DE102015118304B4

DE102015118304B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102015118304B4
Application number: DE102015118304.8A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Maruo; Yoshiaki Naganuma; Tomohiro Ogawa; Masashi TOIDA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: CA2911568A1; US20160141670A1; CA2911568C; DE102015118304A1; CN105609830B; JP6198146B2; CN105609830A; KR101851830B1; US9825317B2; JP2016095985A; KR20160057319A

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend:eine Brennstoffzelle (20);ein Gaszufuhrsystem (30, 40), das der Brennstoffzelle (20) Gas zuführt; undeinen Controller (60), der das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert,wobei der Controller (60) das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert, um während einer Stillstandzeit der Brennstoffzelle (20) ein Spülverfahren auszuführen, und, wenn das Spülverfahren durch eine von einem Nutzer während der Ausführung des Spülverfahrens vorgenommene Handlung unterbrochen wird, der Controller (60) das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert, um das Spülverfahren erneut zu starten, wenn eine Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeit überschritten hat.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Steuerverfahren hierfür.
Stand der Technik
Bisher wurde ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die mit Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt werden kann, um Strom bzw. Leistung zu erzeugen, vorgeschlagen und in der Praxis verwendet. Eine Brennstoffzelle ist ein Stromerzeugungssystem, das Brennstoff vermittels einer elektrochemischen Reaktion oxidiert, um die bei der Oxidationsreaktion freigesetzte Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wenn Strom bzw. Leistung durch ein derartiges Brennstoffzellensystem erzeugt wird, wird durch die elektrochemische Reaktion Wasser in der Brennstoffzelle erzeugt. Es gibt Fälle, bei denen das erzeugte Wasser in einem Reaktionsgasströmungspfad in der Brennstoffzelle aufgestaut wird, wodurch die Strömung der Reaktionsgase blockiert wird. Wenn das Brennstoffzellensystem ferner in einer Niedertemperaturumgebung bei einem Gefrierpunkt oder dergleichen betrieben wird, gefiert das in den Elektroden (eine Katalysatorschicht oder eine Diffusionsschicht) der Brennstoffzellen verbleibende Wasser, was zu einer deutlichen Verschlechterung der Startleistung derselben führt.
Um die dem in der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser zuzuschreibenden Probleme zu lösen, wurde eine Technologie vorgeschlagen, um einem Reaktionsgasströmungspfad trockenen Sauerstoff oder trockenen Wasserstoff zuzuführen, während der Betrieb einer Brennstoffzelle gestoppt ist, wodurch ein Spülvorgang bzw. Spülverfahren ausgeführt wird, um das Wasser in einem Gasströmungspfad in der Brennstoffzelle oder die Feuchtigkeit an einem Ventil und dergleichen eines Brennstoffzellensystems zu verringern (siehe beispielsweise die JP 2013- 211 163 A ). Gemäß der in der JP 2013- 211 163 A beschriebenen Technologie wird angenommen, dass der Zeitpunkt des Spülverfahrens abhängig von einer Außenlufttemperatur oder einer Brennstoffzellentemperatur einstellbar ist.
Um ein automatisiertes Spülverfahren während der Stillstandzeit einer Brennstoffzelle auszuführen, wie in der JP 2013- 211 163 A beschrieben, ist gesetzlich vorgegeben, einen Mechanismus in ein System einzubinden, wodurch das automatisierte Spülverfahren vermittels einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung unterbrochen werden kann. Wenn das automatisierte Spülverfahren durch die von einem Nutzer vorgenommene Handlung (z.B. dem Einschalten einer Zündung oder dem Öffnen eines Tankdeckels) unterbrochen wird, kann sich der Nutzer, wenn das Spülverfahren unmittelbar nach der Unterbrechung wieder gestartet wird, unbehaglich fühlen und den Eindruck gewinnen, dass das Brennstoffzellensystem den Prozess entgegen seiner oder ihrer Handlung ausführt. Brennstoffzellensysteme sowie Spülverfahren für Brennstoffzellensysteme sind zudem aus der JP 2006- 190 616 A sowie der US 2007 / 0 092 771 A1 bekannt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Hintergrund gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, mit dem ein Spülverfahren neu gestartet werden kann, ohne dass sich der Nutzer unbehaglich fühlt, wenn das Spülverfahren während der Stillstandzeit einer Brennstoffzelle durch eine von einem Nutzer vorgenommene Handlung unterbrochen wird.
Diesbezüglich umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung: eine Brennstoffzelle; ein Gaszufuhrsystem, das der Brennstoffzelle Gas zuführt; und einen Controller, der das Gaszufuhrsystem steuert, wobei der Controller das Gaszufuhrsystem steuert, um während einer Stillstandzeit der Brennstoffzelle ein Spülverfahren auszuführen, und, wenn das Spülverfahren durch eine von einem Nutzer während der Ausführung des Spülverfahrens vorgenommene Handlung unterbrochen wird, der Controller das Gaszufuhrsystem steuert, um das Spülverfahren erneut zu starten, wenn eine Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeit überschritten hat.
Ferner ist ein Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem zum Ausführen eines Spülverfahrens während einer Stillstandzeit einer Brennstoffzelle, wobei, wenn das Spülverfahren durch eine von einem Nutzer während der Ausführung des Spülverfahrens vorgenommene Handlung unterbrochen wird, das Spülverfahren erneut gestartet wird, wenn eine Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeit überschritten hat.
Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau und dem Verfahren ist es möglich, ein Spülverfahren neu zu starten, nachdem eine vorgegebene Zeit ab der Unterbrechung des Spülverfahrens verstrichen ist, wenn das während einer Stillstandzeit einer Brennstoffzelle ausgeführte Spülverfahren durch eine von einem Nutzer vorgenommene Handlung unterbrochen wird. Damit kann verhindert werden, dass das Spülverfahren unmittelbar nach der Unterbrechung neu gestartet wird, wodurch das Spülverfahren ausgeführt werden kann, ohne dass sich der Nutzer unbehaglich fühlt (d.h. ohne dass der Nutzer das Gefühl bekommt, dass das Brennstoffzellensystem den Prozess entgegen seiner oder ihrer Handlung ausführt).
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen Außenlufttemperaturdetektor aufweisen, der eine Außenlufttemperatur während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle misst. In diesem Fall kann ein Controller eingesetzt werden, der die Ausführung des Spülverfahrens veranlasst, wenn eine von dem Außenlufttemperaturdetektor erfasste Außenlufttemperatur unter einer vorgegebenen Temperatur liegt.
Gemäß dieser Anordnung kann das Spülverfahren während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle automatisch ausgeführt werden, wenn die Außenlufttemperatur fällt (z.B. unter null Grad Celsius [0°C]). Daher kann das Wasservolumen der nicht in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle in einer Niedertemperaturumgebung reduziert werden, wodurch das Auftreten einer verschlechterten Startleistung verhindert werden kann, die dem Gefrieren des Wassers in der Brennstoffzelle geschuldet ist, das durch die Abnahme der Außenlufttemperatur verursacht wird.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen Controller einsetzen, der entsprechend einer von dem Außenlufttemperaturdetektor erfassten Außenlufttemperatur eine Zeit einstellt, die für den Neustart des Spülverfahrens ab einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird.
Mit dieser Anordnung kann die Zeit, die für den Neustart des Spülverfahrens nach einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird (die Spülunterbrechungszeit) entsprechend der Außenlufttemperatur eingestellt werden. Wenn beispielsweise die Außenlufttemperatur relativ niedrig ist, kann die Spülunterbrechungszeit relativ kurz eingestellt werden, um das Spülverfahren relativ bald wieder zu starten, wodurch es möglich ist, das Gefrieren des Wassers in der Brennstoffzelle, das durch die Abnahme der Außenlufttemperatur verursacht wird, zu unterdrücken.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen Controller einsetzen, der entsprechend einer identifizierten Art der von einem Nutzer vorgenommenen Handlung eine Zeit einstellt, die für den Neustart des Spülverfahrens ab einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund der von dem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird.
Mit dieser Anordnung kann die Zeit, die für den Neustart des Spülverfahrens nach einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird (die Spülunterbrechungszeit) entsprechend der Art der vom Nutzer vorgenommenen Handlung eingestellt werden. Wenn eine Art von Handlung identifiziert wird, die andeutet, dass ein Nutzer relativ bald seinen oder ihren Handlungsort verlässt (z.B. wenn der Nutzer eine Zündung einschaltet, um das Spülverfahren zu unterbrechen und dann unmittelbar die Zündung ausschaltet, oder wenn der Nutzer einen Tankdeckel öffnen, um das Spülverfahren zu unterbrechen und dann unmittelbar den Tankdeckel schließt), kann die Spülunterbrechungszeit relativ kurz eingestellt werden, um das Spülverfahren relativ bald wieder zu starten. Wenn dagegen eine Art von Handlung identifiziert wird, die andeutet, dass ein Nutzer relativ lange an seinem oder ihrem Handlungsort verbleibt (z.B. wenn der Nutzer eine Zündung einschaltet, um das Spülverfahren zu unterbrechen und dann die Zündung für eine vorgegebene Zeitspanne oder länger nicht ausschaltet, oder wenn der Nutzer einen Tankdeckel öffnen, um das Spülverfahren zu unterbrechen und dann den Tankdeckel für eine vorgegebene Zeitspanne oder länger nicht schließt), kann die Spülunterbrechungszeit relativ lang eingestellt werden, um den Neustart des Spülverfahrens relativ lange zu verzögern.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, mit dem ein Spülverfahren neu gestartet werden kann, ohne dass sich der Nutzer unbehaglich fühlt, wenn das Spülverfahren während der Stillstandzeit einer Brennstoffzelle durch eine von einem Nutzer vorgenommene Handlung unterbrochen wird.
Figurenliste

1 zeigt ein Blockschaubild, das schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Sofern nicht anders angegeben, basiert die Positionsbeziehung hinsichtlich oben, unten, links, rechts und dergleichen in den Zeichnungen auf der Positionsbeziehung, die in der Zeichnung dargestellt ist. Die Abmessungsverhältnisse der Zeichnungen sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Verhältnisse beschränkt. Zudem ist die nachfolgende Ausführungsform lediglich ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, und die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung verschiedene Abwandlungen umfasst, außer die Abwandlungen weichen vom Grundgedanken der Erfindung ab.
Zunächst Bezug nehmend auf 1 wird der Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 funktioniert beispielsweise als Fahrzeugleistungssystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug als mobiler Körper installiert ist. Das Brennstoffzellensystem 10 hat eine Brennstoffzelle 20, die mit Reaktionsgasen (Brenngas oder Oxidationsgas) versorgt wird, um Leistung bzw. Strom zu erzeugen, ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30, das Luft als Oxidationsgas der Brennstoffzelle 20 zuführt, ein Brenngaszufuhrsystem 40, das Wasserstoffgas als Brenngas der Brennstoffzelle 20 zuführt, ein Leistungssystem 50, das das Laden und Entladen von Leistung steuert, sowie einen Controller 60, der das gesamte System integral steuert.
Die Brennstoffzelle 20 ist ein Festpolymerelektrolytzellenstapel, bestehend aus einer großen Anzahl von in der Reihe gestapelten Zellen. In der Brennstoffzelle 20 tritt an einer Anodenelektrode die durch den Ausdruck (1) dargestellte Oxidationsreaktion auf, während an einer Kathodenelektrode die durch den Ausdruck (2) dargestellte Reduktionsreaktion auftritt. In der gesamten Brennstoffzelle 20 tritt eine durch den Ausdruck (3) dargestellte Stromerzeugungsreaktion auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^- (1) (½) O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O (2) H₂ + (½) O₂ →H₂O (3)
Jede der die Brennstoffzelle 20 bildenden Zellen besteht aus einer Polymerelektrolytmembran, einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und Separatoren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode halten die Polymerelektrolytmembran von beiden Seiten und bilden einen Sandwichaufbau. Die Separatoren, die aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Element bestehen, halten die Anodenelektrode und Kathodenelektrode von beiden Seiten, und bilden Strömungspfade für Brenngas und Oxidationsgas zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode.
Die Anodenelektrode sowie die Kathodenelektrode haben eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Die Katalysatorschicht hat einen katalysatortragenden Kohlenstoff, der beispielsweise platinbasierte Edelmetallpartikel trägt, die als Katalysator funktionieren, sowie ein Polyelektrolyt bzw. Polymerelektrolyt. Als platinbasiertes Material der Edelmetallpartikel kann beispielsweise ein Metallkatalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru, oder dergleichen) verwendet werden. Der katalysatortragende Kohlenstoff kann beispielsweise Ruß sein. Als Polyelektrolyt bzw. Polymerelektrolyt kann ein ionenleitendes Ionenaustauschharz oder dergleichen verwendet werden. Die auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildete Gasdiffusionsschicht ist luftdurchlässig und elektrisch leitend und besteht aus Kohlenstoffgewebe, das aus einem aus Kohlenstofffasern bestehenden Garn gewoben ist, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz.
Die Polymerelektrolytmembran ist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran aus einem Festpolymermaterial, beispielsweise einem fluorbasierten Harz, und zeigt im nassen Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Polymerelektrolytmembran, die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine Membranelektrodenanordnung.
Wie in 1 gezeigt ist, hat die Brennstoffzelle 20 einen Spannungssensor 71 zum Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 (FC-Spannung) und einen Stromsensor 72 zum Erfassen des Ausgangsstroms derselben (FC-Strom).
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 hat eine Oxidationsgasleitung 33, durch welche das Oxidationsgas, das der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, fließt, sowie eine Oxidationsabgasleitung 34, durch welche ein von der Brennstoffzelle 20 ausgestoßenes Oxidationsabgas fließt. Die Oxidationsgasleitung 33 hat einen Luftkompressor 32, der das Oxidationsgas durch einen Filter 31 aus der Umgebung ansaugt, sowie ein Sperrventil A1 zum Absperren der Zufuhr des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 20. Die Oxidationsabgasleitung 34 hat ein Sperrventil A2 zum Absperren des Austragens des Oxidationsabgases aus der Brennstoffzelle 20, sowie einen Gegendruckregler A3 zum Einstellen eines Oxidationsgaszufuhrdrucks.
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat eine Brenngaszufuhrquelle 41, eine Brenngasleitung 43, durch welche ein der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 von der Brenngaszufuhrquelle 41 zuzuführendes Brenngas fließt, eine Zirkulationsleitung 44 zum Zurückführen des von der Brennstoffzelle 20 ausgetragenen Brenngasabgases zur Brenngasleitung 43, eine Zirkulationspumpe 45, die das Brenngasabgas in der Zirkulationsleitung 44 der Brenngasleitung 43 unter Druck zuführt, sowie eine Entlüftungs- und Auslassleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigend angeordnet ist.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruckwasserstofftank oder einer wasserstoffspeichernden Legierung und speichert Wasserstoffgas unter hohem Druck (z.B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn das Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt Brenngas aus der Brenngaszufuhrquelle 41 in die Brenngasleitung 43. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regler H2 oder einen Injektor 42 auf beispielsweise etwa 200 kPA verringert, bevor das Brenngas der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird.
Die Entlüftungs- und Auslassleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt, ist mit der Zirkulationsleitung 44 verbunden. Die Entlüftungs- und Auslassleitung 46 hat ein Entlüftungs- und Auslassventil H3. Das Entlüftungs- und Auslassventil H3 wird ansprechend auf eine Anweisung vom Controller 60 betätigt, um Wasser und Brenngasabgas mit Verunreinigungen aus der Zirkulationsleitung 44 nach außen auszutragen.
Das durch das Entlüftungs- und Auslassventil H3 ausgetragene Brenngasabgas wird mit dem Oxidationsabgas vermischt, das durch die Oxidationsabgasleitung 34 strömt, und die Mischung wird durch einen (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt. Die Zirkulationspumpe 45 zirkuliert das Brenngasabgas in einem Zirkulationssystem und führt es der Brennstoffzelle 20 durch Antreiben eines Motors zu.
Das Leistungssystem 50 hat einen Gleichstromwandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebsinverter 53 bzw. -wechselrichter, einen Antriebsmotor 54 sowie Hilfsaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 hat eine Funktion zum Verstärken der von der Batterie 52 zugeführten Gleichstromspannung und Ausgeben der verstärkten Gleichstromspannung an den Antriebsinverter 53, sowie eine Funktion zum Heruntersetzen der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten Gleichstromleistung oder der vom Antriebsmotor 54 während eines regenerativen Bremsens gesammelten regenerativen Leistung, und zum Laden der Batterie 52 mit der heruntergesetzten Leistung.
Die Batterie 52 fungiert hauptsächlich als Speicherquelle für überschüssige Leistung, als Speicherquelle für regenerative Energie beim regenerativen Bremsen und als Energiepuffer bei Lastschwankungen, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug beschleunigt oder verzögert. Idealerweise wird als Batterie 52 eine Sekundärbatterie bzw. ein Akku wie eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithium-Sekundärbatterie verwendet. Die Batterie 52 hat einen SOC-Sensor 73 zum Erfassen eines Ladezustands (SOC), der die Restkapazität derselben anzeigt.
Der Antriebsinverter 53 ist beispielsweise ein PWM-Inverter, der in einem Pulsweitenmodulationsmodus angetrieben wird, und wandelt die Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, in eine Drei-Phasen-Wechselstromspannung um, um das Drehmoment des Antriebsmotors 54 entsprechend einer Anweisung vom Controller 60 zu steuern. Der Antriebsmotor 54 ist beispielsweise ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor und bildet eine Bewegungsleistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die Hilfsaggregate 55 bezeichnen als Sammelbegriff die in Abschnitten des Brennstoffzellensystems 10 angeordneten Motoren, die Inverter zum Antreiben der Motoren sowie verschiedene Arten von fahrzeugbasierten Hilfsaggregaten (z.B. den Luftkompressor 52, den Injektor 42, die Zirkulationspumpe 45, einen Kühler sowie eine Kühlwasserzirkulationspumpe).
Der Controller 60 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM sowie einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle und steuert jeden Abschnitt des Brennstoffzellensystems 10. Beispielsweise startet der Controller nach Erhalt eines Startsignals IG von einem Zündschalter den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und bestimmt die vom gesamten System benötigte Leistung basierend auf einem Beschleunigeröffnungssignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, oder dergleichen. Die vom gesamten System benötigte Leistung ist der Gesamtwert der für das Fahren des Fahrzeugs benötigten Leistung und der Leistung für die Hilfsaggregate.
Die Leistung für die Hilfsaggregate umfasst hauptsächlich die durch die fahrzeugbasierten Hilfsaggregate (den Luftkompressor 32, die Zirkulationspumpe 45, die Kühlwasserzirkulationspumpe und dergleichen) verbrauchte Leistung, die von den für das Fahren des Fahrzeugs notwendigen Vorrichtungen verbrauchte Leistung (ein Getriebe, eine Radsteuerung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung und dergleichen) und die von Vorrichtungen, die in einer Fahrgastzelle angeordnet sind, verbrauchte Leistung (eine Klimaanlage, eine Beleuchtung, ein Audiosystem und dergleichen).
Der Controller 60 bestimmt die Aufteilung der von der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52 ausgegebenen Leistung, steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40 derart, dass die von der Brennstoffzelle 20 erzeugte Leistung mit einer gewünschten Menge an Leistung zusammenfällt, und steuert auch den Gleichstromwandler 51, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 einzustellen, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 gesteuert werden.
In der Brennstoffzelle 20 gelangen, wenn das Brennstoffzellensystem 10 in Betrieb ist, die an der Anodenelektrode erzeugten Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran und bewegen sich zur Kathodenelektrode, wie durch den vorstehend genannten Ausdruck (1) angezeigt ist. Wasserstoffionen, die die Kathodenelektrode erreicht haben, verursachen die elektrochemische Reaktion mit dem Sauerstoff im der Kathodenelektrode zugeführten Oxidationsgas, und verursachen auch eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffs, wodurch, wie durch den vorstehend genannten Ausdruck (2) dargestellt, Wasser erzeugt wird.
Der Controller 60 ist ferner mit einem Temperatursensor (Außenlufttemperaturdetektor) 75 verbunden, der die Außenlufttemperatur während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle 20 erfasst. Der Controller 60 erhält eine Eingabe mit Informationen über die Außenlufttemperatur, die vom Temperatursensor 75 erfasst wird, und führt während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle 20 ein Spülverfahren aus. Genauer gesagt steuert der Controller 60, wenn die Außenlufttemperatur, die vom Temperatursensor 75 erfasst wird, unter eine vorgegebene Temperatur fällt (z.B. null Grad Celsius [0°C]), den Antrieb des Luftkompressors 32, des Sperrventils A1, des Sperrventils H1, des Reglers H2, des Injektors 42 und dergleichen, um die Gase, also das Oxidationsgas und das Brenngas, in die Brennstoffzelle 20 zu führen, wodurch das Spülverfahren zum Austragen des Wassers in der Brennstoffzelle 20 nach außen ausgeführt wird. Die Dauer des Spülverfahrens durch den Controller 60 (die Spülzeitdauer) kann vorab eingestellt werden.
Wenn zudem während des Spülverfahrens eine bestimmte von einem Nutzer vorgenommene Handlung (z.B. das Einschalten der Zündung oder das Öffnen des Tankdeckels) erfasst wird, steuert der Controller 60 das Sperrventil A1, das Sperrventil H1 oder dergleichen, um das Spülverfahren zu unterbrechen. Wenn das Spülverfahren aufgrund einer Handlung, die vom Nutzer vorgenommen wird, unterbrochen wird, startet der Controller 60 das Spülverfahren nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne im Anschluss an die Unterbrechung neu.
Der Controller 60 der vorliegenden Ausführungsform stellt die Zeit (die Spülunterbrechungszeit), welche für den Neustart des Spülverfahrens nach der Unterbrechung des Spülverfahrens, die aufgrund einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung verursacht wurde, benötigt wird, entsprechend einer Außenlufttemperatur, die vom Temperatursensor 75 erfasst wird, ein. Wenn beispielsweise die vom Temperatursensor 75 erfasste Außenlufttemperatur eine vorgegebene Bestimmungstemperatur (z.B. -30 Grad Celsius [-30°C]) oder mehr ist, stellt der Controller 60 die Spülunterbrechungszeit auf eine vorgegebene Zeit (z.B. 10 Minuten) ein. Wenn darüber hinaus die Außenlufttemperatur, die vom Temperatursensor 75 erfasst wird, unter der vorstehend genannten Bestimmungstemperatur liegt, stellt der Controller 60 die Spülunterbrechungszeit auf eine Zeit ein, die kürzer als die vorstehend genannte bestimmte Zeit ist (z.B. 5 Minuten).
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 2 das Steuerverfahren bezüglich des Spülverfahrens des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 durch die Brenngasleitung 43 zugeführt, und Oxidationsgas wird der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 durch die Oxidationsgasleitung 33 zugeführt, wodurch Leistung bzw. Strom erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menge an der Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 erhalten werden kann (die benötigte Leistung), vom Controller 60 berechnet und Brenngas und Oxidationsgas werden in entsprechenden Mengen, die auf der berechneten Menge an zu erzeugender Leistung basieren, der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Im Normalbetrieb ist das Innere der Brennstoffzelle 20 nass, so dass das Stoppen des Betriebs bedingt, dass Wasser in der Brennstoffzelle 20 verbleibt. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Spülverfahren während der Stillstandzeit des Normalbetriebs ausgeführt, um ein Gefrieren des Wassers in der Brennstoffzelle 20 bei einer Niedertemperaturumgebung zu vermeiden.
Zunächst bestimmt der Controller 60 des Brennstoffzellensystems 10, ob die vom Temperatursensor 75 erfasste Außenlufttemperatur unter einer vorgegebenen Temperatur liegt (Außenlufttemperaturerfassungsschritt: S1). Wenn der Controller 60 bestimmt, dass die erfasste Außenlufttemperatur unter der vorgegebenen Temperatur liegt, treibt der Controller 60 den Luftkompressor 32, den Injektor 42 oder dergleichen an, um der Brennstoffzelle 20 die Gase, also das Oxidationsgas und das Brenngas, zuzuführen, um das Spülverfahren zum Austragen des Wassers in der Brennstoffzelle 20 nach außen zu starten (Spülstartschritt: S2). Wenn dagegen der Controller 60 bestimmt, dass die erfasste Außenlufttemperatur die vorgegebene Temperatur oder mehr ist, beendet der Controller 60 die Steuerung ohne Ausführung des Spülverfahrens.
Anschließend bestimmt der Controller 60, ob ein Nutzer eine bestimmte Handlung (z.B. das Einschalten der Zündung oder Öffnen des Tankdeckels) während des Spülverfahrens vorgenommen hat (Handlungsbestimmungsschritt: S3). Wenn der Controller 60 bestimmt, dass der Nutzer eine bestimmte Handlung während des Spülverfahrens vorgenommen hat, steuert der Controller 60 das Sperrventil A1, das Sperrventil H1 oder dergleichen, um das Spülverfahren zu unterbrechen (Spülunterbrechungsschritt: S4). Wenn dagegen der Controller 60 keine bestimmte Handlung erfasst, die vom Nutzer während des Spülverfahrens ausgeführt wird, fährt der Controller 60 mit dem Spülverfahren fort, bis eine vorgegebene Endbedingung erfüllt ist (Spülfortführungsschritt: S5).
Nach dem Unterbrechen des Spülverfahrens im Anschluss an die Erfassung der Ausführung einer bestimmten Handlung durch den Nutzer während des Spülverfahrens bestimmt der Controller 60, ob die Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeitspanne (z.B. eine Zeit, die entsprechend der Außenlufttemperatur, die vom Temperatursensor 75 erfasst wurde, eingestellt wurde) überschritten hat (Unterbrechungszeitbestimmungsschritt: S6). Wenn der Controller 60 bestimmt, dass die Spülunterbrechungszeit die vorgegebene Zeit überschritten hat, treibt der Controller 60 den Luftkompressor 32, den Injektor 42 oder dergleichen erneut an, um das Spülverfahren neu zu starten (Spülneustartschritt: S7).
Anschließend bestimmt der Controller 60, ob die vorgegebene Endbedingung erfüllt wurde (Endbestimmungsschritt: S8). Wenn bestimmt wird, dass die Endbedingung nicht erfüllt ist, fährt der Controller 60 mit dem Spülverfahren fort. Wenn dagegen bestimmt wird, dass die vorgegebene Endbedingung erfüllt ist, beendet der Controller 60 das Spülverfahren. Die Endbedingung kann beispielsweise sein, dass (1) eine voreingestellte Spüldauerzeit (z.B. 5 Minuten) verstrichen ist, oder (2) die vom Temperatursensor 75 erfasste Außenlufttemperatur die vorgegebene Temperatur oder mehr erreicht hat.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann, wenn das Spülverfahren, das während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle 20 ausgeführt wird, durch eine von einem Nutzer vorgenommene Handlung unterbrochen wird, das Brennstoffzellensystem 10 das Spülverfahren nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit seit der Unterbrechung neu starten. Dies macht es möglich zu vermeiden, dass das Spülverfahren unmittelbar nach der Unterbrechung neu gestartet wird, so dass das Spülverfahren ausgeführt werden kann, ohne dass sich ein Nutzer unbehaglich fühlt (ohne dass der Nutzer den Eindruck bekommt, dass das Brennstoffzellensystem 10 den Prozess gegen seine oder ihre Handlung ausführt).
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Spülverfahren automatisch ausgeführt werden, wenn die Außenlufttemperatur während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle 20 abnimmt (z.B. unter null Grad Celsius [0°C]). Das Volumen von Wasser in der Brennstoffzelle 20 während der Stillstandzeit in einer Niedertemperaturumgebung kann somit verringert werden, wodurch eine Verschlechterung der Startleistung aufgrund des Gefrierens des Wassers in der Brennstoffzelle 20, das durch das Absinken der Außenlufttemperatur verursacht wird, verhindert werden kann.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die Zeit, die ab dem Moment der Unterbrechung des Spülverfahrens durch die von einem Nutzer vorgenommene Handlung bis zum Neustart des Spülverfahrens (die Spülunterbrechungszeit) benötigt wird, entsprechend der Außenlufttemperatur eingestellt werden. Wenn somit die Außenlufttemperatur relativ niedrig ist, kann die Spülunterbrechungszeit relativ kurz eingestellt werden, um das Spülverfahren relativ bald wieder zu starten, wodurch es möglich ist, das Gefrieren von Wasser in der Brennstoffzelle 20, das durch das Absinken der Außenlufttemperatur verursacht wird, zu verhindern.
Die vorliegende Ausführungsform zeigt beispielhaft, wie die Spülunterbrechungszeit entsprechend einer Außenlufttemperatur eingestellt wird; das Verfahren zum Einstellen der Spülunterbrechungszeit ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Alternativ kann der Controller 60 ausgestaltet sein, um die Art der von einem Nutzer vorgenommenen Handlung zu identifizieren und die Spülunterbrechungszeit entsprechend der identifizierten Art der vom Nutzer vorgenommenen Handlung einzustellen.
Die Verwendung einer derartigen Konfiguration erlaubt es, die Spülunterbrechungszeit entsprechend der Art einer vom Nutzer vorgenommenen Handlung einzustellen. Wenn beispielsweise eine identifizierte Art der Handlung andeutet, dass ein Nutzer relativ bald seinen oder ihren Handlungsort verlässt (z.B. wenn der Nutzer eine Zündung einschaltet, um das Spülverfahren zu unterbrechen, und dann unmittelbar die Zündung ausschaltet, oder wenn der Nutzer einen Tankdeckel öffnet, um das Spülverfahren zu unterbrechen, und dann unmittelbar den Tankdeckel schließt), kann die Spülunterbrechungszeit relativ kurz eingestellt werden, um das Spülverfahren relativ bald wieder zu starten. Wenn dagegen die identifizierte Art der Handlung andeutet, dass der Nutzer relativ lange an seiner oder ihrer Handlungsstelle verbleibt (z.B. wenn der Nutzer die Zündung einschaltet, um das Spülverfahren zu unterbrechen, und die Zündung dann für eine vorgegebene Zeitspanne oder länger nicht ausschaltet, oder wenn der Nutzer den Tankdeckel öffnet, um das Spülverfahren zu unterbrechen, und dann den Tankdeckel für eine vorgegebene Zeitspanne oder länger nicht schließt), kann die Spülunterbrechungszeit auf eine relativ lange Zeit eingestellt werden, um den Neustart des Spülverfahrens zu verzögern.
Vorstehend wurde eine Ausführungsform beschrieben, bei der ein Brennstoffzellenfahrzeug als mobiler Körper verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann jedoch auf einer Vielzahl mobiler Körper anstelle des Brennstoffzellenfahrzeugs installiert werden, beispielsweise einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
60: Controller
75: Temperatursensor (Außenlufttemperaturdetektor)

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); ein Gaszufuhrsystem (30, 40), das der Brennstoffzelle (20) Gas zuführt; und einen Controller (60), der das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert, wobei der Controller (60) das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert, um während einer Stillstandzeit der Brennstoffzelle (20) ein Spülverfahren auszuführen, und, wenn das Spülverfahren durch eine von einem Nutzer während der Ausführung des Spülverfahrens vorgenommene Handlung unterbrochen wird, der Controller (60) das Gaszufuhrsystem (30, 40) steuert, um das Spülverfahren erneut zu starten, wenn eine Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeit überschritten hat.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, aufweisend: einen Außenlufttemperaturdetektor (75), der eine Außenlufttemperatur während der Stillstandzeit der Brennstoffzelle (20) misst, wobei der Controller (60) die Ausführung des Spülverfahrens veranlasst, wenn eine von dem Außenlufttemperaturdetektor (75) erfasste Außenlufttemperatur unter einer vorgegebenen Temperatur liegt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei der Controller (60) entsprechend einer von dem Außenlufttemperaturdetektor (75) erfassten Außenlufttemperatur eine Zeit einstellt, die für den Neustart des Spülverfahrens ab einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund einer von einem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Controller (60) entsprechend einer identifizierten Art der von einem Nutzer vorgenommenen Handlung eine Zeit einstellt, die für den Neustart des Spülverfahrens ab einer Unterbrechung des Spülverfahrens aufgrund der von dem Nutzer vorgenommenen Handlung benötigt wird.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10) zum Ausführen eines Spülverfahrens während einer Stillstandzeit einer Brennstoffzelle (20), wobei, wenn das Spülverfahren durch eine von einem Nutzer während der Ausführung des Spülverfahrens vorgenommene Handlung unterbrochen wird, das Spülverfahren erneut gestartet wird, wenn eine Spülunterbrechungszeit eine vorgegebene Zeit überschritten hat.