenkanals 52 ist durch die Leitung 48b mit einer Ansaugöffnung des Ejektors 48 verbunden. Das aus dem Anodenkanal 52 abgegebene Anodenabgas strömt durch die Leitung 48b und wieder in den Ejektor 48 zum Erlauben einer Zirkulation des Anodenabgases (Wasserstoff).
Das Anodenabgas enthält Wasserstoff, der nicht in der Elektrodenreaktion an den Anoden verbraucht wurde, und Wasserdampf. Ferner ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider (nicht gezeigt) an der Leitung 48b zum Abscheiden/Rückgewinnen von Wasserbestandteilen (kondensiertes Wasser (Flüssigkeit) und Wasserdampf (Gas)) in dem Anodenabgas vorgesehen.
Ein Teil der Leitung 48b ist mit einer Verdünnungsbox 54, die in einer Leitung 64b vorgesehen ist, wie später beschrieben wird, durch eine Leitung 50a, ein Entleerventil 50 und eine Leitung 50b verbunden. Wenn bestimmt wird, dass eine Leistungserzeugung des FC-Stapels 40 nicht stabil durchgeführt wird, wird das Entleerventil 50 für einen vorbestimmten Zeitraum entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 geöffnet. In der Verdünnungsbox 54 wird der Wasserstoff in dem Anodenabgas aus dem Entleerventil 50 durch das Kathodenabgas verdünnt.
(1-3-4. Kathodensystem)
Das Kathodensystem umfasst die Luftpumpe 60, einen Befeuchter 62, ein Rückschlagventil (Reaktantgaszufuhrvorrichtung) 64, ein Zirkulationsventil (Reaktantgaszufuhrvorrichtung) 66, Durchflussmengensensoren 68, 70 und einen Temperatursensor 72.
Die Luftpumpe 60 verdichtet die Außenluft (Luft) und führt die verdichtete Luft der Kathode zu. Eine Ansaugöffnung der Luftpumpe 60 ist durch eine Leitung 60a mit der Umgebung (Umgebung des Fahrzeugs) verbunden und eine Ausstoßöffnung der Luftpumpe 60 ist durch eine Leitung 60b, den Befeuchter 62 und eine Leitung 62a mit dem Einlass eines Kathodenkanals 74 verbunden. Wenn die Luftpumpe 60 entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 betrieben wird, saugt die Luftpumpe 60 die Luft außerhalb des Fahrzeugs durch die Leitung 60a an, verdichtet die angesaugte Luft und führt die verdichtete Luft dem Kathodenkanal 74 durch die Leitung 60b oder dergleichen unter Druck zu.
Der Befeuchter 62 weist eine Mehrzahl von hohlen Fasermembranen 62e mit Wasserpermeabilität auf. Der Befeuchter 62 befeuchtet die in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 durch die hohlen Fasermembranen 62e strömende Luft durch Austauschen von Wasserbestandteilen zwischen der in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Luft und dem aus dem Kathodenkanal 74 abgegebenen stark befeuchteten Kathodenabgas.
Eine Leitung 62b, der Befeuchter 62, eine Leitung 64a, das Rückschlagventil 64 und die Leitung 64b sind an dem Auslass des Kathodenkanals 74 vorgesehen. Das aus dem Kathodenkanal 74 abgegebene Kathodenabgas (sauerstoffhaltiges Abgas) wird in die Umgebung des Fahrzeugs durch die Leitung 62b oder dergleichen abgegeben. Die Verdünnungsbox 54 ist an der Leitung 64b vorgesehen.
Zum Beispiel ist das Rückschlagventil 64 eine Absperrklappe und der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 wird von der ECU 24 zum Regeln des Drucks der Luft in dem Kathodenkanal 74 gesteuert. Genauer wird, falls der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 klein wird, der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 erhöht und die Sauerstoffkonzentration pro Volumenstrom (Volumenkonzentration) wird hoch. Im Gegensatz dazu wird, falls der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 groß wird, der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 verringert und die Sauerstoffkonzentration pro Volumenstrom (Volumenkonzentration) wird niedrig.
Die Leitung 64b ist durch eine Leitung 66a, das Zirkulationsventil 66 und eine Leitung 66b mit der Leitung 60a verbunden. Somit wird ein Teil von dem Abgas (Kathodenabgas) als ein Zirkulationsgas der Leitung 60a durch die Leitung 66a, das Zirkulationsventil 66 und die Leitung 66b zugeführt. Das Zirkulationsgas wird mit der Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeugs gemischt und in die Luftpumpe 60 gesaugt.
Zum Beispiel ist das Zirkulationsventil 66 eine Absperrklappe und der Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 wird von der ECU 24 zum Regeln der Durchflussmenge des Zirkulationsgases gesteuert.
Ein Durchflussmengensensor 68 ist mit der Leitung 60b verbunden. Der Durchflussmengensensor 68 erfasst die Durchflussmenge [g/s] der in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Luft und gibt die erfasste Durchflussmenge an die ECU 24 aus. Ein Durchflussmengensensor 70 ist mit der Leitung 66b verbunden. Der Durchflussmengensensor 70 erfasst die Durchflussmenge QC [g/s] des in Richtung zu der Leitung 60a strömenden Zirkulationsgases und gibt die erfasste Durchflussmenge an die ECU 24 aus.
Ein Temperatursensor 72 ist mit der Leitung 64a verbunden. Der Temperatursensor 72 erfasst die Temperatur des Kathodenabgases und der Temperatursensor 72 gibt die erfasste Temperatur an die ECU 24 aus. Da die Temperatur des Zirkulationsgases im Wesentlichen gleich der Temperatur des Kathodenabgases ist, kann die Temperatur des Zirkulationsgases basierend auf der von dem Temperatursensor 72 erfassten Temperatur des Kathodenabgases erfasst werden.
(1-3-5. Kühlsystem)
Das Kühlsystem umfasst eine Wasserpumpe 80 und einen Kühler (Wärmestrahler) 82. Die Wasserpumpe 80 zirkuliert das Kühlwasser (Kühlmittel) und eine Ausstoßöffnung der Wasserpumpe 80 ist durch einer Leitung 80a, einen Kühlmittelkanal 84, eine Leitung 82a, den Kühler 82 und eine Leitung 82 in der angegebenen Reihenfolge mit einer Ansaugöffnung der Wasserpumpe 80 verbunden. Wenn die Wasserpumpe 80 entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 betrieben wird, wird das Kühlwasser zwischen dem Kühlmittelkanal 84 und dem Kühler 82 zum Kühlen des FC-Stapels 40 zirkuliert.
(1-3-6. Zellspannungsmonitor)
Der Zellspannungsmonitor 42 ist eine Einrichtung zum Erfassen der Zellspannung Vcell von jeder Einheitszelle des FC-Stapels 40. Der Zellspannungsmonitor 42 umfasst einen Monitorkörper und einen den Monitorkörper mit jeder Einheitszelle verbindenden Kabelbaum. Der Monitorkörper scannt alle Einheitszellen in vorbestimmten Intervallen zum Erfassen der Zellspannung Vcell von jeder Zelle und berechnet die Durchschnittszellspannung und die niedrigste Zellspannung. Dann gibt der Monitorkörper die Durchschnittszellspannung und die niedrigste Zellspannung an die ECU 24 aus.
(1-3-7. Leistungssystem)
Wie in 2 gezeigt, wird elektrische Leistung von der FC 40 (nachfolgend als die „elektrische FC-Leistung Pfc” bezeichnet) der Luftpumpe 60, der Wasserpumpe 80, der Klimaanlage 90, einem Abwärtswandler (Spannungsabwärts-DC/DC-Wandler), einer Niederspannungsbatterie 94, einem Zubehörteil 96 und der ECU 24 zusätzlich zu dem Wechselrichter 16 und dem Motor 14 (während des Leistungslaufs), dem DC/DC-Wandler 22 und der Hochspannungsbatterie 20 (während des Ladens) zugeführt. Wie in 1 gezeigt, ist eine Rückströmungsverhinderungsdiode 98 zwischen der FC-Einheit 18 (FC 40) und dem Wechselrichter 16 und dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet. Ferner wird die Leistungserzeugungsspannung der FC 40 (nachfolgend als die „FC-Spannung Vfc” bezeichnet) von einem Spannungssensor 100 (4) erfasst und der Leistungserzeugungsstrom der FC 40 (nachfolgend als der „FC-Strom Ifc” bezeichnet) wird von einem Stromsensor 102 erfasst. Die FC-Spannung Vfc und der FC-Strom Ifc werden an die ECU 24 ausgegeben.
[1-4. Hochspannungsbatterie 20]
Die Batterie 20 ist eine Energiespeichereinrichtung (Energiespeicher), die eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält. Zum Beispiel können eine Lithiumionensekundärbatterie, eine Nickelwasserstoffsekundärbatterie oder ein Kondensator als die Batterie verwendet werden. Bei der ersten Ausführungsform wird die Lithiumionensekundärbatterie verwendet. Die Ausgangsspannung [V] der Batterie 20 (nachfolgend als die „Batteriespannung Vbat” bezeichnet) wird von einem Spannungssensor 104 (2) erfasst und der Ausgangsstrom [A] der Batterie 20 (nachfolgend als der „Batteriestrom Ibat” bezeichnet) wird von dem Stromsensor 106 erfasst. Die Batteriespannung Vbat und der Batteriestrom Ibat werden an die ECU 24 ausgegeben. Die ECU 24 berechnet das verbleibende Batterielevel (Ladezustand) (nachfolgend als der „SOC” – state of charge – bezeichnet) [%] der Batterie 20 basierend auf der Batteriespannung Vbat und dem Batteriestrom Ibat.
[1-5. DC/DC-Wandler 22]
Der DC/DC-Wandler 22 steuert Ziele, denen die elektrische FC-Leistung Pfc von der FC-Einheit 18, die von der Batterie 20 zugeführte elektrische Leistung [W] (nachfolgend als die „elektrische Batterie-Leistung Pbat” bezeichnet) und die regenerative elektrische Leistung Preg von dem Motor 14 zugeführt werden.
4 zeigt Details des DC/DC-Wandlers 22 bei der ersten Ausführungsform. Wie in 4 gezeigt, ist eine Seite des DC/DC-Wandlers 22 mit der Primärseite IS verbunden, wo die Batterie 20 vorgesehen ist, und ist die andere Seite des DC/DC-Wandlers 22 mit der Sekundärseite 2S verbunden, die Verbindungsstellen zwischen dem Verbraucher 30 und der FC 40 ist.
Der DC/DC-Wandler 22 ist ein Aufwärts-/Abwärtsgleichspannungssteller zum Erhöhen der Spannung auf der Primärseite IS (Primärspannung V1) [V] auf die Spannung auf der Sekundärseite 2S (Sekundärspannung V2) [V] (V1 ≤ V2) und zum Absenken der Sekundärspannung V2 auf die Primärspannung V1.
Wie in 4 gezeigt, umfasst der DC/DC-Wandler 22 einen Phasenarm UA, der zwischen der Primärseite 1S und der Sekundärseite 2S angeordnet ist, und einen Reaktor 110.
Der Phasenarm UA umfasst ein oberes Armelement (ein oberes Schaltelement 112 und eine Diode 114) und ein unteres Armelement (ein unteres Schaltelement 116 und eine Diode 118). Zum Beispiel wird ein MOSFET, IGBT oder dergleichen in sowohl dem oberen Armschaltelement 112 als auch in dem unteren Armschaltelement 116 eingesetzt.
Der Reaktor 110 ist zwischen dem Mittelpunkt (gemeinsamen Verbindungspunkt) des Phasenarms UA und der positiven Elektrode der Batterie 20 angeordnet. Der Reaktor 110 wird zum Abgeben und Sammeln von Energie während einer Spannungswandlung zwischen der Primärspannung V1 und der Sekundärspannung V2 durch den DC/DC-Wandler 22 betrieben.
Das obere Armschaltelement 112 wird angeschaltet, wenn ein hohes Level eines Gateantriebssignals (Antriebsspannung) UH von der ECU 24 ausgegeben wird, und das untere Armschaltelement 116 wird angeschaltet, wenn ein hohes Level eines Gateantriebssignals (Antriebsspannung) UL von der ECU 24 ausgegeben wird.
Die ECU 24 erfasst die Primärspannung V1 durch einen Spannungssensor 120, der parallel zu einem Glättungskondensator 122 auf der Primärseite vorgesehen ist, und erfasst einen elektrischen Strom auf der Primärseite (Primärstrom I1) [A] durch einen Stromsensor 124. Ferner erfasst die ECU 24 die Sekundärspannung V2 durch einen Spannungssensor 126, der parallel zu dem Glättungskondensator 128 auf der Sekundärseite vorgesehen ist, und erfasst einen elektrischen Strom auf der Sekundärseite (Sekundärstrom 12) [A] durch einen Stromsensor 130.
[1-6. ECU 24]
Die ECU 24 steuert den Motor 14, den Wechselrichter 16, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22 durch eine Kommunikationsleitung 140 (siehe z. B. 1). Zum Implementieren der Steuerung werden in einem Speicher (ROM) gespeicherte Programme ausgeführt und werden Erfassungswerte verwendet, die von verschiedenen Sensoren erhalten werden, wie beispielsweise dem Zellspannungsmonitor 42, den Durchflussmengensensoren 68, 70, dem Temperatursensor 72, den Spannungssensoren 100, 104, 120, 126 und den Stromsensoren 102, 106, 124, 130.
Zusätzlich zu den obigen Sensoren umfassen verschiedene Sensoren hier einen Öffnungsgradsensor 150 und einen Motordrehzahlsensor 152 (1) Der Öffnungsgradsensor 150 erfasst den Öffnungsgrad Θp [Grad] eines Beschleunigungspedals 156 und der Drehzahlsensor 152 erfasst die Drehzahl Nm [Upm] des Motors 14. Die ECU 24 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit V [km/h] des FC-Fahrzeugs 10 basierend auf der Drehzahl Nm. Ferner ist ein Hauptschalter 158 (nachfolgend als der „Haupt-SW 158” bezeichnet) mit der ECU 24 verbunden. Der Haupt-SW 158 schaltet zwischen Zufuhr und Nicht-Zufuhr der elektrischen Leistung von der FC-Einheit 18 und der Batterie 20 zu dem Motor 14. Dieser Haupt-SW 158 kann von einem Bediener betätigt werden.
Die ECU 24 umfasst einen Mikrocomputer. Ferner weist die ECU 24, sofern erforderlich, einen Taktgeber und Eingabe-/Ausgabeschnittstellen auf, wie beispielsweise einen A/D-Wandler und einen D/A-Wandler. Die ECU 24 kann lediglich eine einzige ECU aufweisen. Alternativ kann die ECU 24 eine Mehrzahl von ECUs für sowohl den Motor 14, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 als auch den DC/DC-Wandler 22 aufweisen.
Nachdem die von dem FC-System 12 benötigte Leistungsabgabe, d. h. die von dem FC-Fahrzeug 10 insgesamt benötigte Leistungsabgabe, basierend auf dem Zustand des FC-Stapels 40, dem Zustand der Batterie 20 und dem Zustand des Motors 14 und auch basierend auf Eingaben (Leistungsabgabeanforderungen) von verschiedenen Schaltern und verschiedenen Sensoren bestimmt wird, bestimmt die ECU 24 eine Bereitstellung (Anteile) von Leistungsabgaben durch Einstellung und bestimmt genauer einen guten Ausgleich zwischen einer Leistungsabgabe, die dem FC-Stapel 40 zugeordnet werden sollte, einer Leistungsabgabe, die der Batterie 20 zugeordnet werden sollte, und einer Leistungsabgabe, die der regenerativen Leistungszufuhr (Motor 14) zugeordnet werden sollte, und sendet an den Motor 14, den Wechselrichter 16, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22 Anweisungen.
2. Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform
Als nächstes wird die Steuerung in der ECU 24 beschrieben.
[2-1. Basissteuerung]
5 ist ein Fließdiagramm, das die Basissteuerung in der ECU 24 zeigt. In Schritt S1 bestimmt die ECU 24, ob der Haupt-SW 158 in einem AN-Zustand ist, oder nicht. Falls der Haupt-SW 158 nicht in dem AN-Zustand ist (S1: NEIN), wird Schritt S1 wiederholt. Falls der Haupt-SW 158 in dem AN-Zustand ist (S1: JA), schreitet die Steuerung zu Schritt S2 fort. In Schritt S2 berechnet die ECU 24 die von dem FC-System 12 benötigte Leistungsabgabe (Systemleistungsabgabe Psys) [W].
In Schritt S3 führt die ECU 24 ein Energiemanagement des FC-Systems 12 durch. Das Energiemanagement soll hier eine Degradation des FC-Stapels 40 unterbinden und den Wirkungsgrad der Ausgabe des gesamten FC-Systems 12 erhöhen.
In Schritt S4 implementiert die ECU 24 eine Steuerung für Peripherieeinrichtungen des FC-Stapels 40, d. h. die Luftpumpe 60, das Rückschlagventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80 (FC-Leistungserzeugungssteuerung). In Schritt S5 implementiert die ECU 24 eine Drehmomentsteuerung des Motors 14.
In Schritt S6 bestimmt die ECU 24, ob der Haupt-SW 158 in einem AUS-Zustand ist oder nicht. Falls der Haupt-SW 158 nicht in dem AUS-Zustand ist (S6: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S2 zurück. Falls der Haupt-SW 158 in dem AN-Zustand ist (S6: JA), wird der momentane Prozess beendet.
[2-2. Berechnung der Systemleistungsabgabe Psys]
6 ist ein Fließdiagramm zum Berechnen der Systemleistungsabgabe Psys. In Schritt S11 liest die ECU 24 den Öffnungsgrad Θp des Beschleunigungspedals 156 aus dem Öffnungsgradsensor 150. In Schritt S12 liest die ECU 24 die Drehzahl Nm [Upm] des Motors 14 aus dem Drehzahlsensor 152.
In Schritt S13 berechnet die ECU 24 die von dem Motor 14 verbrauchte geschätzte elektrische Leistung Pm [W] basierend auf dem Öffnungsgrad Θp und der Drehzahl Nm. Insbesondere ist in einem Kennfeld, das in 7 gezeigt ist, die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der geschätzten verbrauchten Energie Pm für jeden Öffnungsgrad Θp gespeichert. Zum Beispiel wird in dem Fall, in dem der Öffnungsgrad Θp Θp1 ist, eine Kennlinie 160 verwendet. Ähnlich werden in den Fällen, in denen der Öffnungsgrad Θp Θp2, Θp3, Θp4, Θp5 und Θp6 ist, jeweils die Kennlinien 162, 164, 166, 168 und 170 verwendet. Nachdem die Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der verbrauchten elektrischen Leistung Pm anzeigt, basierend auf dem Öffnungsgrad Θp bestimmt ist, wird basierend auf der bestimmten Kennlinie die geschätzte verbrauchte Energie Pm entsprechend der Drehzahl Nm bestimmt.
In Schritt S14 liest die ECU 24 Daten der momentanen Betriebszustände aus Hilfseinrichtungen aus. Zum Beispiel umfassen die Hilfseinrichtungen hier Hilfseinrichtungen, die mit Hochspannung betrieben werden, wie beispielsweise die Luftpumpe 60, die Wasserpumpe 80 und die Klimaanlage 90, und Hilfseinrichtungen, die mit Niederspannung betrieben werden, wie beispielsweise die Niederspannungsbatterie 94, das Zubehörteil 96 und die ECU 24. Zum Beispiel wird in Bezug auf den Betriebszustand der Luftpumpe 60 die Drehzahl der Luftpumpe 60 (nachfolgend als die „Luftpumpendrehzahl Nap” oder die „Drehzahl Nap” bezeichnet) [Upm] ausgelesen. In Bezug auf den Betriebszustand der Wasserpumpe 80 wird die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (nachfolgend als die „Wasserpumpendrehzahl Nwp” oder die „Drehzahl Nwp” bezeichnet) [Upm] ausgelesen. In Bezug auf den Betriebszustand der Klimaanlage 90 werden Ausgabeeinstellungen der Klimaanlage 90 ausgelesen.
In Schritt 15 berechnet die ECU 24 die von den Hilfseinrichtungen verbrauchte elektrische Leistung Pa [W] in Abhängigkeit von den momentanen Betriebszuständen der Hilfseinrichtungen. In Schritt S16 berechnet die ECU 24 den Lade-/Entladekoeffizienten α. Der Lade-/Entladekoeffizienten α ist ein Koeffizient, mit dem die Summe (vorläufige Systemleistungsabgabe) der von dem Motor 14 verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung Pm und der von den Hilfseinrichtungen elektrischen Leistung Pa multipliziert wird. Der Lade-/Entladekoeffizienten α wird in Abhängigkeit von dem SOC der Batterie 20 und einem Durchschnittswert der regenerativen elektrischen Leistung Preg des Motors 14 (nachfolgend als die „durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave” bezeichnet) bestimmt. Die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave ist ein Durchschnittswert der regenerativen elektrischen Leistung Preg, der innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums erhalten wird.
8 ist ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem SOC, dem Lade-/Entladekoeffizienten α und der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung Pregave zeigt. In einem Beispiel der 8 ist der Soll-SOC 50%. Wenn der SOC 50% übersteigt (wenn die Batterie 20 in einem ausreichend geladenen Zustand ist), wird der Lade-/Entladekoeffizienten α festgelegt, dass er kleiner als 1 ist. Somit wird durch Multiplizieren der vorläufigen Systemleistungsabgabe Psys mit einem Multiplikationsfaktor kleiner als 1 die Systemleistungsabgabe klein gemacht und dann wird es möglich, die überschüssige elektrische Leistung der Batterie 20 zu verbrauchen. Wenn ferner der SOC weniger als 50% ist (wenn ein Aufladen erforderlich ist), wird der Lade-/Entladekoeffizient α festgelegt, dass er größer als 1 ist. Somit wird durch Multiplizieren der vorläufigen Systemleistungsabgabe mit einem Multiplikationsfaktor größer als 1 die Systemleistungsabgabe Psys groß gemacht und dann wird es möglich, den Mangel des SOC zu kompensieren. Wie in 8 gezeigt, ist in einem Bereich um 50% des SOC eine Totzone vorgesehen, in der der Lade-/Entladekoeffizient α 1 ist.
Ferner wird in dem Beispiel der 8 die Beziehung zwischen dem SOC und dem Lade-/Entladekoeffizienten α in Abhängigkeit von der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung Pregave umgeschaltet. Das heißt, wie in gezeigt 8, falls die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave niedrig ist (d. h., in einer Umgebung, in der es schwierig ist, die regenerative elektrische Leistung Preg zu erhalten), da es wahrscheinlich ist, dass die regenerative elektrische Leistung Preg nicht ausreichend ist, wird in einem Bereich, in dem der SOC 50% übersteigt, der Lade-/Entladekoeffizient α relativ erhöht und in einem Bereich, in dem der SOC weniger als 50% ist, wird der Lade-/Entladekoeffizient α auf einen Wert entfernt von 1 geändert. Falls die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave hoch ist (d. h., in einer Umgebung, in der es leicht ist, die regenerative elektrische Leistung Preg zu erhalten), da es wahrscheinlich ist, dass die größere regenerative elektrische Leistung Preg verfügbar ist, wird in einem Bereich, in dem SOC 50% übersteigt der Lade-/Entladekoeffizient α relativ verringert, und in einem Bereich, in dem der SOC weniger als 50%, wird der Lade-/Entladekoeffizient α auf einen Wert, der nahe bei 1 liegt, verändert. Der Soll-SOC kann auf einen anderen Wert als 50% festgelegt werden. Ferner können gemessene Werte oder simulierte Werte in dem Kennfeld der 8 verwendet werden.
Mit Rückbezug auf 6 multipliziert in Schritt S17 die ECU 24 die Summe (vorläufige Systemleistungsabgabe) der von dem Motor 14 verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung Pm und der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa mit dem Lade-/Entladekoeffizienten α, um die geschätzte verbrauchte elektrische Leistung in dem gesamten FC-Fahrzeug 10 zu berechnen (d. h. die Systemleistungsabgabe).
[2-3. Energiemanagement]
Wie oben beschrieben, soll das Energiemanagement bei der ersten Ausführungsform den Wirkungsgrad bei der Ausgabe des gesamten FC-Systems 12 verbessern, während die Degradation des FC-Stapels 40 unterbunden wird.
(2-3-1. Voraussetzung)
9 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Spannung der FC-Zelle des FC-Stapels 40 (Zellspannung Vcell) [V] und der Degradation D der Zelle. Das heißt, eine Kurve 180 in 9 zeigt die Beziehung zwischen der Zellspannung Vcell und der Degradation D.
In 9 schreitet in einem Bereich unterhalb des elektrischen Potenzials v1 (z. B. 0,5 V) eine Reduktionsreaktion von Platin (oxidiertes Platin) in der FC-Zelle stark fort und eine Aggregation von Platin tritt übermäßig auf (nachfolgend als der „Platinaggregationszunahmebereich R1” oder der „Aggregationszunahmebereich R1” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v1 bis zu dem elektrischen Potenzial v2 (z. B. 0,8 V) schreitet eine Reduktionsreaktion stabil fort (nachfolgend als der „Platinreduktionsbereich R2” oder der „Reduktionsbereich R2” bezeichnet).
In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v2 bis zu dem elektrischen Potenzial v3 (z. B. 0,9 V) schreitet eine Redoxreaktion fort (nachfolgend als der „Platinoxidationsreduktionsfortschrittsbereich R3” oder der „Oxidationsreduktionsbereich R3” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v3 bis zu dem elektrischen Potenzial v4 (z. B. 0,95 V) schreitet eine Oxidationsreaktion von Platin stabil fort (nachfolgend las der „stabile Platinoxidationsbereich R4” oder der „Oxidationsbereich R4” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v4 bis zu OCV (Leerlaufspannung – open circuit voltage) schreitet eine Oxidation von Kohlenstoff in der Zelle fort (nachfolgend als der „Kohlenstoffoxidationsbereich R5” bezeichnet).
Wie oben beschrieben, tritt in 9, falls die Zellspannung Vcell in dem Platinreduktionsbereich R2 oder in dem stabilen Platinoxidationsbereich R4 ist, eine Degradation der FC-Zelle in einem geringeren Umfang im Vergleich zu den Nachbarbereichen auf. Im Gegensatz dazu tritt, falls die Zellspannung Vcell in dem Platinaggregationserhöhungsbereich R1, in dem Platinoxidationsreduktionsfortschrittbereich R3 oder in dem Kohlenstoffoxidationsbereich R5 ist, eine Degradation der FC-Zelle in einem größeren Umfang im Vergleich zu den Nachbarbereichen auf.
In 9 wird auf den ersten Blick eine Kurve 180 einmalig bestimmt. In der Praxis jedoch schwankt die Kurve 180 in Abhängigkeit von der Schwankung der Zellspannung Vcell (schwankende Geschwindigkeit Acell) [V/sec] pro Zeiteinheit.
10 ist ein zyklisches Voltametriediagramm, das ein Beispiel des Fortschritts der Oxidation und des Fortschritts der Reduktion in den Fällen verschiedener schwankender Geschwindigkeiten Acell zeigt. In 10 zeigt eine Kurve 190 einen Fall, in dem die schwankende Geschwindigkeit Acell hoch ist, und eine Kurve 192 zeigt einen Fall, in dem die schwankende Geschwindigkeit Acell niedrig ist. Wie aus 10 gesehen werden kann, können, da das Ausmaß des Fortschritts der Oxidation und der Reduktion in Abhängigkeit von der schwankenden Geschwindigkeit Acell schwankt, die elektrischen Potenziale v1 bis v4 nicht zwangsläufig einmalig bestimmt werden. Ferner können sich die elektrischen Potenziale v1 bis v4 in Abhängigkeit von der individuellen Differenz in der FC-Zelle ändern. Daher sollten bevorzugt die elektrischen Potenziale v1 bis v4 auf die theoretischen Werte, Simulationswerte oder gemessene Werte festgelegt werden, wobei die Fehler berücksichtigt werden.
Ferner wird in der Strom-Spannungs-(IV)-Kennlinie der FC-Zelle wie in dem Fall normaler Brennstoffzellen, wenn die Zellspannung Vcell abnimmt, der Zellstrom Icell [A] erhöht (siehe 11). Zusätzlich wird die Leistungserzeugungsspannung (FC-Spannung Vfc) des FC-Stapels 40 durch Multiplizieren der Zellspannung Vcell mit der Reihenverbindungsanzahl Nfc in dem FC-Stapel 40 erhalten. Die Reihenverbindungsanzahl Nfc gibt die Anzahl der FC-Zellen an, die in Reihe in dem FC-Stapel 40 verbunden sind. Die Reihenverbindungsanzahl Nfc wird auch einfach als die „Zellanzahl” bezeichnet.
Angesichts des obigen wird bei der ersten Ausführungsform während eines Spannungswandlungsbetriebs des DC/DC-Wandlers 22 die Soll-Spannung (Soll-FC-Spannung Vfctgt) des FC-Stapels 40 hauptsächlich innerhalb des Platinreduktionsbereichs R2 festgelegt und, falls erforderlich, innerhalb des stabilen Platinoxidationsbereichs R4 (bestimmte Beispiele werden mit Bezugnahme auf z. B. 12 beschrieben). Durch Umschalten der Soll-FC-Spannung Vfctgt auf diese Weise kann die Zeit, in der die FC-Spannung Vfc in den Bereichen R1, R3 und R5 (und insbesondere in dem Platinoxidationsreduktionsfortschrittsbereich R3) ist, so weit wie möglich reduziert werden, wodurch eine Degradation des FC-Stapels 40 verhindert werden kann.
In dem obigen Prozess kann die von dem FC-Stapel 40 gelieferte elektrische Leistung (elektrische FC-Leistung Pfc) nicht gleich der Systemleistungsabgabe Psys sein. In dieser Hinsicht wird, falls die elektrische FC-Leistung Pfc geringer als die Systemleistungsabgabe Psys ist, die elektrische Leistung für den Mangel von der Batterie 20 geliefert. Falls ferner die elektrische FC-Leistung Pfc die Systemleistungsabgabe Psys überschreitet, wird die Batterie 20 mit der überschüssigen elektrischen Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc geladen.
In 9 sind die elektrischen Potenziale v1 bis v4 als bestimmte numerische Werte zum Implementieren der Steuerung angegeben, wie später beschrieben wird. Die numerischen Werte werden lediglich zur Vereinfachung der Steuerung bestimmt. Anders ausgedrückt, wie aus der Kurve 180 gesehen werden kann, da sich eine Degradation D kontinuierlich ändert, können die elektrischen Potenziale v1 bis v4 geeignet in Abhängigkeit von der Spezifikation der Steuerung bestimmt werden.
Der Platinreduktionsbereich R2 umfasst einen Minimalwert der Kurve 180 (erster Minimalwert Vlmi1). Der Platinoxidationsreduktionsfortschrittsbereich R3 umfasst einen Maximalwert der Kurve 180 (Maximalwert Vlmx). Der stabile Platinoxidationsbereich R4 umfasst einen anderen Minimalwert (zweiter Minimalwert Vlmi2) der Kurve 180.
(2-3-2. Leistungszufuhrmodi, die bei dem Energiemanagement verwendet werden)
11 ist eine Kurve, die eine Mehrzahl von Leistungszufuhrmodi bei der ersten Ausführungsform zeigt. Bei der ersten Ausführungsform werden vier Steuerungsverfahren (Leistungssteuerungsmodi) zum Steuern der Leistungszufuhr (Zufuhr von elektrischer Leistung) bei dem Energiemanagement verwendet. Das heißt, bei der ersten Ausführungsform wird ein Umschalten zwischen einem ersten Normalmodus und einem zweiten Normalmodus, die bei einem normalen Fahren (Fahren in anderen Modi als Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodi) verwendet werden, und einem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus und einem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus durchgeführt, die als die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodi der FC 40 verwendet werden. In den Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodi wird, wenn der Haupt-SW 158 (1) in dem AN-Zustand ist, eine aktive Leistungserzeugung in der FC 40 angehalten. Die aktive Leistungserzeugung bedeutet hier eine Leistungserzeugung der FC 40 basierend auf Anweisungen von der ECU 24 und umfasst nicht eine Leistungserzeugung, die das restliche Gas verbraucht. Zum Beispiel wird in den Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodi die Leistungserzeugung auf einem Level unterhalb der unteren Grenzleistungserzeugungsmenge während einer normalen Leistungserzeugung (unterer Grenzwert des Steuerungsbereichs der Leistungserzeugungsmenge) durchgeführt oder die Leistungserzeugung wird angehalten.
Der erste Normalmodus wird hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, in dem die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt festgesetzt ist (oder Sauerstoff in einem fetten Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt zum Steuern des FC-Stroms Ifc eingestellt. Auf diese Weise kann grundsätzlich die Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt werden.
Der zweite Normalmodus wird hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) wird auf eine elektrisches Bezugspotenzial festgesetzt (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)), das gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel, wodurch der elektrische FC-Strom Ifc variable gemacht wird. Auf diese Weise wird es grundsätzlich möglich, die Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abzudecken (wie später ausführlich beschrieben wird). Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt.
Der erste Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus wird hauptsächlich in dem Fall verwendet, in dem ein Batterieladen in dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus erforderlich ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) wird auf ein elektrisches Potenzial festgesetzt (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V)), das das elektrische Potenzial des Oxidationsreduktionsbereichs R3 oder mehr ist, und der elektrische FC-Strom Ifc wird konstant gehalten. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt und überschüssige elektrische Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc wird zum Laden der Batterie 20 verwendet.
Der zweite Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus wird hauptsächlich in dem Fall verwendet, in dem ein Laden der Batterie 20 in dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus nicht erforderlich ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) wird auf ein elektrisches Potenzial (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V)) festgesetzt, das das elektrische Potenzial des Oxidationsreduktionsbereichs R3 oder mehr ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel, wodurch der elektrische FC-Strom Ifc variabel gemacht wird. Somit kann grundsätzlich die elektrische FC-Leistung Pfc entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys geändert werden (Details davon werden später beschrieben). Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt und überschüssige elektrische Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc wird zum Laden der Batterie 20 verwendet.
(2-3-3. Übersicht über das Energiemanagement)
12 ist ein Fließdiagramm, in dem die ECU 24 das Energiemanagement (S3 der 5) des FC-Systems 12 bei der ersten Ausführungsform durchführt. In Schritt S21 bestimmt die ECU 24, ob der Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus ausgewählt werden sollte oder nicht. Genauer bestimmt die ECU 24 als eine Bedingung des Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit V gleich oder weniger als ein Schwellwert THV1 ist oder nicht und ob die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder weniger als ein Schwellwert THPsys1 ist oder nicht.
Der Schwellwert THV1 ist ein Schwellwert, der zum Bestimmen verwendet wird, ob es erforderlich ist, in den Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus zu schalten oder nicht (zum Beispiel ein bestimmter Wert in dem Bereich von 0 < THV1 ≤ 20 km/s). Der Schwellwert THPsys1 ist ein Schwellwert, der zum Bestimmen verwendet wird, ob die Systemleistungsabgabe Psys klein genug ist oder nicht, um den Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus auszuwählen. Falls die Fahrzeuggeschwindigkeit V mehr als der Schwellwert THV1 ist oder falls die Systemleistungsabgabe Psys mehr als der Schwellwert THPsys1 ist (S21: NEIN), schreitet der Prozess zu Schritt S22 fort.
In Schritt S22 bestimmt die ECU 24, ob die Systemleistungsabgabe Psys einen Schwellwert THPsys2 überschreitet oder nicht, zum Bestimmen, ob die Systemleistungsabgabe Psys hoch ist oder nicht. Falls die Systemleistungsabgabe Psys den Schwellwert THPsys2 überschreitet (S22: JA), führt die ECU 24 in Schritt S23 den ersten Normalmodus durch (implementiert eine Steuerung mit variabler Spannung/variablem Strom). In Schritt S22 führt in dem Fall, in dem die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder weniger als der Schwellwert THPsys2 ist (S22: NEIN), die ECU 24 in Schritt S24 den zweiten Normalmodus durch (implementiert eine Steuerung mit festgesetzter Spannung/variablem Strom).
In Schritt S21 bestimmt in dem Fall, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit V gleich oder weniger als der Schwellwert THV1 ist und die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder weniger als der Schwellwert THPsys1 ist (S21: JA), die ECU 24 in Schritt S25, ob der SOC der Batterie 20 gleich oder weniger als der Schwellwert THSOC1 ist oder nicht, zum Bestimmen, ob ein Laden der Batterie 20 erforderlich ist oder nicht. Falls der SOC gleich oder weniger als der Schwellwert THSOC1 ist (S25: JA), wählt die ECU 24 in Schritt S26 den ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus aus (Steuerung mit festgesetzter Spannung/festgesetztem Strom). Falls der SOC mehr als der Schwellwert THSOC1 ist (S25: NEIN), führt die ECU 24 in Schritt S27 den zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus durch (Steuerung mit festgesetzter Spannung/variablem Strom).
(2-3-4. Erster Normalmodus)
Wie oben beschrieben, wird der erste Normalmodus hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, in dem die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt festgesetzt ist (oder Sauerstoff in einem fetten Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt zum Steuern des FC-stroms Ifc eingestellt.
Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem ersten Normalmodus wird eine normale Strom-Spannungs-Kennlinie einer FC 40 (I–V-Kennlinie, die durch eine durchgezogene Linie in 11 angegeben ist) verwendet. Wie in dem Fall der normalen Brennstoffzelle wird in der I–V-Kennlinie der FC 40, wenn die Zellspannung Vcell (FC-Spannung Vfc) abnimmt, der Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) erhöht. Somit wird in dem ersten Normalmodus der Soll-FC-Strom Ifctgt in Abhängigkeit von der Systemleistungsabgabe Psys berechnet und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifcftgt berechnet. Die ECU 24 steuert den DC/DC-Wandler 22 derart, dass die FC-Spannung Vfc auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt wird. Das heißt, die Primärspannung V1 wird von dem DC/DC-Wandler 22 derart angehoben, dass die Sekundärspannung auf die Soll-FC-Spannung Vfcftgt eingestellt wird, wodurch die FC-Spannung Vfc gesteuert wird und der FC-Strom Ifc gesteuert wird. Der zweite Normalmodus, der erste Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus und der zweite Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus sind die gleichen dahingehend, dass die Primärspannung V1 von dem DC/DC-Wandler 22 derart angehoben wird, dass die Sekundärspannung V2 auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt wird.
Der Ausdruck „Sauerstoff ist in einem fetten Zustand” bedeutet, dass Sauerstoff in einem Zustand ist, in dem, wie zum Beispiel in 13 gezeigt, der Zellstrom Icell auf einem konstanten Level selbst dann gehalten wird, falls das stöchiometrische Verhältnis der Kathode erhöht wird. In diesem Zustand liegt Sauerstoff in dem normalen stöchiometrischen Verhältnis oder mehr vor, in dem Sauerstoff im Wesentlichen gesättigt ist. Die Bedeutung des Ausdrucks „Wasserstoff ist in einem fetten Zustand” kann in der gleichen Weise verstanden werden. Das stöchiometrische Verhältnis der Kathode bedeutet hier die Durchflussmenge der dem Kathodenkanal 74 zugeführten Luft/die Durchflussmenge der durch die Leistungserzeugung in der FC 40 verbrauchten Luft und bezieht sich im engeren Sinne auf die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenkanal 74. Das stöchiometrische Verhältnis der Kathode wird z. B. durch Steuern der Sauerstoffkonzentration eingestellt.
In dem ersten Normalmodus kann, wie oben beschrieben, selbst dann, wenn die Systemleistungsabgabe Psys hoch ist, grundsätzlich die gesamte Systemleistungsabgabe mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt werden.
(2-3-5. Zweiter Normalmodus)
Wie oben beschrieben, wird der zweite Normalmodus hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) ist auf ein elektrisches Bezugspotenzial (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)) festgesetzt, das gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel. Somit ist der FC-Strom variabel.
Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem zweiten Normalmodus wird, während die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, die Sauerstoffkonzentration Co durch Verringern der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt verringert. Wie in 13 gezeigt, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Kathode (Sauerstoffkonzentration Co) verringert wird, wird der Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) entsprechend verringert. Daher wird es in dem Zustand, in dem die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, durch Erhöhen oder Verringern der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt möglich, den Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) und die elektrische FC-Leistung Pfc zu steuern. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt.
14 ist ein Fließdiagramm, das den zweiten Normalmodus zeigt. In Schritt S31 setzt die ECU 24 die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf ein elektrisches Bezugspotenzial (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)) × Zellanzahl durch Einstellen der Spannungsanhebungsgeschwindigkeit des DC/DC-Wandlers 22 fest, wobei das elektrische Bezugspotenzial festgelegt wird, dass es gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist. In Schritt S32 berechnet die ECU 24 den Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys.
In Schritt S33 berechnet die ECU 24 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt unter der Voraussetzung, dass die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf dem elektrischen Bezugspotenzial ist (siehe 11 und 15). 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom Ifctgt und der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt, wenn die FC-Spannung Vfc bei dem elektrischen Bezugspotenzial ist.
In Schritt S34 berechnet und sendet die ECU 24 in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt Anweisungswerte an die jeweiligen Bauteile. Die Anweisungswerte umfassen hier die Drehzahl der Luftpumpe 60 (Luftpumpendrehzahl Nap), die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (Wasserpumpendrehzahl Nwp), den Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 (nachfolgend als der „Rückschlagventilöffnungsgrad Θbp” oder der „Öffnungsgrad Θbp” bezeichnet) und den Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 (nachfolgend als der „Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc” oder der „Öffnungsgrad Θc” bezeichnet).
Das heißt, wie in 16 und 17 gezeigt, die Sollluftpumpendrehzahl Naptgt, die Sollwasserpumpendrehzahl Nwptgt und der Sollrückschlagventilöffnungsgrad Θbptgt werden in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt (oder dem Soll-FC-Strom Ifctgt) bestimmt. Ferner wird der Sollöffnungsgrad Θctgt des Zirkulationsventils 66 auf einen Anfangswert festgelegt (Öffnungsgrad, bei dem kein Zirkulationsgas vorliegt).
In Schritt S35 bestimmt die ECU 24, ob die Leistungserzeugung durch die FC 40 stabil durchgeführt wird oder nicht. Bei der Bestimmung bestimmt, falls die von dem Zellspannungsmonitor 42 eingegebene niedrigste Zellspannung niedriger als die durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von der Durchschnittszellspannung (niedrigste Zellspannung < (Durchschnittszellspannung – vorbestimmte Spannung)) erhaltene Spannung ist, die ECU 24, dass die Leistungserzeugung der FC 40 nicht stabil ist. Zum Beispiel können experimentelle Werte, Simulationswerte oder dergleichen als die vorbestimmte Spannung verwendet werden.
Falls die Leistungserzeugung stabil ist (S35: JA), wird der momentane Prozess beendet. Falls die Leistungserzeugung nicht stabil ist (S35: NEIN), überwacht die ECU 24 in Schritt S36 die Durchflussmenge Qc [g/s] des Zirkulationsgases durch den Durchflussmengensensor 70, erhöht den Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 und erhöht die Durchflussmenge Qc um eine Stufe (siehe 18). Der Umfang der Erhöhung des Zirkulationsgases in jeder Stufe wird nach Bedarf bestimmt. 18 zeigt einen Fall, in dem, wenn das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist, die Durchflussmenge Qc auf die vierte Stufe auf die maximale Durchflussmenge erhöht wird.
Wenn der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 erhöht wird, wird in dem Ansauggas, das in die Luftpumpe 60 gesaugt wird, der Anteil des Zirkulationsgases erhöht. Das heißt, in dem Ansauggas wird der Anteil des Zirkulationsgases in dem Verhältnis zwischen der Frischluft (aus der Umgebung des Fahrzeugs angesaugte Luft) und dem Zirkulationsgas erhöht. Daher wird eine Verbesserung bei der Fähigkeit zum Verteilen von Sauerstoff auf alle Einheitszellen erreicht. Die Sauerstoffkonzentration des Zirkulationsgases (Kathodenabgas) ist niedrig im Vergleich zu der Sauerstoffkonzentration der Frischluft. Falls daher die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und der Öffnungsgrad Θbp des Rückschlagventils 64 die gleichen vor und nach der Steuerung des Öffnungsgrads Θc des Zirkulationsventils 66 sind, wird die Sauerstoffkonzentration des durch den Kathodenkanal 74 strömenden Gases verringert.
Somit wird in Schritt S36 vorzugsweise zumindest die Steuerung zum Erhöhen der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 oder die Steuerung zum Verringern des Öffnungsgrads Θbp des Rückschlagventils 64 in Verbindung mit der Erhöhung der Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases derart implementiert, dass die in Schritt S33 berechnete Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird.
Zum Beispiel wird es in dem Fall bevorzugt, in dem die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases erhöht wird, die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 zu erhöhen, wodurch die Durchflussmenge der Frischluft erhöht wird. Durch diesen Vorgang wird, da die Durchflussmenge des in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Gases (gemischtes Gas aus der Frischluft und dem Zirkulationsgas) insgesamt erhöht wird, eine weitere Verbesserung der Fähigkeit zum Verteilen von Sauerstoff auf alle Einheitszellen erreicht und die Leistungserzeugungsleistung der FC 40 kann leicht wieder hergestellt werden.
Auf diese Weise wird, da das Zirkulationsgas mit der Frischluft gemischt wird, während die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird, der Volumenstrom (L/s) des durch den Kathodenkanal 74 strömenden Gases erhöht. Somit kann, da der Volumenstrom des Gases erhöht wird, während die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird, das Gas sanft auf den gesamten Kathodenkanal 74 verteilt werden, der in der FC 40 in einer komplizierten Weise ausgebildet ist. Das Gas kann auch leicht jeder Einheitszelle zugeführt werden und eine instabile Leistungserzeugung der FC 40 kann leicht vermieden werden. Ferner können Wassertropfen (z. B. kondensiertes Wasser), das an Oberflächen von MEAs (Membran-Elektroden-Anordnungen – membrane electrode assemblies) oder Wandflächen, die den Kathodenkanal 74 umgeben, anhaften, leicht entfernt werden.
In schritt S37 bestimmt die ECU 24, ob die von dem Durchflussmengensensor 70 erfasste Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases gleich oder mehr als der obere Grenzwert ist. Der obere Grenzwert, der als das Bestimmungskriterium dient, wird auf einen Wert festgelegt, bei dem der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 vollständig geöffnet ist.
In diesem Fall wird selbst dann, wenn in einem Fall, in dem sich der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 nicht ändert, falls die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 erhöht wird, die von dem Durchflussmengensensor 70 erfasste Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases erhöht. Daher steht vorzugsweise der obere Grenzwert in Verbindung mit der Luftpumpendrehzahl Nap, das heißt, falls die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 hoch wird, wird der obere Grenzwert erhöht.
Falls bestimmt wird, dass die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases weniger ist als der obere Grenzwert (S37: NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt S35 zurück. Falls bestimmt wird, dass die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases gleich oder mehr ist als der obere Grenzwert (S37: JA), schreitet der Prozess zu Schritt S38 fort.
In den Schritten S36 und S37 wird der Prozess basierend auf der direkt von dem Durchflussmengensensor 70 erfassten Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases ausgeführt. Alternativ kann der Prozess basierend auf dem Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc ausgeführt werden. Das heißt, in Schritt S36 kann der Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc in Schrittgrößen einer Stufe (z. B. 30°) erhöht werden und in Schritt S37 kann, falls das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist (S37: JA), der Prozess zu Schritt S38 weitergehen.
Ferner kann in diesem Fall die Durchflussmenge Qc [g/s] des Zirkulationsgases basierend auf dem Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66, der Temperatur des Zirkulationsgases und dem Kennfeld in 19 berechnet werden. In der in 19 gezeigten Beziehung wird, wenn die Temperatur des Zirkulationsgases ansteigt, die Dichte des Zirkulationsgases niedrig und somit wird die Durchflussmenge Qc [g/s] niedrig.
In Schritt S38 bestimmt die ECU 24 in der gleichen Weise wie Schritt S35, ob die Leistungserzeugung stabil durchgeführt wird oder nicht. Falls die Leistungserzeugung stabil durchgeführt wird (S38: JA), wird der momentane Prozess beendet. Falls die Leistungserzeugung nicht stabil durchgeführt wird (S38 NEIN, erhöht die ECU 24 in Schritt S39 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt um eine Stufe (näher an die normale Konzentration). Genauer wird zumindest ein Erhöhen der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 oder ein Verringern des Öffnungsgrads Θbp des Rückschlagventils 64 um eine Stufe durchgeführt.
In Schritt S40 bestimmt die ECU 24, ob die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder weniger als die Sollsauerstoffkonzentration der normalen I–V-Kennlinie ist (normale Sauerstoffkonzentration Conml). Falls die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder weniger als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S40: JA), kehrt der Prozess zu Schritt S38 zurück. Falls die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt mehr als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S40: NEIN), stoppt die ECU 24 in Schritt S41 den Betrieb der FC-Einheit 18. Das heißt, die ECU 24 stoppt die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu der FC 40, wodurch die Leistungserzeugung der FC 40 gestoppt wird. Dann schaltet die ECU 24 eine Alarmleuchte (nicht gezeigt) ein, um den Bediener zu benachrichtigen, dass es einen Fehler in der FC 40 gibt. Man sollte beachten, dass die ECU 24 elektrische Leistung von der Batterie 20 dem Motor 14 zuführt, um zu erlauben, dass das FC-Fahrzeug 10 weiter fährt.
In dem zweiten Normalmodus kann wie oben beschrieben in dem Fall, in dem die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist, durch Einstellen der Sauerstoffkonzentration Co (stöchiometrisches Verhältnis der Kathode) während die FC-Spannung Vfc auf einem konstanten Level gehalten wird, grundsätzlich die gesamte Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt werden.
(2-3-6. Erster Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus)
Wie oben beschrieben, wird der erste Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus hauptsächlich in dem Fall verwendet, in dem ein Laden der Batterie 20 während des Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus erforderlich ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) ist auf ein elektrisches Potenzial (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V) außerhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 festgesetzt und der FC-Strom Ifc ist festgesetzt. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt und überschüssige elektrische Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc wird zum Laden der Batterie 20 verwendet. Die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt wird auf die normale Sauerstoffkonzentration Conml festgesetzt (oder Sauerstoff wird in einem fetten Zustand gehalten).
Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus wird in einem Zustand, in dem die FC 40 die normale Strom-Spannungs-Kennlinie (I–V Kennlinie wie sie durch eine durchgezogene Linie in 11 angegeben ist) aufweist, die Zellspannung Vcell auf das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V) festgesetzt (die FC-Spannung Vfc wird als elektrisches Potenzial v3 × Zellanzahl definiert). Um die Strom-Spannungs-Kennlinie (I–V Kennlinie) der FC 40 in einer normalen zu halten, legt die ECU 24 die normale Sauerstoffkonzentration Conml als die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt fest und legt die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60, die Drehzahl Nwp der Wasserpumpe 80, den Öffnungsgrad Θbp des Rückschlagventils 64 und den Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 in Abhängigkeit von dieser Sollsauerstoffkonzentration Cotgt fest. Ferner hebt die ECU 24, um die Zellspannung auf das elektrische Potenzial v3 festzusetzen, die Sekundärspannung V2 durch den DC/DC-Wandler 22 derart an, dass die FC-Spannung Vfc auf das elektrische Potenzial v3 × Zellanzahl eingestellt wird.
In dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus kann wie oben beschrieben in dem Fall, in dem der Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus ausgewählt ist, die FC 40 in einen Standby-Zustand versetzt werden, während die elektrische FC-Leistung Pfc unterbunden wird, die Degradation unterbunden wird und die Batterie 20 geladen wird.
(2-3-7. Zweiter Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus)
Wie oben beschrieben wird der zweite Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus hauptsächlich in dem Fall verwendet, in dem das Laden der Batterie 20 während eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus nicht erforderlich ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellanzahl) ist auf das elektrische Potenzial (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V) des Oxidationsreduktionsbereichs R3 oder mehr festgesetzt und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel. Somit wird der FC-Strom Ifc variabel gemacht. Entsprechend kann die elektrische FC-Leistung Pfc entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys geändert werden. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt und überschüssige elektrische Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc wird zum Laden der Batterie 20 verwendet.
Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus wird in dem Zustand, in dem die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt verringert, um dadurch die Sauerstoffkonzentration Co zu verringern. Wie in 13 gezeigt, wenn die Sauerstoffkonzentration Co (stöchiometrisches Verhältnis der Kathode) verringert wird, wird der Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) entsprechend verringert. Somit wird es durch Einstellen der Sollsauerstoffkonzentration in dem Zustand, in dem die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, möglich, den Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) und die elektrische FC-Leistung Pfc zu steuern. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt.
20 ist ein Fließdiagramm des zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus. In Schritt S51 stellt die ECU 24 die Spannungsanhebungsgeschwindigkeit des DC/DC-Wandlers 22 ein, um dadurch die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf ein zweites elektrisches Bezugspotenzial × Zellanzahl festzusetzen, wobei das zweite elektrische Bezugspotenzial festgelegt wird, dass es gleich oder größer als der Oxidationsreduktionsbereich R3 ist (bei der ersten Ausführungsform das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V)). Die Schritte S52 bis S61 werden in der gleichen Weise wie die Schritte S32 bis S41 der 14 durchgeführt.
In dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus kann wie oben beschrieben in dem Fall, in dem der Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus ausgewählt ist, die FC 40 in einen Standby-Zustand versetzt werden, während die elektrische FC-Leistung Pfc unterbunden wird und die Degradation unterbunden wird.
[2-4. FC-Leistungserzeugungssteuerung]
Wie oben beschrieben, steuert die ECU 24 als FC-Leistungserzeugungssteuerung (S4 der 5) die Peripherieeinrichtungen des FC-Stapels 40, d. h. die Luftpumpe 60, das Rückschlagventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80. Insbesondere steuert die ECU 24 diese Einrichtungen unter Verwendung von Anweisungswerten (z. B. S34 der 14), die in dem Energiemanagement berechnet wurden (S3 der 5).
[2-5. Drehmomentsteuerung des Motors 14]
21 ist ein Fließdiagramm einer Drehmomentsteuerung des Motors 14. In Schritt S71 liest die ECU 24 die Motordrehzahl Nm aus dem Drehzahlsensor 152 aus. In Schritt S72 liest die ECU 24 den Öffnungsgrad Θp des Beschleunigungspedals 156 aus dem Öffnungsgradsensor 150 aus.
In Schritt S73 berechnet die ECU 24 das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p [Nm] des Motors 14 basierend auf der Motordrehzahl Nm und dem Öffnungsgrad Θp. Insbesondere ist ein Kennfeld von Daten, das eine Zuordnung der Drehzahl Nm und des Öffnungsgrads Θp zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p anzeigt, in einem Speichermittel (nicht gezeigt) gespeichert und das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p wird basierend auf dem Kennfeld, der Drehzahl Nm und dem Öffnungsgrad Θp berechnet.
In Schritt S74 berechnet die ECU 24 eine Grenzausgabe (Motorgrenzausgabe Pm_lim) [W] des Motors 14, die gleich dem Grenzwert (elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim) [W] der elektrischen Leistung ist, die von dem FC-System 12 dem Motor 14 zugeführt werden kann. Insbesondere können die elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim und die Motorgrenzausgabe Pm_lim durch Subtrahieren der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa von der Summe der elektrischen FC-Leistung Pfc von dem FC-Stapel 40 und dem Grenzwert (Grenzausgabe Pbat_lim) [W] der elektrischen Leistung, die von der Batterie 20 geliefert werden kann, berechnet werden (Pm_lim = Ps_lim ← Pfc + Pbt_lim – Pa).
In Schritt S75 berechnet die ECU 24 den Drehmomentgrenzwert Tlim [Nm] des Motors 14. Insbesondere wird ein Wert, der durch Teilen des Motorgrenzausgabe Pm_lim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V berechnet wird, als der Drehmomentgrenzwert Tlim verwendet (Tlim ← Pm_lim/V).
In Schritt S74 berechnet die ECU 24, falls die ECU 24 bestimmt, dass der Motor 14 elektrische Leistung regeneriert, eine regenerative elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_reglim. Die regenerative elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_reglim wird durch Subtrahieren der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung von der Summe des Grenzwerts der elektrischen Leistung, mit der die Batterie 20 geladen werden kann (elektrische Leistungsgrenzladung Pbat_chglim), und der elektrischen FC-Leistung Pfc von der FC 40 berechnet (Pm_reglim = Pbat_chglim + Pfc – Pa). Während einer Regeneration von elektrischer Leistung berechnet die ECU 24 in dem Schritt S75 den regenerativen Drehmomentgrenzwert Treglim [Nm] des Motors 14. Insbesondere wird ein Wert, der durch Teilen der regenerativen elektrischen Grenzzufuhrleistung Ps_reglim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs (Tlim ← Ps_reglim/Vs) berechnet wird, als der Drehmomentgrenzwert Tlim definiert.
In Schritt S76 berechnet die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt [Nm]. Insbesondere bestimmt die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt durch Addieren einer Begrenzung basierend auf dem Drehmomentgrenzwert Tlim zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p. Falls zum Beispiel das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p gleich oder weniger als der Drehmomentgrenzwert Tlim ist (Ttgt_p ≤ Tlim), wird das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p direkt als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Ttgt_p). Falls das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p den Drehmomentgrenzwert Tlim übersteigt (Ttgt_p > Tlim), wird der Drehmomentgrenzwert Tlim als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Tlim).
Dann wird der Motor 14 unter Verwendung des berechneten Solldrehmoments Ttgt gesteuert.
3. Beispiele verschiedener Steuerungen
22 ist ein Ablaufdiagramm, das Beispiele in den Fällen zeigt, in denen verschiedene Steuerungen gemäß der ersten Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels verwendet werden. Diejenigen, die durch durchgezogene Linien in 22 bezeichnet sind, basierend auf den Steuerungen gemäß der ersten Ausführungsform und diejenigen, die durch gestrichelte Linien bezeichnet sind, basieren auf den Steuerungen gemäß dem Vergleichsbeispiel, und diejenigen, die durch Strichpunktlinien bezeichnet sind, gehören zu der ersten Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel. Die Steuerungen gemäß dem Vergleichsbeispiel basieren auf JP2011-015580A .
Zum Zeitpunkt t1 wird, da die Fahrzeuggeschwindigkeit V gleich oder weniger als der Schwellwert THV1 ist, die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder weniger als der Schwellwert THPsys1 ist (S21 der 12: JA) und der SOC gleich oder mehr als der Schwellwert THSOC1 ist (S25: NEIN), bei der ersten Ausführungsform der zweite Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus ausgewählt (S27). Daher ist die Zellspannung Vcell auf das elektrische Potenzial v3 festgesetzt und der Zellstrom Icell ist konstant (FC-Spannung Vfc ist auf das elektrische Potenzial v3 × Zellanzahl festgesetzt und der FC-Strom ist konstant). Im Gegensatz dazu ist bei dem Vergleichsbeispiel, da das elektrische Potenzial v3 × Zellanzahl und OCV × Zellanzahl wiederholt werden, die Degradation D groß, z. B. da sich die Zellspannung Vcell ändert, um OCV zu durchlaufen.
Zum Zeitpunkt t2 beendet, da die Fahrzeuggeschwindigkeit V den Schwellwert THV1 überschreitet (S21 der 12: NEIN), die ECU24 den zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus.
4. Vorteile der ersten Ausführungsform
Wie oben beschrieben, wird in dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus der ersten Ausführungsform der FC-Strom Ifc entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys geändert, während die FC-Spannung Vfc auf einem konstanten Level gehalten wird, d. h. bei dem elektrischen Potenzial v3 × Zellanzahl, wobei das elektrische Potenzial v3 oberhalb des Platinoxidationsreduktionsbereichs R3 ist. Somit wird eine Degradation der FC 40 in dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus der FC 40 verhindert und eine unerwünschte Leistungserzeugung kann unterbunden werden. Entsprechend wird ein Verlust auf Grund eines Ladens/Entladens der Batterie 20 unterbunden und eine Verbesserung des Ausgabewirkungsgrads in dem FC-System 12 erreicht.
Bei der ersten Ausführungsform wird in dem Fall, in dem der SOC der Batterie 20 gleich oder weniger als der Schwellwert THSOC1 ist (S25 in 12: JA), die FC-Spannung Vfc auf das elektrische Potenzial v3 × Zellanzahl festgelegt bis der SOC den Schwellwert THSOC1 erreicht und das Gas in der FC 40 wird in einem fetten Zustand gehalten (S26). Bei der Struktur kann, da die FC-Spannung Vfc auf das elektrische Potenzial v3 × Zellanzahl festgelegt wird, eine Degradation der FC 40 verhindert werden. Zusätzlich wird, da das Gas in der FC 40 in einem fetten Zustand gehalten wird, die elektrische FC-Leistung Pfc erhöht und die Batterie 20 wird mit der überschüssigen elektrischen Leistung geladen, wodurch der SOC bei dem Schwellwert THSOC1 gehalten wird.
Bei der ersten Ausführungsform ist das FC-System 12 in dem FC-Fahrzeug 10 montiert. Somit wird eine Haltbarkeit des FC-Fahrzeugs 10 verbessert und ein Betriebswirkungsgrad des FC-Fahrzeugs 10 wird in vorteilhafter Weise verbessert.
B. Zweite Ausführungsform
Bei der zweiten Ausführungsform wird grundsätzlich eine Hardware-Struktur eingesetzt, die identisch mit derjenigen der ersten Ausführungsform ist. Nachstehend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Bei der zweiten Ausführungsform verwendet die ECU 24 ein Energiemanagementverfahren des FC-Systems 12, das sich von dem Verfahren der ersten Ausführungsform unterscheidet.
1. Energiemanagement des FC-Systems 12
23 ist ein Fließdiagramm, bei dem die ECU 24 ein Energiemanagement (S3 der 5) des FC-Systems 12 durchführt. Wie in dem Fall des Schritts S21 der 12 bestimmt die ECU24 in dem Schritt S81, ob der Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus ausgewählt werden sollte oder nicht. Insbesondere bestimmt die ECU 24 als eine Bedingung für den Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit V gleich oder weniger als der Schwellwert THV1 ist oder nicht und ob die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder weniger als der Schwellwert THPsys1 ist oder nicht. Falls die Fahrzeuggeschwindigkeit V mehr als der Schwellwert THV1 ist oder die Systemleistungsabgabe Psys mehr als der Schwellwert THPsys1 ist (S81: NEIN), schreitet der Prozess zu Schritt S82 fort.
In Schritt S82 bestimmt die ECU 24, ob die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung (als die „Markierung” in 23 bezeichnet) 1 ist oder nicht. Die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung zeigt an, ob das FC-System 12 in dem Leerlaufzustand oder in dem Normalzustand unmittelbar nach einer Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand ist. Genauer zeigt, falls die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung 0 ist, die Markierung an, dass das FC-System 12 weder in dem Leerlaufzustand noch in dem Normalzustand unmittelbar nach einer Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand ist. Falls die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung 1 ist, zeigt die Markierung an, dass das FC-System 12 in dem Leerlaufzustand oder in dem Normalzustand unmittelbar nach einer Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand ist.
In Schritt S82, schreitet, falls die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung nicht 1 ist (S82: NEIN), der Prozess zu Schritt S85 fort. Falls die Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmarkierung 1 ist (S82: JA) verringert die ECU 24 in Schritt S83 die Rückmeldungsverstärkung (nachfolgend als die „F/B-Verstärkung” bezeichnet) für eine vorbestimmte Zeit T1.
Die F/B-Verstärkung ist ein Wert, der bei der Regelung der Sekundärspannung V2 verwendet wird. Das heißt, bei der zweiten Ausführungsform wird wie in dem Fall der ersten Ausführungsform die Primärspannung V1 von dem DC/DC-Wandler 22 derart angehoben, dass die Sekundärspannung V2 auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Regelung zum Verringern des Fehlers ΔV2 zwischen der Sekundärspannung V2 und der Soll-FC-Spannung Vfctgt (Sollsekundärspannung V2) verwendet.
Genauer wird eine Proportional- plus Integrier- plus Differenzier-Steuerung (PID-Steuerung – proportional-intergral-derivative control) unter Verwendung des Fehlers ΔV2 durchgeführt. Basierend auf dem Fehler ΔV2 nach der PID-Steuerung wird die Betriebsart des DC/DC-Wandlers 22 bestimmt. Die F/B-Verstärkung wird als der Proportionalterm der PID-Steuerung verwendet. Falls daher die F/B-Verstärkung groß ist, wird die nachfolgende Schwankung der Sekundärspannung V2 groß. Falls der F/B-Gewinn klein ist, wird die nachfolgende Schwankung der Sekundärspannung V2 klein.
Ferner wird die vorbestimmte Zeit T1 entsprechend dem Übergangszeitraum festgelegt, während dessen die FC 40 von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand übergeht. Das heißt, in dem Übergangszeitraum tendiert der Fehler ΔV2 dazu, groß zu sein. Falls der Betrag der F/B-Verstärkung unverändert gehalten wird, wird eine Schwankung der FC-Spannung Vfc groß. Im Allgemeinen tendiert, falls sich die FC-Spannung Vfc schart ändert, die FC 40 dazu, leicht verschlechtert zu werden. Daher wird bei der zweiten Ausführungsform eine solche Degradation durch Verringern der F/B-Verstärkung in dem Übergangszeitraum von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand vermieden.
Anschließend verringert die ECU 24 in dem Schritt S84 den Rückschlagventilöffnungsgrad θbp, um das Rückschlagventil 64 in einer Schließrichtung zu bewegen. Auf diese Weise wird der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 erhöht und die Sauerstoffkonzentration Co (Volumenkonzentration) pro Volumenstrom wird hoch. Somit kann eine Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand schnell durchgeführt werden.
Die Schritte S85, S86, S88 sind die gleichen wie die Schritte S22, S23 und S24 der 12. Das heißt, in Schritt S85 bestimmt die ECU 24, ob die Systemleistungsabgabe Psys den Schwellwert THPsys2 überschreitet oder nicht, zum Bestimmen, ob die Systemleistungsabgabe Psys hoch ist oder nicht. Falls die Systemleistungsabgabe Psys den Schwellwert THPsys2 (S85: JA) überschreitet, führt die ECU 24 in Schritt S86 den ersten Normalmodus durch (Steuerung mit variabler Spannung/variablem Strom).
In einem Fall, in dem das FC-System 12 in den Übergangszeitraum zum Übergehen von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand gelangt, kann, falls der erste Normalmodus in Schritt S86 ausgewählt ist, es angesehen werden, dass der Übergangszeitraum beendet ist. In dieser Hinsicht legt, falls der erste Normalmodus in Schritt S86 ausgewählt ist, die ECU 24 die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung auf 0 in Schritt S87 fest. Wie oben beschrieben, wird, falls die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung 1 ist (S82: JA), dann die F/B-Verstärkung verringert (S83) und der Rückschlagventilöffnungsgrad θbp wird verringert (S84). Falls daher die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung von 1 auf 0 geändert wird, zeigt diese Änderung an, dass die FC 40 aus dem Leerlaufzustand in den Normalzustand zurückgekehrt bzw. wiederhergestellt ist.
In Schritt S85 führt, falls die Systemleistungsabgabe Psys der Schwellwert THPsys2 oder weniger ist (S85: NEIN), die ECU 24 in dem Schritt S88 den zweiten Normalmodus durch (Steuerung mit festgesetzter Spannung/variablem Strom). Wenn die FC 40 in den Übergangszeitraum zum Übergehen von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand gelangt, kann es selbst dann angesehen werden, wenn der zweite Normalmodus in Schritt S88 ausgewählt ist, da der zweite Normalmodus in dem Niedrigleistungsabgabezustand verwendet wird, dass der Übergangszeitraum noch nicht beendet wurde. Daher wird nicht wie in dem Fall, in dem der erste Normalmodus ausgewählt ist, selbst dann, wenn der zweite Normalmodus in Schritt S88 ausgewählt ist, die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung gehalten, dass sie den Wert 1 aufweist. Das heißt, falls der zweite Normalmodus in Schritt S88 ausgewählt ist, wird der Prozess wie Schritt S87 nicht durchgeführt.
In dem Fall, in dem der Leerlaufleistungserzeugungsmodus in Schritt S81 ausgewählt ist, d. h. in dem Fall, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit V der Schwellwert THV1 oder weniger ist und die Systemleistungsabgabe Psys der Schwellwert THPsys1 oder weniger ist (S81: JA), kann es angesehen werden, dass die FC 40 in den Leerlaufzustand gelangt ist oder der Leerlaufzustand fortschreitet. Daher legt die ECU 24 in Schritt S89 die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung auf 1 fest.
Die Schritte S90 bis S92 sind die gleichen wie die Schritte S25 bis S27 der 12.
2. Beispiele verschiedener Steuerungen
24 zeigt ein Beispiel eines Ablaufdiagramms in einem Fall, in dem verschiedene Steuerungen gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet werden. In 24 stellt der „Luftdruck” den Luftdruck in dem Kanal auf der Kathodenseite dar (z. B. den Luftdruck in dem Kathodenkanal 74). Der Luftdruck kann durch Schließen des Rückschlagventils 64 erhöht werden (Verringern des Rückschlagventilöffnungsgrads θbp). Obwohl nicht gezeigt, wird angenommen, dass der Batterie-SOC den Schwellwert THSOC1 überschreitet.
Von dem Zeitpunkt t11 bis zum Zeitpunkt t12 ist die Fahrzeuggeschwindigkeit V der Schwellwert THV1 oder weniger und die Systemleistungsabgabe Psys ist der Schwellwert THPsys1 oder weniger (S81 der 23: JA). Ferner überschreitet, wie oben beschrieben, der Batterie-SOC den Schwellwert THSOC1 (NEIN: S90). Daher wird der zweite Leerlaufleistungserzeugungsmodus ausgewählt (S92). Somit wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V) × Zellanzahl festgesetzt und der FC-Strom Ifc schwankt in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt. Man sollte beachten, dass in 24 der FC-Strom entsprechend konstant ist, da die Systemleistungsabgabe Psys von dem Zeitpunkt t11 bis zu dem Zeitpunkt t12 konstant ist.
Zum Zeitpunkt t12 wird das Beschleunigungspedal 156 niedergedrückt, wodurch die Systemleistungsabgabe Psys beginnt, anzusteigen. Entsprechend beginnen der FC-Strom Ifc, die Fahrzeuggeschwindigkeit V, die Luftpumpendrehzahl Nap und der Luftdruck, anzusteigen.
Zum Zeitpunkt t13 überschreitet die Fahrzeuggeschwindigkeit V den Schwellwert THV1 und die Systemleistungsabgabe Psys überschreitet den Schwellwert THPsys1 (S81 der 23: NEIN). Da der Zeitpunkt t13 unmittelbar nach dem Eintritt in den zweiten Leerlaufleistungserzeugungsmodus ist, ist die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung 1 (S89, S82: JA). Somit verringert die ECU 24 die F/B-Verstärkung für die vorbestimmte Zeit T1 (S83). Auf diese Weise wird, da der bei der PID-Steuerung zum Bestimmen der Betriebsart des DC/DC-Wandlers 22 verwendete Proportional-Term (P-Term) verringert wird, die Schwankung der Sekundärspannung V2 und der FC-Spannung Vfc unterbunden. In 24 ist die vorbestimmte Zeit T1 ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t13 bis zu dem Zeitpunkt t15.
Zum Zeitpunkt t13 wird der Rückschlagventilöffnungsgrad θpb verringert (S84). Somit wird der Luftdruck schnell erhöht. Ferner wird zum Zeitpunkt t13, da die Systemleistungsabgabe Psys nicht den Schwellwert THPsys2 überschreitet (S85: NEIN), der zweite Normalmodus ausgewählt (S88). Somit wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V) × Zellanzahl festgesetzt und der FC-Strom Ifc schwankt entsprechend der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt.
Zum Zeitpunkt t14 überschreitet die Systemleistungsabgabe Psys den Schwellwert THPsys2 (S85: JA) und der erste Normalmodus wird ausgewählt (S86). Somit wird die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt festgelegt und die Soll-FC-Spannung Vfc und der FC-Strom Ifc sind variabel. Da ferner die Leerlaufleistungserzeugungsmarkierung von 1 auf 0 umgeschaltet wird (S87), wird die Steuerung mit festgesetzter Spannung/variablem Strom (zweiter Normalmodus, der erste Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder der zweite Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus) beendet. Ferner schwanken von dem Zeitpunkt t14 bis zu dem Zeitpunkt t16 sowohl die FC-Spannung Vfc als auch der FC-Strom Ifc entsprechend der Änderung der Systemleistungsabgabe Psys.
3. Vorteile der zweiten Ausführungsform
Wie oben beschrieben, kann bei der zweiten Ausführungsform die FC 40 von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand schnell übergehen. Das heißt, im Allgemeinen muss, falls die Sauerstoffkonzentration Co festgesetzt ist, um den elektrischen FC-Strom Ifc zu erhöhen, die FC-Spannung Vfc verringert werden und der FC-Strom Ifc muss erhöht werden. Falls ferner die FC-Spannung und der FC-Strom Ifc festgelegt sind, ist es durch Erhöhen der Sauerstoffkonzentration Co möglich, die elektrische FC-Leistung Pfc zu erhöhen. Bei der zweiten Ausführungsform wird zum Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den ersten Normalmodus oder den zweiten Normalmodus die Sauerstoffkonzentration Co entsprechend der Erhöhung der Systemleistungsabgabe Psys erhöht und die FC-Spannung Vfc wird entsprechend der Erhöhung der Systemleistungsabgabe Psys verringert. Auf diese Weise kann, da entsprechend der Erhöhung der Systemleistungsabgabe Psys die Sauerstoffkonzentration Co erhöht und die FC-Spannung Vfc verringert wird, die FC 40 von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand schnell übergehen.
Bei der zweiten Ausführungsform wird zum Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den ersten Normalmodus oder den zweiten Normalmodus die F/B-Verstärkung verringert (S83), um die Änderung der FC-Spannung Vfc zu unterbinden. Falls die FC-Spannung Vfc schnell geändert wird, kann die FC 40 unerwünscht verschlechtert werden. Da jedoch bei der zweiten Ausführungsform die schnelle Schwankung der FC-Spannung Vfc unterbunden werden kann, kann eine Degradation der FC 40 unterbunden werden.
Bei der zweiten Ausführungsform wird zum Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den ersten Normalmodus oder den zweiten Normalmodus das Rückschlagventil 64 in der Schließrichtung bewegt (S84). Durch Bewegen des Rückschlagventils 64 in der Schließrichtung wird der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 erhöht und die Sauerstoffkonzentration Co (Volumenkonzentration) pro Volumenstrom wird erhöht. Somit kann eine Rückkehr bzw. Wiederherstellung von dem Leerlaufzustand in den Normalzustand schnell durchgeführt werden.
C. Modifizierte Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann verschiedene Strukturen basierend auf der Beschreibung hierin anwenden. Zum Beispiel kann die folgende Struktur eingesetzt werden.
1. Anwendung des FC-Systems
Obwohl das FC-System 12 in dem FC-Fahrzeug 10 bei den oben beschriebenen Ausführungsformen montiert ist, ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Das FC-System 12 kann in anderen Gegenständen montiert sein. Zum Beispiel kann das FC-System 12 in beweglichen Gegenständen verwendet werden, wie beispielsweise Schiffen oder Flugzeugen. Alternativ kann das FC-System 12 bei Robotern, Produktionsvorrichtungen, Haushaltsstromversorgungsnetzen oder Haushaltselektronikanwendung eingesetzt werden.
2. Struktur des FC-Systems 12
Bei den Ausführungsformen sind die FC 40 und die Hochspannungsbatterie 20 parallel angeordnet und der DC/DC-Wandler 22 ist auf der nahen Seite der Batterie 20 vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt.
Zum Beispiel können, wie in 25 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein und ein Aufwärts-, Abwärts- oder Aufwärts-/Abwärts-DC/DC-Wandler 22a kann an der nahen Seite der FC 40 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 26 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein, der DC/DC-Wandler 22a kann an der nahen Seite der FC 40 vorgesehen sein und der DC/DC-Wandler kann an der nahen Seite der Batterie 20 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 27 gezeigt, die FC 40 und die Batterie in Reihe vorgesehen sein und der DC/DC-Wandler 22 kann zwischen der Batterie 20 und dem Motor 14 vorgesehen sein.
3. Stöchiometrisches Verhältnis
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein Mittel oder ein Verfahren zum Einstellen des stöchiometrischen Verhältnisses durch Einstellen der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt durchgeführt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Alternativ kann die Sollwasserstoffkonzentration eingestellt werden. Ferner kann anstelle der Sollkonzentration die Solldurchflussmenge oder sowohl die Sollkonzentration als auch die Solldurchflussmenge eingestellt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Struktur dargestellt, die die Luftpumpe 60 zum Zuführen von sauerstoffhaltiger Luft umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann eine Struktur angewendet werden, die eine Wasserstoffpumpe zum Zuführen von Wasserstoff umfasst.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Struktur dargestellt, die einen Mischkanal (Leitungen 66a, 66b) zum Mischen des Kathodenabgases mit der Frischluft und das Zirkulationsventil 66 umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Anodenseite die gleiche Struktur aufweisen. Zum Beispiel kann ein Zirkulationsventil in der Leitung 48b zum Steuern der Durchflussmenge des mit dem frischen Wasserstoff gemischten Anodenabgases durch das Zirkulationsventil vorgesehen sein.
4. Leistungsversorgungsmodus
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Soll-FC-Spannung Vfctgt in dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus und dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus das elektrische Potenzial v3 (= 0,9 V) × Zellanzahl. Die Soll-FC-Spannung Vfctgt kann derart eingestellt werden, dass die Zellspannung Vcell einen Wert innerhalb des Reduktionsbereichs R2 oder innerhalb des Oxidationsbereichs R4 aufweist. Zum Beispiel kann die Soll-FC-Spannung Vfcftgt in einem oder beiden des ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus und des zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V) × Zellanzahl sein. In diesem Fall verläuft zum Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder des zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den ersten Normalmodus oder den zweiten Normalmodus die FC-Spannung Vfc nicht durch den Oxidationsreduktionsbereich R3. Somit kann eine Degradation der FC 40, die auftreten kann, wenn die FC-Spannung Vfc durch den Oxidationsreduktionsbereich R3 verläuft, verhindert werden.
Bei der zweiten Ausführungsform wird zum Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus oder dem zweiten Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den ersten Normalmodus oder den zweiten Normalmodus die F/B-Verstärkung verringert, um die Änderung der FC-Spannung Vfc zu unterbinden. Das Verfahren zum Unterbinden der Änderung der FC-Spannung Vfc ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Zum Beispiel kann die ECU 24 den Umfang der Änderung der Soll-FC-Spannung Vfctgt (oder der Sollsekundärspannung V2tgt) begrenzen, um die Änderung der FC-Spannung Vfc zu unterbinden.
Bei einem FC-System (12) eines FC-Fahrzeugs (10) stellt, falls eine Steuerungseinrichtung (24) bestimmt, dass Bedingungen eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus einer FC (40) erfüllt sind, die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der FC (40) auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs (R3) ein, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und steuert eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66), dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die FC (40) eine Ausgabe entsprechend der von einem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-015580 [0002]
JP 015580 A [0002]
JP 2011-015880 A [0002]
JP 2011-015580 A [0003, 0155]

Claims

Brennstoffzellensystem (12) umfassend: eine Brennstoffzelle (40); eine Energiespeichereinrichtung (20) zum Speichern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle (40) geliefert wird; einen Verbraucher (30), dem elektrische Leistung von zumindest der Brennstoffzelle (40) oder der Energiespeichereinrichtung (20) zugeführt wird; einen Wandler (22) zum Einstellen der Spannung der Brennstoffzelle (40); eine Steuerungseinrichtung (24) zum Steuern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle (40) und der Energiespeichereinrichtung (20) dem Verbraucher (30) zugeführt wird, basierend auf der von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung; und eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66) zum Zuführen eines Reaktantgases zu der Brennstoffzelle (40), wobei, falls die Steuerungseinrichtung (24) bestimmt, dass eine Bedingung eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus der Brennstoffzelle (40) erfüllt ist, die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs (R3) einstellt, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66) steuert, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die FC (40) eines Ausgabe entsprechend der von einem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Spannungswert oberhalb des Spannungsbereichs ist, in dem die Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet.
Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei, falls eine in der Energiespeichereinrichtung (20) gespeicherte Menge an elektrischer Leistung eine Sollenergiespeichermenge oder weniger ist, die Spannung der Brennstoffzelle (40) bei dem vorbestimmten Spannungswert gehalten wird bis die in der Energiespeichereinrichtung (20) gespeicherte Menge an elektrischer Leistung die Sollenergiespeichermenge erreicht und ein Gas in der Brennstoffzelle (40) in einem fetten Zustand gehalten wird.
Brennstoffzellensystem (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Brennstoffzellensystem (12) in einem Fahrzeug (10) montiert ist; der Verbraucher einen regenerativen Motor (14) und eine Hilfseinrichtung (16, 60, 80, 90) umfasst; und falls die Steuerungseinrichtung (24) bestimmt, dass die Bedingung des Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus erfüllt ist, die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf den vorbestimmten Spannungswert festlegt und die Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66) steuert, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die Brennstoffzelle (40) eine Ausgabe entsprechend der von der Hilfseinrichtung (16, 60, 80, 90) benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 4, wobei, falls die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (20) oder die Drehzahl des Motors (14) ein vorbestimmter Schwellwert oder weniger ist, die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf den vorbestimmten Spannungswert festlegt und die Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66) steuert, dass sie eine Zufuhrmenge von Luft derart ändert, dass die Brennstoffzelle (40) eine Ausgabe entsprechend der von der Hilfseinrichtung (16, 60, 80, 90) benötigten elektrischen Leistung aufweist.
Brennstoffzellensystem (12) umfassend: eine Brennstoffzelle (40); eine Energiespeichereinrichtung (20) zum Speichern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle (40) geliefert wird; einen Verbraucher (30), dem elektrische Leistung von zumindest der Brennstoffzelle (40) oder der Energiespeichereinrichtung (20) zugeführt wird; einen Wandler (22) zum Einstellen der Spannung der Brennstoffzelle (40); eine Steuerungseinrichtung (24) zum Steuern von elektrischer Leistung, die von der Brennstoffzelle (40) und der Energiespeichereinrichtung (20) dem Verbraucher (30) zugeführt wird, basierend auf der von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung; und eine Reaktantgaszufuhrvorrichtung (44, 60, 64, 66) zum Zuführen eines Reaktantgases zu der Brennstoffzelle (40), wobei die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der Brennstoffzelle (40) einstellt zum wahlweisen Durchführen eines Normalmodus zum Steuern der von der Brennstoffzelle (40) dem Verbraucher (30) zugeführten elektrischen Leistung und eines Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus zum Begrenzen einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (40) während eines Geringe-Leistungsabgabebetriebs des Brennstoffzellensystems (12); in dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus die Steuerungseinrichtung (24) die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einen vorbestimmten Spannungswert außerhalb eines Spannungsbereichs (R3) festlegt, in dem eine Oxidationsreduktion von Platin fortschreitet, und eine Niedrigwirkungsgradleistungserzeugung zum Begrenzen einer Zufuhrmenge des Reaktantgases durchführt; zum Zeitpunkt eines Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus als eine Folge der Erhöhung der von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung die Steuerungseinrichtung (24) eine Zufuhrmenge eines der Brennstoffzelle (40) zugeführten Reaktantgases entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung erhöht und die Spannung der auf den vorbestimmten Spannungswert festgelegten Brennstoffzelle (40) von dem vorbestimmten Spannungswert entsprechend der Erhöhung der von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung verringert.
Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 6, wobei zum Zeitpunkt des Übergangs von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus eine Spannungsänderung in der Brennstoffzelle (40) unterbunden wird.
Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 6 oder 7, wobei vor dem Übergang von dem Leerlaufleistungserzeugungsunterbindungsmodus in den Normalmodus als eine Folge der Erhöhung in dem Verbraucher (30) ein Rückschlagventil (64) in einer Schließrichtung bewegt wird.