DE102012208642A1

DE102012208642A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben

Info

Publication number: DE102012208642A1
Application number: DE102012208642A
Authority: DE
Inventors: Chihiro Wake; Yuji Matsumoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-09-19
Also published as: CN102800884A; US9520606B2; CN102800884B; US20120301803A1; JP5395116B2; JP2012243738A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem schließt eine ECU ein, die den Brennstoffzellenstapel in einen Leerlaufstoppzustand versetzt, indem sowohl eine Drehzahl einer Luftpumpe als auch ein Entladestromwert des Brennstoffzellenstapels in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während einer Leerlaufleistungserzeugung. Die ECU verringert den Entladestromwert mehr als der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig nicht unter einen Aufhebungsschwellenwert B fällt, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig des Brennstoffzellenstapels unter den Aufhebungsschwellenwert B gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für den Niederstöchiometriesteuerungsschritt vorgesehen ist.

Description

Diese Anmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der am 24. Mai 2011 eingereichten, japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-116281 , deren Inhalt durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und auf ein Verfahren zum Steuern desselben.
Stand der Technik
In den letzten Jahren haben Brennstoffzellensysteme als neue Leistungsquelle für Kraftfahrzeuge Beachtung gefunden. Brennstoffzellensysteme sind mit einem Brennstoffzellenstapel versehen, der Leistung erzeugt, indem Reaktionsgase (Wasserstoff und Luft) einer chemischen Reaktion unterzogen werden können, sowie mit Reaktionsgas-Zufuhrvorrichtungen, die der Brennstoffzelle Reaktionsgase beispielsweise über Reaktionsgaskanäle zuführen. Der Brennstoffzellenstapel ist eine Stapelstruktur, in welcher von mehreren zehn bis mehreren hundert Brennstoffzellen gestapelt sind. Hierzu ist jede Brennstoffzelle dadurch konfiguriert, dass ein Membranelektrodenaufbau (MEA; engl.: Membrane Electrode Assembly) mit einem Paar Trennvorrichtungen geschichtet angeordnet ist, und ist der Membranelektrodenaufbau von den beiden Elektroden einer Anode und einer Kathode konfiguriert, sowie einer zwischen diesen Elektroden aufgenommenen Feststoffpolymer-Elektrolytmembran.
Um die Verbrauchsmenge der Reaktionsgase in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem als Leistungsquelle so niedrig wie möglich zu halten, ist es bevorzugt, die Zufuhr von Reaktionsgas zum Brennstoffzellenstapel zu stoppen, wenn die Leistungserzeugung, beispielsweise beim Warten an einer Verkehrsampel, kontinuierlich in einem Leerlaufbetriebszustand durchgeführt wird. Das Patentdokument 1 schlägt eine Technologie vor, gemäß welcher der Wasserstoff und der Sauerstoff, die im Brennstoffzellenstapel und im Brennstoffzellensystem verbleiben, verbraucht werden, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel in einem Hochspannungszustand belassen wird, wodurch die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels unterdrückt wird, indem der erzeugte, elektrische Strom vom Brennstoffzellenstapel kontinuierlich produziert wird, d. h. indem der Brennstoffzellenstapel selbst nach dem Stoppen der Zufuhr von solchen Reaktionsgasen kontinuierlich entleert wird.
Patentdokument 1: die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-294304 .
ABRISS DER ERFINDUNG
Wenn die Zufuhr von Reaktionsgas wie bei der vorstehend erwähnten Technologie von Patentdokument 1 vollständig gestoppt wird, werden Sauerstoff und Wasserstoff, die in der Nähe des MEA verbleiben, indes reagieren und kann der Katalysator Schaden nehmen; daher wurde es als vorteilhaft erachtet, auch während dem Leerlaufstopp zumindest eine kleine Menge von Reaktionsgas kontinuierlich zuzuführen. Indem das Reaktionsgas mit einer niedrigen Strömungsrate zugeführt und das Austragen während dem Leerlaufstopp fortgesetzt wird, ist es deshalb möglich, sowohl die Verschlechterung aufgrund der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff in der Nähe des MEA als auch die Verschlechterung aufgrund der Tatsache, dass der Brennstoffzellenstapel in einen Hochspannungszustand gelangt, zu unterdrücken.
Die Leistungserzeugungsstabilität des Stapels im sogenannten Niederstöchiometriezustand, in welchem unter Zufuhr von Reaktionsgas mit einer niedrigen Strömungsrate kontinuierlich Leistung erzeugt wird, neigt indes dazu, sich in Abhängigkeit der Eignung des Zellenzustands zu diesem Zeitpunkt stark zu ändern, und falls diese gering ist, nimmt die Zellenspannung rasch ab, und kann es schwierig werden, die Leistungserzeugung in einem derartigen Niederstöchiometriezustand für eine lange Zeitspanne kontinuierlich aufrechtzuerhalten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches die Leistungserzeugung in einem Niederstöchiometriezustand ungeachtet des Zellenzustands zu diesem Zeitpunkt für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten kann, sowie ein Verfahren zum Steuern desselben.
Zur Lösung der vorstehend erwähnten Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, welches einschließt: einen Brennstoffzellenstapel (z. B. den nachstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel 10), bei welchem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aneinandergestapelt sind, die Leistung erzeugen, wenn Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt wird; eine elektrische Last (z. B. den Motor 20, die Luftpumpe 31 sowie die Hochspannungsbatterie 50, die nachstehend beschrieben werden), die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und die vom Brennstoffzellenstapel erzeugte, elektrische Leistung verbraucht; und eine Steuerungseinheit (z. B. die nachstehend beschriebene ECU 70), die eine Niederstöchiometriesteuerung durchführt, um sowohl eine Menge von dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Oxidationsgas als auch einen vom Brennstoffzellenstapel erzeugten, elektrischen Strom derart zu verringern, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während einer Leerlaufleistungserzeugung. Die Steuerungseinheit verringert den erzeugten elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, wenn ein niedrigster Zellenspannungswert (z. B. der nachstehend beschriebene niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung nicht unter einen vorbestimmten Schwellenwert (z. B. den Aufhebungsschwellenwert B) fällt.
Da dadurch verhindert werden kann, dass in der Nähe des MEA jeder Brennstoffzelle Sauerstoff gleichzeitig mit Wasserstoff verbleibt, und verhindert werden kann, dass der Brennstoffzellenstapel in einen Hochspannungszustand gelangt, indem die Niederstöchiometriesteuerung durchgeführt wird, um sowohl die Menge von dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Oxidationsgas als auch den erzeugten, elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, derart zu verringern, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während einer Leerlaufleistungserzeugung, kann eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels mittels der vorliegenden Erfindung unterdrückt werden.
Zudem wird der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, bei der vorliegenden Erfindung bei der Abnahme des niedrigsten Zellenspannungswerts verringert, und zwar während der Durchführung der vorstehend erwähnten Niederstöchiometriesteuerung, in welcher die Leistungserzeugungsstabilität dazu neigt, vom Zellenzustand beeinflusst zu werden. Dadurch kann verhindert werden, dass der niedrigste Zellenspannungswert so stark abnimmt, dass er unter den vorbestimmten Schwellenwert fällt, und dies selbst dann, wenn der Zellenzustand ungünstig ist, und kann die Leistungserzeugung demzufolge für eine lange Zeitspanne in einem Niederstöchiometriezustand gehalten werden.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass die Steuerungseinheit den erzeugten elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung in Übereinstimmung mit der Abnahme einer Differenz (z. B. dem nachstehend beschriebenen Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV) zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels und dem Schwellenwert verringert.
Da die Leistungserzeugung mittels der vorliegenden Erfindung zuverlässiger stabilisiert werden kann, indem der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, mit der abnehmenden Differenz zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert und dem vorstehend erwähnten Schwellenwert einhergehend verringert wird, d. h. damit einhergehend, dass sich die Leistungserzeugungsstabilität des Brennstoffzellenstapels verschlechtert, bis es keine andere Alternative mehr gibt, als die Niederstöchiometriesteuerung aufzuheben, kann die Leistungserzeugung im Niederstöchiometriezustand für eine längere Zeitspanne kontinuierlich aufrechterhalten werden.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass die Steuerungseinheit während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung eine Menge von zum Brennstoffzellenstapel zugeführtem Oxidationsgas konstant hält.
Da die Leistungserzeugung mittels der vorliegenden Erfindung stabilisiert werden kann und eine übermäßige Abnahme des niedrigsten Zellenspannungswerts unterdrückt werden kann, indem die Menge von zugeführtem Oxidationsgas kontinuierlich konstant gehalten wird, während der vom Brennstoffzellenstapel erzeugte, elektrische Strom in der vorstehend erwähnten Art und Weise verringert wird, kann die Leistungserzeugung im Niederstöchiometriezustand für eine längere Zeitspanne kontinuierlich aufrechterhalten werden.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass die Steuerungseinheit die Niederstöchiometriesteuerung in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung durchführt, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels unter den Schwellenwert gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für die Niederstöchiometriesteuerung vorgesehen ist.
Da der Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert unter den Schwellenwert gefallen ist, in der vorliegenden Erfindung als die Aufhebungsbedingung der Niederstöchiometriesteuerung vorgesehen ist, wird die Niederstöchiometriesteuerung in Übereinstimmung damit durchgeführt, dass eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, und wird der Brennstoffzellenstapel in den Leerlaufstoppzustand versetzt. Dadurch kann der Leerlaufstoppzustand, in welchem die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels niedrig ist, ungeachtet des Zellenzustands zu diesem Zeitpunkt für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten werden.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass die Steuerungseinheit die Niederstöchiometriesteuerung während einem Systemstoppprozess durchführt, nachdem ein Zündschalter ausgeschaltet worden ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird diese vorstehend erwähnte Niederstöchiometriesteuerung während einem Systemstoppprozess durchgeführt, nachdem ein Zündschalter ausgeschaltet worden ist. Mit anderen Worten wird die Niederstöchiometriesteuerung in einer Zeitspanne vom Ausschalten des Zündschalters bis zum vollständigen Stoppen der Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel durchgeführt und wird die Niederstöchiometriesteuerung für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten, wodurch das im System verbleibende Brennstoffgas ungeachtet des Zellenzustands diesem Zeitpunkt ausreichend vollständig aufgebraucht wird, woraufhin die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels vollständig gestoppt wird.
Zur Lösung der vorstehend erwähnten Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems vor, welches einen Brennstoffzellenstapel einschließt, bei welchem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aneinandergestapelt sind, die Leistung erzeugen, wenn ihnen Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt wird, und eine elektrische Last, die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und die vom Brennstoffzellenstapel erzeugte, elektrische Leistung verbraucht. Das Steuerverfahren schließt ein: einen Leerlaufleistungserzeugungsschritt (z. B. den Prozess der Zeitspanne t0 bis t1 in der nachstehend beschriebenen 5), gemäß welchem eine vorbestimmte Menge von erzeugtem elektrischem Strom produziert wird, während dem Brennstoffzellenstapel eine vorbestimmte Menge von Oxidationsgas zugeführt wird; und einen Niederstöchiometriesteuerungsschritt (z. B. den Prozess der Zeitspanne t1 bis t4 in der nachstehend beschriebenen 5), gemäß welchem sowohl eine Menge von dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Oxidationsgas als auch der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während dem Leerlaufleistungserzeugungsschritt, wobei der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, verringert wird, wenn ein niedrigster Zellenspannungswert (z. B. der nachstehend beschriebene, niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels im Niederstöchiometriesteuerungsschritt nicht unter einen vorbestimmten Schwellenwert (z. B. der nachstehend beschriebene Aufhebungsschwellenwert B) fällt.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, im Niederstöchiometriesteuerungsschritt in Übereinstimmung mit der Abnahme einer Differenz (z. B. dem nachstehend beschriebenen Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV) zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels und dem Schwellenwert verringert wird.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass die Menge von zum Brennstoffzellenstapel zugeführtem Oxidationsgas im Niederstöchiometriesteuerungsschritt konstant gehalten wird.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass der Niederstöchiometriesteuerungsschritt in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während dem Leerlaufleistungserzeugungsschritt erfüllt worden ist, durchgeführt wird, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels unter den Schwellenwert gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für den Niederstöchiometriesteuerungsschritt vorgesehen ist.
In diesem Fall ist es von Vorteil, dass der Niederstöchiometriesteuerungsschritt während einem Systemstoppprozess durchgeführt wird, nachdem ein Zündschalter ausgeschaltet worden ist.
Mittels der vorliegenden Erfindung werden die gleichen Wirkungen erzielt wie bei der vorstehend erwähnten Erfindung eines Brennstoffzellensystem.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens einer Leerlaufstoppsteuerung gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren des Festsetzens eines Strom-Sollwerts während dem Leerlaufstopp zeigt.
4 ist ein Graph, der ein Beispiel eines Steuerungskennfelds zeigt, um auf Grundlage eines Aufhebungsbestimmungs-Spannungswerts einen Strom-Sollwert festzulegen.
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Änderungen des niedrigsten Zellenspannungswerts, des Entladestromwerts und der Luftpumpen-Drehzahl während der Ausführung der Leerlaufstoppsteuerung gemäß der Ausführungsform zeigt; und
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren eines Systemstoppprozesses eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Brennstoffzellensystem 1 schließt einen Brennstoffzellenstapel 10 ein, einen Motor 20, der nicht dargestellte Räder drehbar antreibt, eine Zufuhrvorrichtung 30, die dem Brennstoffzellenstapel 10 Wasserstoffgas als Brennstoffgas und Luft als Oxidationsgas zuführt, eine Hochspannungsbatterie 50, die elektrische Leistung speichert, sowie eine elektronische Steuerungseinheit 70 (nachstehend als „ECU” bezeichnet; engl.: Electronic Control Unit). Dieses Brennstoffzellensystem 1 ist an einem (nicht dargestellten) Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen, welches dadurch fährt, dass es den vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten, elektrischen Strom verwendet, um den Motor 20 anzutreiben.
Der Brennstoffzellenstapel 10 (nachstehend einfach als „Stapel” bezeichnet) ist eine Stapelstruktur, in welcher von mehreren zehn bis mehreren hundert Brennstoffzellen gestapelt sind. Jede Brennstoffzelle ist dadurch konfiguriert, dass ein Membranelektrodenaufbau (MEA) mit einem Paar Trennvorrichtungen geschichtet angeordnet ist. Der Membranelektrodenaufbau ist von den beiden Elektroden einer Anode und einer Kathode konfiguriert, sowie einer zwischen diesen Elektroden aufgenommenen Feststoffpolymer-Elektrolytmembran. Normalerweise sind beide Elektroden von einer Katalysatorschicht gebildet, die mit der Feststoffpolymer-Elektrolytmembran in Kontakt steht und Oxidations- und Reduktionsreaktionen ausführt, sowie einer Gasverteilungsschicht, die mit dieser Katalysatorschicht in Kontakt steht. Wenn dem Anodenkanal, der auf seiner Anodenseite ausgebildet ist, Wasserstoffgas zugeführt wird und einem Kathodenkanal, der auf seiner Kathodenseite ausgebildet ist, sauerstoffhaltige Luft zugeführt wird, erzeugt dieser Stapel 10 Leistung, und zwar mittels einer zwischen diesen stattfindenden, elektrochemischen Reaktion.
Um den Leistungserzeugungszustand dieses vorstehend erwähnten Stapels 10 zu detektieren, ist am Stapel 10 ein Zellenspannungssensor 11 vorgesehen. Nachdem der Stapel 10 in Zellengruppen unterteilt worden ist, die aus einer oder wenigstes zwei einzelnen Zellen gebildet sind, detektiert der Zellenspannungssensor 11 die Spannung jeder Zellengruppe (nachstehend als die „Zellenspannung” bezeichnet) und überträgt ein Signal, welches zum detektierten Wert im Wesentlichen proportional ist, zur ECU 70.
Die Zufuhrvorrichtung 30 ist derart konfiguriert, dass sie eine Luftpumpe 31, die dem Kathodenkanal des Stapels 10 Luft zuführt, und einen Wasserstofftank 35 einschließt, der dem Anodenkanal des Stapels 10 Wasserstoffgas zuführt.
Die Luftpumpe 31 ist über eine Luftzufuhrleitung 32 mit einer Endseite des Kathodenkanals des Stapels 10 verbunden. Eine Luftaustragungsleitung 33 ist mit der anderen Endseite des Kathodenkanals des Stapels 10 verbunden. In dieser Luftaustragungsleitung 33 ist ein Rückschlagventil 34 vorgesehen, welches den Innendruck des Kathodenkanals des Stapels 10 steuert.
Der Wasserstofftank 35 ist über eine Wasserstoff-Zufuhrleitung 36 mit einer Endseite des Anodenkanals des Stapels 10 verbunden. In der Reihenfolge vom Wasserstofftank 35 zum Stapel 10 hin sind in dieser Wasserstoff-Zufuhrleitung 36 ein Absperrventil 42, welches die Zufuhr von Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 35 unterbricht, sowie ein Regler 37 vorgesehen. Dieser Regler 37 regelt nicht nur die Menge von dem Stapel 10 zugeführtem Wasserstoffgas sondern auch den Wasserstoffgasdruck im Anodenkanal des Stapels 10, und zwar mittels eines Kanals 38, der von der mit diesem verbundenen Luftzufuhrleitung 32 abzweigt, des als Signaldruck dienenden Innendrucks der Luftzufuhrleitung 32 sowie mittels Öffnen oder Schließen des Reglers 37 in Abhängigkeit der Höhe dieses Signaldrucks. Wenn der Druck in der Luftzufuhrleitung 32 ansteigt, wirkt der Regler 37 insbesondere zur Öffnungsseite hin, um den Wasserstoffgasdruck derart zu erhöhen, dass er mit diesem übereinstimmt.
An der anderen Endseite des Anodenkanals des Stapels 10 ist eine Wasserstoff-Austragungsleitung 39 vorgesehen, die zu einer nicht dargestellten Verdünnungsvorrichtung führt. In dieser Wasserstoff-Austragungsleitung 39 ist ein Entlüftungsventil 40 vorgesehen, um vom Stapel 10 ausgetragenes Wasserstoffgas auszutragen. Zudem ist in dieser Wasserstoff-Austragungsleitung 39 eine Wasserstoff-Rückführungsleitung 41 vorgesehen, die von der dem Stapel 10 zugewandten Seite des Entlüftungsventils 40 abzweigt und zu der dem Stapel 10 zugewandten Seite des Reglers 37 in der vorstehend erwähnten Wasserstoff-Zufuhrleitung 36 führt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Anodensystem, in welchem ein Wasserstoffgas strömt, von dem Anodenkanal des Stapels 10, der Wasserstoff-Zufuhrleitung 36, der Wasserstoff-Austragungsleitung 39 sowie der Wasserstoff-Rückführungsleitung 41 konfiguriert und ist ein Kathodensystem, in welchem Luft strömt, von dem Kathodenkanal des Stapels 10, der Luftzufuhrleitung 32 und der Luftaustragungsleitung 33 konfiguriert.
Der Stapel 10 ist über eine Stromsteuerungsvorrichtung 24 mit einer Hochspannungsbatterie 50 und einer PDU 22 (Leistungsantriebseinheit; engl.: Power Drive Unit) des Motors 20 verbunden.
Die PDU 22 schließt einen PWM-Inverter ein und steuert den Antriebsbetrieb und den Wiedergewinnungsbetrieb des Motors 20 mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM). Beispielsweise während dem Antrieb durch den Motor 20 wandelt die PDU 22 eine vom Stapel 10 und von der Hochspannungsbatterie 50 ausgegebene Gleichstromleistung in eine Drei-Phasen-Wechselstrom-Leistung um, die dem Motor 20 zugeführt wird, und bewirkt, dass in diesem Motor 20 ein Antriebsdrehmoment erzeugt wird. Beispielsweise während der Wiedergewinnung des Motors 20 wandelt die PDU 22 zudem die vom Motor 20 ausgegebene Drei-Phasen-Wechselstrom-Leistung in Gleichstromleistung um und lädt die Hochspannungsbatterie 50 wieder auf.
Die Hochspannungsbatterie 50 speichert vom Stapel 10 erzeugte, elektrische Leistung und gibt diese beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Stapels 10 in geeigneter Weise ab. Diese Hochspannungsbatterie 50 ist zum Beispiel von einer wiederaufladbaren Batterie, wie beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, oder von Kondensatoren konfiguriert. Die Stromsteuerungsvorrichtung 24 ist derart konfiguriert, dass sie einen DC/DC-Konverter einschließt, und steuert auf Grundlage eines von der ECU 70 festgelegten Strom-Sollwerts den erzeugten, elektrischen Strom, der vom Stapel 10 produziert wird. Der Motor 20 dreht die nicht dargestellten Antriebsräder mittels der vom Stapel 10 erzeugten, elektrischen Leistung und der elektrischen Leistung der Hochspannungsbatterie 50.
Zudem ist eine Niederspannungsquelle 53, die eine niedrigere Spannung aufweist als die vorstehend erwähnte Hochspannungsbatterie 50, über einen Abwärtskonverter 52 mit einer Leistungsleitung 51 verbunden, die die Stromsteuerungsvorrichtung 24 mit der Hochspannungsbatterie 50 verbindet.
In dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten Brennstoffzellensystem 10 werden die Luftpumpe 31 zum Steuern der dem Stapel 10 zugeführten Menge von Luft, das Rückschlagventil 34 zum Steuern des Drucks im Kathodenkanal des Stapels 10, das Entlüftungsventil 40, um im Anodensystem vorhandenes Gas in die Verdünnungsvorrichtung einzuführen, sowie die Stromsteuerungsvorrichtung 24 zum Steuern des erzeugten elektrischen Stroms, der vom Stapel 10 produziert wird, mittels der ECU 70 gesteuert.
Als Nächstes wird die Leerlaufstoppsteuerung des Brennstoffzellensystems erläutert, die als die Niederstöchiometriesteuerung mittels der ECU vorgesehen ist.
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens der Leerlaufstoppsteuerung zeigt. Insbesondere ist sie ein Ablaufdiagramm, welches die Änderungen des Werts des vom Stapel erzeugten, elektrischen Stroms, der Drehzahl der Luftpumpe und dergleichen zeigt, und zwar in einer Zeitspanne nach dem vorübergehenden Anhalten aus einem Fahrzustand, in welchem die vom Stapel erzeugte, elektrische Leistung verwendet wird, d. h. in einem Zustand, in welchem sich das Brennstoffzellenfahrzeug bewegt, zum Zeitpunkt t0, um beispielsweise an einer Verkehrsampel oder dergleichen zu warten, und bis zum Weiterfahren in Antwort auf eine Beschleunigungsanforderung vom Fahrzeuglenker zum Zeitpunkt t2.
Nachdem das Fahrzeug vorübergehend stillsteht und der Stapel dadurch in einen Leerlaufleistungserzeugungszustand gelangt, dass in Antwort darauf die Menge von Luft und Wasserstoffgas, die dem Stapel zugeführt werden, verringert wird (siehe den Zeitpunkt t0), versetzt die ECU den Stapel in Antwort auf die Erfüllung einer vorbestimmten Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung vom Leerlaufleistungserzeugungszustand in den Leerlaufstoppzustand (siehe den Zeitpunkt t1). Insbesondere wird der Stapel dadurch in den Leerlaufstoppzustand versetzt, dass sowohl die Drehzahl der Luftpumpe, die zu der Menge von dem Stapel zugeführter Luft proportional ist, als auch der erzeugte elektrische Strom, der vom Stapel produziert wird, derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während der Leerlaufleistungserzeugung. Danach bewirkt die ECU in Antwort darauf, dass die vorbestimmte Leerlaufstopp-Aufhebungsbedingung erfüllt worden ist (siehe den Zeitpunkt t2), dass sich die Drehzahl der Luftpumpe nach Bedarf erhöht.
Hierin kann der Fall, dass eine angemessene Menge von Verdünnungsgas in die Verdünnungsvorrichtung eingeführt worden ist, als Beispiel für die Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung angeführt werden. Zudem kann der Fall einer vom Fahrzeuglenker ausgehenden Beschleunigungsanforderung sowie der Fall, gemäß welchem die niedrigste Zellenspannung unter einen nachstehend beschriebenen Aufhebungsschwellenwert gefallen ist, als Beispiel für die Leerlaufstopp-Aufhebungsbedingung angeführt werden.
Zudem wird der erzeugte elektrische Strom, der vom Stapel während der Leerlauf-leistungserzeugung und während dem Leerlaufstopp produziert wird, die das Antreiben des Motors nicht erfordern, der Luftpumpe zugeführt, der Hochspannungsbatterie zugeführt, über den Abwärtskonverter einer Niederspannungsquelle zugeführt oder einer Entladungswiderstandvorrichtung zugeführt, die von diesen Lasten unabhängig vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der vom Stapel erzeugte, elektrische Strom, der Lasten zugeführt wird, die von diesen Motoren verschieden sind, insbesondere als Entladestrom bezeichnet.
Im Vergleich zum Leerlaufleistungserzeugungszustand wird der Leerlaufstoppzustand als Zustand instabiler Leistungserzeugung bezeichnet, da die Drehzahl der Luftpumpe im Vergleich zu während der Leerlaufleistungserzeugung weiter verringert wird und da unter der Zufuhr von Luft mit niedriger Strömungsrate kontinuierlich weiter ausgetragen wird. Deshalb wird der Strom-Sollwert während dem Leerlaufstopp in der Leerlaufstoppsteuerung der vorliegenden Ausführungsform mittels des nachstehend dargestellten Verfahrens festgesetzt, um einen im Vergleich zu der Leerlaufleistungserzeugung instabilen Leerlaufstoppzustand für eine lange Zeitspanne aufrechtzuerhalten, wodurch der Entladestrom des Stapels gesteuert wird.
3 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren des Festsetzens des Strom-Sollwerts während dem Leerlaufstopp zeigt. Der in 3 gezeigte Prozess wird von der ECU in jedem vorbestimmten Steuerungszyklus wiederholt durchgeführt, solange ein Leerlaufstoppflag auf „1” festgesetzt ist, welches einen Zustand anzeigt, in welchem ein Versetzen in den Leerlaufstopp verlangt wird. Man beachte, dass dieses Leerlaufstoppflag mittels eines nicht dargestellten Prozesses von „0” auf „1” gesetzt wird, und zwar in Antwort darauf, dass die vorstehend erwähnte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung erfüllt Worden ist, woraufhin es in Antwort darauf, dass die vorstehend erwähnte Leerlaufstopp-Aufhebungsbedingung erfüllt worden ist, von „1” wieder auf „0” zurückgesetzt wird.
Auf Grundlage der Ausgabe vom Zellenspannungssensor wird in Schritt S1 der Wert ermittelt, der unter den Zellenspannungswerten CV1, ..., CVn jeder Zellengruppe, die den Stapel bilden, am niedrigsten ist, und dieser Wert wird als der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig festgelegt.
In Schritt S2 wird bestimmt, ob der in Schritt S1 auf diese Weise ermittelte, niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig nicht größer ist als ein vorbestimmter Beschränkungseinleitungsschwellenwert A. Falls die Bestimmung in Schritt S2 NEIN ergibt, ist die Stabilität der Leistungserzeugung des Stapels unter dem gegenwärtigen Strom-Sollwert sichergestellt; daher wird bestimmt, dass eine Beschränkung des Entladestroms nicht notwendig ist, und wird dieser Prozess beendet.
Falls die Bestimmung in Schritt S2 JA ergibt, wird bestimmt, dass die Stabilität der Leistungserzeugung des Stapels unter dem gegenwärtigen Strom-Sollwert nicht aufrechterhalten werden kann, und rückt der Prozess zu Schritt S3 vor, um den Entladestrom derart zu beschränken, dass der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig nicht unter einen als Aufhebungsbedingung des Leerlaufstopps festgesetzten Aufhebungsschwellenwert B fällt. In Schritt S3 wird ein Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV (= CV_niedrig – B) dadurch berechnet, dass der Aufhebungsschwellenwert B der Leerlaufstoppsteuerung von dem in Schritt S1 ermittelten, niedrigsten Zellenspannungswert CV_niedrig subtrahiert wird. Dann, nachdem der Strom-Sollwert in Schritt S4 zurückgesetzt worden ist, indem ein zuvor angelegtes Steuerungskennfeld auf Grundlage des Aufhebungsbestimmungs-Spannungswerts ΔV durchsucht worden ist, wird dieser Prozess beendet.
4 ist ein Graph, der ein Beispiel eines Steuerungskennfelds zeigt, um auf Grundlage des Aufhebungsbestimmungs-Spannungswerts ΔV den Strom-Sollwert festzulegen.
In 4 wird der Strom-Sollwert dann auf einen Maximalwert Imax festgesetzt, wenn der Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV größer ist als ein zum Einleiten der Strombeschränkung festgesetzter Schwellenwert A – B. Falls der Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV nicht größer ist als der vorstehend erwähnte Schwellenwert A – B, wird der Strom-Sollwert zudem derart festgesetzt, dass er dann, wenn der Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV kleiner wird, zwischen dem vorstehend erwähnten Maximalwert Imax und einem Minimalwert Imin, der größer ist als Null, kleiner wird.
Man beachte, dass das mittels der gestrichelten Linie dargestellte Kennfeld zusätzlich zu dem mittels der durchgezogenen Linie in 4 dargestellten Kennfeld als Steuerungskennfeld zum Festlegen des Strom-Sollwerts verwendet werden kann. Mit anderen Worten kann dieses derart konfiguriert sein, dass der Strom-Sollwert in Antwort auf eine Abnahme von ΔV dazu gebracht wird, rasch abzunehmen, falls der Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV groß ist, und dass der Strom-Sollwert in Antwort auf eine Abnahme von ΔV dazu gebracht wird, allmählich abzunehmen, falls der Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV klein ist.
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Änderungen des niedrigsten Zellenspannungswerts, des Entladestromwerts und der Luftpumpen-Drehzahl während der Ausführung dieser vorstehend erwähnten Leerlaufstoppsteuerung zeigt. Zudem erstreckt sich die Darstellung von 5 vom vorübergehenden Anhalten des Fahrzeugs und dem Eintritt des Stapels in den Leerlaufleistungserzeugungszustand zum Zeitpunkt t0 bis zum anschließenden Wiederanfahren in Antwort auf eine Beschleunigungsanforderung vom Fahrzeuglenker zum Zeitpunkt t4. Man beachte, dass 5 mittels der gestrichelten Linien zum Vergleich den niedrigsten Zellenspannungswert und den Entladestromwert zeigt, wenn der Strom-Sollwert ungeachtet des niedrigsten Zellenspannungswerts kontinuierlich aufrechterhalten wird.
Zuerst tritt der Stapel aufgrund des vorübergehenden Anhaltens des Fahrzeugs zum Zeitpunkt t0 in den Leerlaufleistungserzeugungszustand. In 5 ist die Drehzahl der Luftpumpe bzw. der Entladestromwert während der Leerlaufleistungserzeugung als R1 bzw. I1 gezeigt.
In Antwort auf die Erfüllung der Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung zum Zeitpunkt t1 wird die Drehzahl der Luftpumpe als Nächstes dazu gebracht, ausgehend von der Drehzahl während der Leerlaufleistungserzeugung abzunehmen (R1 → R2). Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Entladestromwert dazu gebracht, ausgehend von jenem während der Leerlaufleistungserzeugung abzunehmen, indem der Entladestromwert ebenfalls zum Abnehmen veranlasst wird (I1 → I2), und zwar zusammen mit der Drehzahl der Luftpumpe. Dadurch wird der Stapel zum Zeitpunkt t1 und danach in den Leerlaufstoppzustand versetzt.
Falls sowohl die Drehzahl der Luftpumpe als auch der Entladestromwert dazu gebracht werden, mehr abzunehmen als während der Leerlaufleistungserzeugung, wird die Leistungserzeugung des Stapels zudem instabil; daher kann der niedrigste Zellenspannungswert zum Zeitpunkt t1 oder danach allmählich abnehmen.
Falls der Strom-Sollwert während dem Leerlaufstopp kontinuierlich konstant gehalten wird, kann die Abnahme des Entladestromwerts unterdrückt werden, wie mittels der gestrichelten Linie in 5 gezeigt; die Leistungserzeugung des Stapels wird aufgrund des produzierten Wassers, welches während der Leistungserzeugung erzeugt worden ist, indes noch instabiler, und der niedrigste Zellenspannungswert wird stark abnehmen. Zum Zeitpunkt t3 wird der Leerlaufstoppzustand in Antwort darauf, dass der niedrigste Zellenspannungswert unter den Aufhebungsschwellenwert B gefallen ist, dann aufgehoben. Man beachte, dass der niedrigste Zellenspannungswert nach der Aufhebung des Leerlaufstopps wieder hergestellt wird, indem der Strom-Sollwert auf Null festgesetzt wird, solange die Drehzahl der Luftpumpe konstant gehalten und lediglich das Austragen des Stapels gestoppt wird, wie mittels der gestrichelten Linie in 5 gezeigt; die vorliegende Erfindung ist indes nicht darauf beschränkt.
Im Gegensatz dazu wird der Strom-Sollwert in der vorliegenden Ausführungsform in Übereinstimmung mit der Abnahme des niedrigsten Zellenspannungswerts verringert, solange die Drehzahl der Luftpumpe in Antwort darauf, dass der niedrigste Zellenspannungswert zum Zeitpunkt t2 unter den Beschränkungseinleitungsschwellenwert A gefallen ist, konstant gehalten wird, nachdem der Stapel zum Zeitpunkt t1 in den Leerlaufstopp versetzt worden ist, wie mittels der durchgezogenen Linie in 5 gezeigt. Obgleich der Entladestromwert im Vergleich zu einem Fall, in welchem der Strom-Sollwert kontinuierlich konstant gehalten wird, dadurch vorübergehend abnimmt, wird der niedrigste Zellenspannungswert auf einem höheren Wert als der Aufhebungsschwellenwert B gehalten, und kann der Leerlaufstoppzustand demzufolge bis zum Zeitpunkt t4, zu welchem eine Beschleunigungsanforderung vom Fahrzeuglenker ausgeht, kontinuierlich aufrechterhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden folgende Wirkungen erzielt.

(1) In der vorliegenden Ausführungsform wird die Leerlaufstoppsteuerung durchgeführt und wird der Stapel in den Leerlaufstoppzustand versetzt, indem sowohl die Menge von dem Stapel zugeführter Luft als auch der Entladestrom derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während der Leerlaufleistungserzeugung. Da dadurch verhindert werden kann, dass in der Nähe der MEA jeder Brennstoffzelle verbleibender Sauerstoff gleichzeitig mit Wasserstoff vorhanden ist, und verhindert werden kann, dass der Brennstoffzellenstapel in einen Hochspannungszustand gelangt, kann eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels unterdrückt werden. Zudem wird der Entladestrom des Stapels in der vorliegenden Ausführungsform bei der Abnahme des niedrigsten Zellenspannungswerts CV_niedrig verringert, und zwar während der Durchführung der Leerlaufstoppsteuerung, in welcher die Leistungserzeugungsstabilität dazu neigt, vom Zellenzustand beeinflusst zu werden. Dadurch kann verhindert werden, dass der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig so stark abnimmt, dass er unter den Aufhebungsschwellenwert B fällt, und zwar selbst dann, wenn der Zellenzustand nicht günstig ist, und kann die Leistungserzeugung demzufolge für eine lange Zeitspanne in einem Niederstöchiometriezustand gehalten werden.
(2) Da die Leistungserzeugung in der vorliegenden Ausführungsform zuverlässiger stabilisiert werden kann, indem der Entladestrom mit dem einer Differenz zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert CV_niedrig und dem Aufhebungsschwellenwert B entsprechenden Aufhebungsbestimmungs-Spannungswert ΔV einhergehend verringert wird, d. h. einhergehend mit einer Verschlechterung der Leistungserzeugungsstabilität des Stapels, bis es keine andere Alternative mehr gibt, als den Leerlaufstopp aufzuheben, kann der Leerlaufstoppzustand für eine längere Zeitspanne kontinuierlich aufrechterhalten werden.
(3) Da die Leistungserzeugung in der vorliegenden Ausführungsform stabilisiert werden kann und eine übermäßige Abnahme des niedrigsten Zellenspannungswerts CV_niedrig dadurch unterdrückt werden kann, dass die Menge von zugeführter Luft kontinuierlich konstant gehalten wird, während der Entladestrom in der vorstehend erwähnten Art und Weise verringert wird, kann der Leerlaufstoppzustand für eine längere Zeitspanne kontinuierlich aufrechterhalten werden.
(4) Da der Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig unter den Aufhebungsschwellenwert B gefallen ist, in der vorliegenden Ausführungsform als die Aufhebungsbedingung des Leerlaufstopps vorgesehen ist, wird die Leerlaufstoppsteuerung in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung durchgeführt, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, und wird der Brennstoffzellenstapel in den Leerlaufstoppzustand versetzt. Dadurch kann der Leerlaufstoppzustand, in welchem die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapel niedrig ist, ungeachtet des Zellenzustands zu diesem Zeitpunkt für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten werden.

Zweite Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird als Nächstes eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich die Zeitspanne zum Durchführen der Niederstöchiometriesteuerung von derjenigen der vorstehend erwähnten, ersten Ausführungsform. In der vorstehend erwähnten, ersten Ausführungsform wird die Leerlaufstoppsteuerung in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, als eine Niederstöchiometriesteuerung durchgeführt, solange der Zündschalter eingeschaltet ist; in der vorliegenden Ausführungsform wird die Niederstöchiometriesteuerung indes für eine vorbestimmte Zeitspanne während dem Systemstoppprozess durchgeführt, nachdem der Zündschalter ausgeschaltet worden ist.
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren des Systemstoppprozesses eines Brennstoffzellensystems zeigt, welches bewirkt, dass die Leistungserzeugung durch den Stapel vollständig gestoppt wird. Insbesondere ist sie ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren des Systemstoppprozesses zeigt, und zwar vom Ausschalten des Zündschalters zum Zeitpunkt t0 bis zum anschließenden vollständigen Stoppen der Leistungserzeugung durch den Stapel zum Zeitpunkt t3.
Wenn der Zündschalter ausgeschaltet wird, wird in dem Systemstoppprozess das Auftreten eines Fehlers, wie beispielsweise des Absperrventils oder des Rückschlagventils, für eine vorbestimmte Zeitspanne bestimmt, während der Stapel im Leerlaufleistungserzeugungszustand verbleibt (siehe die Zeitspanne t0 bis t1).
Wenn die Fehlerdetektion endet, führt die ECU für eine vorbestimmte Zeitspanne eine O₂-arme Leistungserzeugungssteuerung als die Niederstöchiometriesteuerung durch und versetzt den Stapel vom Leerlaufleistungserzeugungszustand zurück in den im Wesentlichen gleichen Zustand wie den in der vorstehend erwähnten, ersten Ausführungsform erläuterten Leerlaufstoppzustand. Zusammen mit den Schließen des Absperrventils und des Rückschlagventils werden insbesondere sowohl die Drehzahl der Luftpumpe als auch der Entladestrom derart verringert, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während der Leerlaufleistungserzeugung (Zeitspanne t0 bis t1).
Um den Entladestrom derart zu beschränken, dass der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig während der Durchführung dieser vorstehend erwähnten O₂-armen Leistungserzeugungssteuerung nicht unter einen Schwellenwert D fällt, der auf einen Wert festgesetzt ist, der etwas größer ist als Null, wird der Strom-Sollwert zudem auf einen Wert festgesetzt, der kleiner ist als ein mittels Subtrahieren des Schwellenwerts D vom niedrigsten Zellenspannungswert CV_niedrig erhaltener Bestimmungsspannungswert ΔV (= CV_niedrig – D). Dadurch kann der niedrigste Zellenspannungswert selbst dann auf einem höheren Wert als der Schwellenwert D gehalten werden, wenn der Zellenzustand ungünstig ist, wie in 6 gezeigt. Man beachte, dass dadurch, dass das Verfahren zum Festsetzen des Strom-Sollwerts im Wesentlichen das gleiche ist wie das unter Bezugnahme auf 3 der ersten Ausführungsform erläuterte Verfahren, eine ausführliche Erläuterung desselben weggelassen wird.
Nachdem diese O₂-arme Leistungserzeugungssteuerung für eine vorbestimmte Zeitspanne durchgeführt worden ist, so dass im System verbleibendes Wasserstoffgas ausreichend verbraucht wird, wird eine Abwärtskonverter-Entladesteuerung durchgeführt (siehe die Zeitspanne t2 bis t3). Insbesondere wird die Drehzahl der Luftpumpe auf Null gesetzt und wird der Entladestrom einer Niederspannungsquelle zugeführt. Falls die Zellenspannung mittels Durchführung dieser Abwärtskonverter-Entladesteuerung in ausreichendem Maß abgenommen hat, wird die Verbindung zwischen dem Stapel und einer Stromsteuerungsvorrichtung dadurch getrennt, dass eine nicht dargestellte Brennstoffzellenschaltvorrichtung ausgeschaltet wird, wodurch die Leistungserzeugung durch den Stapel vollständig gestoppt wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden folgende Wirkungen erzielt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die O₂-arme Leistungserzeugungssteuerung als die vorstehend erwähnte Niederstöchiometriesteuerung durchgeführt, und zwar in einer Zeitspanne vom Ausschalten des Zündschalters bis zum vollständigen Stoppen der Leistungserzeugung durch den Stapel, und wird der Niederstöchiometriezustand für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten, wodurch im System verbleibendes Wasserstoffgas ungeachtet des Zellenzustands zu diesem Zeitpunkt in ausreichendem Maß verbraucht wird, woraufhin die Leistungserzeugung durch den Stapel zum vollständigen Stoppen gebracht werden kann.
Ein Brennstoffzellensystem schließt eine ECU ein, die den Brennstoffzellenstapel in einen Leerlaufstoppzustand versetzt, indem sowohl eine Drehzahl einer Luftpumpe als auch ein Entladestromwert des Brennstoffzellenstapels in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während einer Leerlaufleistungserzeugung. Die ECU verringert den Entladestromwert mehr als der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig nicht unter einen Aufhebungsschwellenwert B fällt, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert CV_niedrig des Brennstoffzellenstapels unter den Aufhebungsschwellenwert B gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für den Niederstöchiometriesteuerungsschritt vorgesehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-116281 [0001]
JP 2006-294304 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (1), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (10), bei welchem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aneinandergestapelt sind, die Leistung erzeugen, wenn Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt wird; eine elektrische Last (20, 31, 50), die mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden ist und die vom Brennstoffzellenstapel (10) erzeugte, elektrische Leistung verbraucht; und eine Steuerungseinheit (70), die eine Niederstöchiometriesteuerung durchführt, um sowohl eine Menge von dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführtem Oxidationsgas als auch einen vom Brennstoffzellenstapel (10) erzeugten, elektrischen Strom derart zu verringern, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während einer Leerlaufleistungserzeugung, wobei die Steuerungseinheit (70) den erzeugten elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellenstapel (10) produziert wird, verringert, wenn ein niedrigster Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung nicht unter einen vorbestimmten Schwellenwert (B) fällt.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, bei welchem die Steuerungseinheit (70) den erzeugten elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellenstapel produziert wird, während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung in Übereinstimmung mit der Abnahme einer Differenz (ΔV) zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels und dem Schwellenwert verringert.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Steuerungseinheit (70) während der Durchführung der Niederstöchiometriesteuerung eine Menge von zum Brennstoffzellenstapel (10) zugeführtem Oxidationsgas konstant hält.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Steuerungseinheit (70) die Niederstöchiometriesteuerung in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während der Leerlaufleistungserzeugung erfüllt worden ist, durchführt, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) unter den Schwellenwert (B) gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für die Niederstöchiometriesteuerung vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Steuerungseinheit (70) die Niederstöchiometriesteuerung während einem Systemstoppprozess durchführt, nachdem ein Zündschalter ausgeschaltet worden ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), welches einen Brennstoffzellenstapel (10) einschließt, bei welchem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aneinandergestapelt sind, die Leistung erzeugen, wenn ihnen Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt wird, und eine elektrische Last (20, 31, 50), die mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden ist und die vom Brennstoffzellenstapel (10) erzeugte, elektrische Leistung verbraucht, wobei das Verfahren umfasst: einen Leerlaufleistungserzeugungsschritt, gemäß welchem eine vorbestimmte Menge von erzeugtem elektrischem Strom produziert wird, während dem Brennstoffzellenstapel (10) eine vorbestimmte Menge von Oxidationsgas zugeführt wird; und einen Niederstöchiometriesteuerungsschritt, gemäß welchem sowohl eine Menge von dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführtem Oxidationsgas als auch der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel (10) produziert wird, derart verringert werden, dass sie innerhalb eines Bereichs, der größer ist als Null, kleiner sind als während dem Leerlaufleistungserzeugungsschritt, wobei der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel (10) produziert wird, verringert wird, wenn ein niedrigster Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) abnimmt, und zwar derart, dass der niedrigste Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) im Niederstöchiometriesteuerungsschritt nicht unter einen vorbestimmten Schwellenwert (B) fällt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1) gemäß Anspruch 6, bei welchem der erzeugte elektrische Strom, der vom Brennstoffzellenstapel (10) produziert wird, im Niederstöchiometriesteuerungsschritt in Übereinstimmung mit der Abnahme einer Differenz (ΔV) zwischen dem niedrigsten Zellenspannungswert des Brennstoffzellenstapels und dem Schwellenwert verringert wird.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei welchem die Menge von zum Brennstoffzellenstapel (10) zugeführtem Oxidationsgas im Niederstöchiometriesteuerungsschritt konstant gehalten wird.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der Niederstöchiometriesteuerungsschritt in Antwort auf eine vorbestimmte Leerlaufstopp-Einleitungsbedingung, die während dem Leerlaufleistungserzeugungsschritt erfüllt worden ist, durchgeführt wird, wobei ein Fall, in welchem der niedrigste Zellenspannungswert (CV_niedrig) des Brennstoffzellenstapels (10) unter den Schwellenwert (B) gefallen ist, als eine Aufhebungsbedingung für den Niederstöchiometriesteuerungsschritt vorgesehen ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der Niederstöchiometriesteuerungsschritt während einem Systemstoppprozess durchgeführt wird, nachdem ein Zündschalter ausgeschaltet worden ist.