DE102015119005B4

DE102015119005B4 - Leistungsversorgungssystem mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015119005B4
Application number: DE102015119005.2A
Authority: DE
Inventors: Tomio Yamanaka; Mitsuhiro Nada; Hiroyuki Suzuki; Tomohiro Ogawa; Tsuyoshi Maruo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-15
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: JP2016096087A; KR20160058681A; US20160141682A1; US10553885B2; CN105609819A; CN105609819B; KR101768334B1; CA2911132A1; DE102015119005A1; CA2911132C; JP6229642B2

Abstract

Leistungsversorgungssystem, aufweisend eine Brennstoffzelle, die einer Last elektrische Leistung zuführt, wobei das Leistungsversorgungssystem aufweist:ein Sauerstoffzufuhrsystem, das dazu ausgestaltet ist, einer Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen; undeinen Sauerstoffzufuhrregler, der dazu ausgestaltet ist, das Sauerstoffzufuhrsystem anzusteuern und eine Sauerstoffmenge zu regeln, die der Kathode durch das Sauerstoffzufuhrsystem zugeführt wird, wobeiin einem normalen Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung von der Last höher als ein vorbestimmter Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Kathode eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die bewirkt, dass zumindest ein Teil der erforderlichen elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle zugeführt wird, undin einem niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, so dass der Kathode eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die erforderlich ist, um eine Spannung der Brennstoffzelle an eine vorbestimmte Sollspannung anzugleichen, und die geringer als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem normalen Lastzustand zugeführt wird, wobeiin einem ersten Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine erste Sollspannung einstellt und das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, undnach einem darauffolgenden Übergang in einen Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der vorbestimmte Referenzwert wird, bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die erste Sollspannung ist, und in einem weiteren Übergang in einen zweiten Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine zweite Sollspannung einstellt, die höher als die erste Sollspannung ist, und das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert,wobei das Leistungsversorgungssystem ferner aufweist:einen Betriebsmodusselektor, der dazu ausgestaltet ist, einen Betriebsmodus unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi auszuwählen, wobei die Mehrzahl von Betriebsmodi einen Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der bewirkt, dass die Brennstoffzelle eine Leistungserzeugung stoppt, und einen niedrigen Leistungserzeugungsmodus, der bewirkt, dass die Brennstoffzelle der Last eine elektrische Leistung zuführt, als einen Betriebsmodus des Leistungsversorgungssystems in dem niedrigen Lastzustand umfasst;einen Lasttrenner, der dazu ausgestaltet ist, die Brennstoffzelle von der Last elektrisch zu trennen, wenn der Betriebsmodusselektor den Nicht-Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt; undeinen Ausgangsspannungscontroller, der dazu ausgestaltet ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die Sollspannung einzustellen, wenn der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, wobeiwenn der Betriebsmodusselektor den Nicht-Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Brennstoffzelle eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die erforderlich ist, um eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an die Sollspannung anzugleichen, undwenn der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Brennstoffzelle eine erforderliche Sauerstoffmenge zuzuführen, die aus einem vorbestimmten Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle theoretisch bestimmt ist.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungssystem mit einer Brennstoffzelle.
Verwandte Technik
In einem Leistungsversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle umfasst und dazu ausgestaltet ist, zu bewirken, dass eine elektrische Leistung aus dem Leistungsversorgungssystem in Reaktion auf eine erforderliche elektrische Leistung von einer Last entnommen wird (kann nachstehend als Lastanforderung bezeichnet werden), kann die Lastanforderung, selbst während eines Betriebs des Leistungsversorgungssystems, zeitweise eine erhebliche Abnahme aufweisen. Das Leistungsversorgungssystem, das die Brennstoffzelle umfasst, ist im Allgemeinen derart gekennzeichnet, dass die Energieeffizienz des gesamten Systems mit einer erheblichen Abnahme des Betrags der elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, abnimmt. Dementsprechend stoppt ein herkömmlicher Steuervorgang eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in Reaktion auf eine extrem niedrige Lastanforderung an das Leistungsversorgungsystem. In Reaktion auf die Lastanforderung wird eine Sekundärbatterie, die gemeinsam mit der Brennstoffzelle in dem Leistungsversorgungsystem vorhanden ist, aktiviert, um die erforderliche elektrische Leistung auszugeben.
Wenn die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in einem Zustand gestoppt wird, in dem Wasserstoff in einer anodenseitigen Strömungsstrecke der Brennstoffzelle verbleibt und Sauerstoff in einer kathodenseitigen Strömungsstrecke verbleibt, zeigt die Brennstoffzelle eine extrem hohe Leerlaufspannung (OCV) auf. Eine übermäßige Zunahme der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle führt zu einer übermäßigen Zunahme des Elektrodenpotenzials an einer Elektrode (Kathode) der Brennstoffzelle. Dies führt bei einem Fortschreiten an der Kathode zu einer Eluierung bzw. Auswaschung (Beeinträchtigung) eines Katalysators und verringert dadurch die Leistungserzeugungsfähigkeit und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle.
Nach einem Stoppen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle wird Wasserstoff, der in der kathodenseitigen Strömungsstrecke verblieben ist, durch eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke übertragen, und eine Oxidationsreaktion des übertragenen Wasserstoffs wird an der Kathode aufgenommen. Demzufolge nimmt nach einer Zeit ab einem Stoppen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle aufgrund eines Verbrauchs von Sauerstoff, der in der kathodenseitigen Strömungsstrecke verbleibt, die Leerlaufspannung ab (d. h. ein Kathodenpotenzial nimmt ab). In diesem Fall wird der Kathodenkatalysator reduziert, sodass der Kathodenkatalysator mit einer nachfolgenden Zunahme des Kathodenpotenzials eher eluiert bzw. ausgewaschen wird. Im Falle einer erheblichen Abnahme der Lastanforderung besteht demzufolge ein Bedarf, die Spannung der Brennstoffzelle (elektrisches Potenzial) in einem angemessenen Bereich aufrechtzuerhalten, um eine Beeinträchtigung des Katalysators zu unterdrücken.
Ein vorgeschlagenes Verfahren zum Aufrechterhalten der Spannung der Brennstoffzelle in einem angemessenen Bereich führt selbst nach einer erheblichen Abnahme der Lastanforderung, eine niedrige Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle in Reaktion auf eine erhebliche Abnahme der Lastanforderung fort JP 2013-161571A . Beispielsweise stoppt ein vorgeschlagenes Verfahren zum Fortführen einer niedrigen Leistungserzeugung die Zufuhr von Sauerstoff zu der Brennstoffzelle, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle abnimmt, sodass sie eine untere Grenze in einem vorbestimmten Bereich erreicht, und führt die Zufuhr des Sauerstoffs zu der Brennstoffzelle fort, bis die Ausgangsspannung, die auf die untere Grenze abgenommen hat, zunimmt, sodass sie eine obere Grenze in dem vorbestimmten Bereich erreicht.
Die Steuerung zur Wiederholung der Zufuhr und des Stoppens von Sauerstoff zu der Brennstoffzelle, wie es obenstehend beschrieben ist, bewirkt jedoch, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze in dem vorbestimmten Bereich variiert. Bei der Brennstoffzelle ist zu erwarten, dass der Elektrodenkatalysator bei einem hohen Elektrodenpotenzial eher eluiert bzw. ausgewaschen wird. In dem Fall, bei dem das Elektrodenpotenzial zeitweise abnimmt und darauffolgend zunimmt, ist zu erwarten, dass der Elektrodenkatalysator bei dem hohen Grad der Abnahme des Elektrodenpotenzials und dem hohen Grad der darauffolgenden Zunahme des Elektrodenpotenzials eher eluiert bzw. ausgewaschen wird. Demzufolge besteht ein Bedarf, nicht nur ein extrem hohes Elektrodenpotenzial und ein extrem niedriges Elektrodenpotenzial zu verhindern, sondern auch eine Schwankung der Spannung der Brennstoffzelle (Elektrodenpotenzial) zu unterdrücken, um eine Beeinträchtigung des Elektrodenkatalysators zu unterdrücken und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern. Während eines Fortführens des Zustands mit einer extrem niedrigen Lastanforderung kann die Lastanforderung zeitweise variiert werden, wie obenstehend erwähnt ist. Es ist wünschenswert, eine Spannungsschwankung selbst in einem solchen Fall zu unterdrücken. Herkömmlicherweise ist eine Steuerung, die eine vorübergehende Schwankung einer Lastanforderung miteinbezieht, nicht ausreichend untersucht worden.
Ferner offenbart die US 2010 / 0 203 409 A1 ein Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidationsmittelgases als Reaktionsgase Elektrizität erzeugt; eine Stromsteuerungseinrichtung, die den Strom der Brennstoffzelle steuert; eine Spannungssteuerungseinrichtung, welche die Spannung der Brennstoffzelle steuert; und eine Wärmemengensteuerungseinrichtung, welche eine Wärmemenge berechnet, welche von dem Brennstoffzellensystem benötigt wird, und einen Soll-Stromwert der Stromsteuerungseinrichtung und einen Soll-Spannungswert der Spannungssteuerungseinrichtung festlegt, um die berechnete notwendige Wärmemenge zu erzeugen, wodurch die Wärmemenge gesteuert wird.
Zudem offenbart die DE 11 2010 001 466 B4 ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, die Elektrizität über eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt, und eine Sekundärzelle aufweist, die auf- und entladen werden kann und die mit elektrischer Leistung aufgeladen wird, die von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, wobei das Steuerverfahren umfasst: Laden der Sekundärzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung während eines Startens der Brennstoffzelle, und Anpassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen einer Leerlaufspannung und einer Hochpotential-Vermeidungsspannung; Einstellen einer Sollspannung der Brennstoffzelle für einen Startzeitraum, bevor die Brennstoffzelle mit der Erzeugung elektrischer Leistung beginnt, derart, dass ein Überladungszustand der Sekundärzelle vermieden wird; und Steuern der Elektrizitätsmenge, die beim Starten der Brennstoffzelle erzeugt wird, so, dass die Sollspannung für den Startzeitraum erreicht wird.
KURFASSUNG
Die vorstehend erwähnten Probleme und die sich daraus ergebende Aufgabe werden durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
(1) Gemäß einem erläuternden Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist in einem Leistungsversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die einer Last eine elektrische Leistung zuführt, ein Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle weist auf: in einem normalen Lastzustand, bei dem eine erforderliche elektrische Leistung von der Last höher als ein vorbestimmter Referenzwert ist, bewirken, dass zumindest ein Teil der erforderlichen elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle zugeführt wird; und in einem niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder kleiner als der vorbestimmte Referenzwert ist, eine der Brennstoffzelle eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die erforderlich ist, um eine Spannung der Brennstoffzelle an eine vorbestimmte Sollspannung anzugleichen, und die geringer als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem normalen Lastzustand zugeführt wird. In einem ersten niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, wird die Sollspannung auf eine erste Sollspannung eingestellt und der Brennstoffzelle Sauerstoff zugeführt. Nach einem darauffolgenden Übergang in einen Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der vorbestimmte Referenzwert wird, wird bewirkt, dass die Brennstoffzelle elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die erste Sollspannung ist, und in einem weiteren Übergang in einen zweiten niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, die Sollspannung auf eine zweite Sollspannung eingestellt wird, die höher als die erste Sollspannung ist, und der Brennstoffzelle Sauerstoff zugeführt wird.
In dem ersten niedrigen Lastzustand stellt das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt die Sollspannung der ersten Sollspannung ein und führt der Brennstoffzelle Sauerstoff zu. Nach einer darauffolgenden Leistungserzeugung der Brennstoffzelle bei einer Ausgangsspannung, die höher als die erste Sollspannung ist, stellt das Spannungssteuerverfahren in einem Übergang in den zweiten niedrigen Lastzustand die Sollspannung auf die zweite Sollspannung ein, die höher als die erste Sollspannung ist. Hierdurch wird eine Schwankung eines Elektrodenpotenzials der Brennstoffzelle unterdrückt und eine Eluierung bzw. Auswaschung des Elektrodenkatalysators unterdrückt, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert wird.
(2) Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß dem oben genannten Aspekt kann ferner in dem ersten niedrigen Lastzustand und in dem zweiten niedrigen Lastzustand ein Auswählen eines Betriebsmodus unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi aufweisen. Die Mehrzahl von Betriebsmodi kann einen Nicht-Leistungserzeugungsmodus umfassen, der die Brennstoffzelle von der Last elektrisch trennt und der Brennstoffzelle eine Sauerstoffmenge zuführt, die erforderlich ist, um eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an die Sollspannung anzugleichen; und einen niedrigen Leistungserzeugungsmodus, der ein Betriebsmodus zum Zuführen von elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle zu der Last ist, und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle steuert, so dass sie sich an die Sollspannung annähert, und der Brennstoffzelle eine erforderliche Sauerstoffmenge zuführt, die aus einem vorbestimmten Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle theoretisch bestimmt ist.
In dem niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung von der Last gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, unterdrückt das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt eine übermäßige Leistungserzeugung während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in einem gewünschten Bereich aufrecht erhalten wird.
(3) Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß dem oben genannten Aspekt kann ferner in dem ersten niedrigen Lastzustand aufweisen, ein Auswählen des Nicht-Leistungserzeugungsmodus, um der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen, und in dem zweiten niedrigen Lastzustand, ein Auswählen des niedrigen Leistungserzeugungsmodus, um der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen.
Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt wählt in Reaktion auf einen Übergang in den niedrigen Lastzustand den Nicht-Leistungserzeugungsmodus bevorzugt vor dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus aus. Hierdurch wird eine übermäßige Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in dem niedrigen Lastzustand unterdrückt und die Energieeffizienz des Leistungsversorgungssystems verbessert. Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt bewirkt, dass die Brennstoffzelle in einem nachfolgenden Übergang in einen Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der Referenzwert wird, nach einer Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus Leistung erzeugt. In einem weiteren Übergang in den niedrigen Lastzustand, wählt das Spannungssteuerverfahren den niedrigen Leistungserzeugungsmodus aus. Selbst in dem Fall der Fortführung des niedrigen Lastzustands kann zumindest ein Teil einer Lastanforderung, die von einer Ausrüstung, die in dem Leistungsversorgungssystems umfasst ist, benötigt wird, durch die elektrische Leistung abgedeckt werden, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird. Dieser Aufbau unterdrückt beispielsweise in einer Anwendung, bei der das Leistungsversorgungssystem ferner eine Leistungsspeichereinheit umfasst (Leistungsspeichereinheit, die zumindest einen Teil der elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, speichern kann und der Last elektrische Leistung zuführen kann), eine Verringerung eines Ladezustands der Leistungsspeichereinheit nach einem weiteren Übergang in den niedrigen Lastzustand. Demzufolge wird hierdurch die Häufigkeit des Ladens der Leistungsspeichereinheit nach einem weiteren Übergang in den niedrigen Lastzustand verringert.
(4) Bei dem Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß dem oben genannten Aspekt kann die Last eine Hauptlast und eine Hilfslast, die eine niedrigere erforderliche elektrische Leistung als die Hauptlast aufweist, umfassen. Der normale Lastzustand kann ein Zustand sein, in dem zumindest eine elektrische Leistung von der Hauptlast erforderlich ist. Der niedrige Lastzustand, der den ersten niedrigen Lastzustand und den zweiten niedrigen Lastzustand umfasst, kann ein Zustand sein, in dem eine elektrische Leistung von der Hilfslast erforderlich ist, ohne dass eine elektrische Leistung von der Hauptlast erforderlich ist.
Bei einem Übergang von einem Zustand, in dem die Hauptlast elektrische Leistung erfordert, zu einem niedrigen Lastzustand, wählt das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt den Nicht-Leistungserzeugungsmodus bevorzugt vor dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus aus. Hierdurch wird die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert.
(5) Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß der oben genannten Aspekt kann ferner während eines Fortführens eines Zustands, in dem der niedrige Leistungserzeugungsmodus ausgewählt ist, nach Erfüllung einer Bedingung einer Ansammlung von flüssigem Wasser, dass sich flüssiges Wasser, das in der Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus erzeugt wird, in der Brennstoffzelle übermäßig angesammelt hat, ein vorübergehendes Unterbrechen einer Steuerung in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus und ein Zuführen eine übermäßigen Sauerstoffmenge, die höher als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus zugeführt wird, zu der Brennstoffzelle.
Selbst während einer Fortführung des Zustands, in dem der niedrige Leistungserzeugungsmodus ausgewählt ist, entfernt das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt flüssiges Wasser aus der Brennstoffzelle und unterdrückt, dass sich eine übermäßige Menge von flüssigem Wasser in der Brennstoffzelle ansammelt.
(6) Bei dem Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß dem oben genannten Aspekt kann das Leistungsversorgungssystem als Teil der Last eine Leistungsspeichereinheit aufweisen, die zumindest einen Teil der elektrischen Leistung, welche durch die Brennstoffzelle unter Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus erzeugt wird, speichern kann. Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle kann ferner während einer Fortführung des Zustands, in dem der niedrige Leistungserzeugungsmodus ausgewählt ist, nach Erfüllung der Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser, ein Verringern des Sollbetrags der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle aufweisen und bewirken, dass die Brennstoffzelle, vor einem vorübergehenden Unterbrechen der Steuerung in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus, elektrische Leistung erzeugt.
Das Spannungssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt verringert den Ladezustand der Leistungsspeichereinheit durch ein vorübergehendes Senken des Sollbetrags der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle. Selbst in dem Fall einer nachfolgenden vorübergehenden Zunahme des Betrags der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle durch ein Zuführen einer übermäßigen Sauerstoffmenge zu der Brennstoffzelle, die höher als die Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus zugeführt wird, wird hierdurch ermöglicht, dass die Leistungsspeichereinheit ohne Schwierigkeiten mit dem erhöhten Betrag der Leistungserzeugung geladen wird.
(7) Gemäß einem anderen erläuternden Aspekt wird ein Leistungsversorgungssystem vorgeschlagen, das eine Brennstoffzelle aufweist, die einer Last elektrische Leistung zuführt. Das Leistungsversorgungssystem weist auf, ein Sauerstoffversorgungssystem, das dazu ausgestaltet ist, einer Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen; und einen Sauerstoffzufuhrregler, der dazu ausgestaltet ist, das Sauerstoffzufuhrsystem anzusteuern und eine Sauerstoffmenge zu regeln, die der Kathode durch das Sauerstoffzufuhrsystem zugeführt wird. In einem normalen Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung von der Last höher als ein vorbestimmter Referenzwert ist, steuert der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem an, um der Kathode eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die bewirkt, dass zumindest ein Teil der erforderlichen elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle zugeführt wird. In einem niedrigen Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Referenzwert ist, steuert der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem an, so dass der Kathode eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die erforderlich ist, um eine Spannung der Brennstoffzelle an eine vorbestimmte Sollspannung anzugleichen, und die geringer als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem normalen Lastzustand zugeführt wird. In einem ersten niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, stellt der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine erste Sollspannung ein und steuert das Sauerstoffzufuhrsystem an. Nach einem darauffolgenden Übergang in einen Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der vorbestimmte Referenzwert wird, wird bewirkt, dass die Brennstoffzelle elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die erste Sollspannung ist, und in einem weiteren Übergang in einen zweiten Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, stellt der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine zweite Sollspannung ein, die höher als die erste Sollspannung ist, und steuert das Sauerstoffzufuhrsystem an.
In dem ersten niedrigen Lastzustand stellt das Leistungsversorgungssystem gemäß diesem Aspekt die Sollspannung auf die erste Sollspannung ein und steuert das Sauerstoffzuführsystem an. Nach einer darauffolgenden Leistungserzeugung der Brennstoffzelle bei einer Ausgangsspannung, die höher als die erste Sollspannung ist, stellt das Leistungsversorgungssystem in einem Übergang in den zweiten niedrigen Lastzustand die Sollspannung auf die zweite Sollspannung ein, die höher als die erste Sollspannung ist, und steuert das Sauerstoffzufuhrsystem an. Hierdurch wird eine Schwankung des Elektrodenpotenzials der Brennstoffzelle unterdrückt und eine Eluierung bzw. Auswaschung des Elektrodenkatalysators unterdrückt, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert wird.
Die Erfindung kann durch einen beliebigen von verschiedenen Aspekten, die sich von denjenigen, die oben stehend beschrieben sind, unterscheiden, umgesetzt werden, beispielsweise durch einen beweglichen Körper mit einem Leistungsversorgungssystem, das an diesem als Leistungszufuhr zum Antreiben angebracht ist, ein Hochpotenzial-Vermeidungs-Steuerverfahren einer Brennstoffzelle in einem Leistungsversorgungssystem, das die Brennstoffzelle umfasst, ein Computerprogramm, welches das Spannungssteuerverfahren, das oben stehend beschrieben ist, oder das Hochpotenzial-Vermeidungs-Steuerverfahren implementiert, oder ein nicht-vorübergehendes Speichermedium, in dem das Computerprogramm gespeichert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt;
2 ist ein Diagramm, das Verhältnisse eines Ausgangsstroms zur Ausgangsspannung und Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle darstellt;
3 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Sauerstoffzufuhrmenge und einer Leerlaufspannung der Brennstoffzelle darstellt;
4 ist ein Diagramm, das IV Charakteristiken der Brennstoffzelle zeigt, wenn die Sauerstoffzufuhrmenge geändert wird, während eine übermäßige Wasserstoffmenge der Brennstoffzelle zugeführt wird;
5 ist ein Diagramm, das einen verfügbaren Bereich eines Betriebspunkts zu der Zeit der Auswahl eines niedrigen Leistungserzeugungsmodus entlang einer IV Charakteristik in einem normalen Betriebsmodus zeigt;
6 ist ein Flussdiagramm, das eine Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine zeigt;
7 ist ein Flussdiagramm, das eine niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine zeigt;
8 ist ein Flussdiagramm, das eine intermittierender-Betrieb-Moduseinstellroutine zeigt;
9 ist ein Diagramm, das zulässige Wassermengen, welche die jeweiligen Probleme nicht bewirken, zeigt; und
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Kathodenspülungssteuerroutine zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Allgemeiner Aufbau des Leistungsversorgungssystems
1 ist ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 weist ein Leistungsversorgungssystem 30 auf, das an einem Fahrzeugaufbau 22 angebracht ist. Das Leistungsversorgungssystem 30 ist durch eine Verdrahtung 178 mit einem Motor 170 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 verbunden, sodass elektrische Leistung zwischen dem Leistungsversorgungssystem 30 und dem Motor 170 über die Verdrahtung 178 übertragen wird.
Das Leistungsversorgungssystem 30 umfasst eine Brennstoffzelle 100, ein Wasserstoffgaszufuhrsystem 120, das einen Wasserstofftank 110 umfasst, ein Luftzuführsystem 140, das einen Kompressor 130 umfasst, eine Sekundärbatterie 172, einen DC/DC-Wandler 104, einen DC/DC-Wandler 174 und einen Controller 200. Das Leistungsversorgungssystem 30 umfasst ferner ein Kühlmittelkreislaufsystem (nicht dargestellt), das dazu ausgestaltet ist, ein Kühlmittel zum Herunterkühlen der Brennstoffzelle 100 in der Brennstoffzelle 100 strömen und umwälzen zu lassen, um die Temperatur der Brennstoffzelle 100 in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Das Leistungsversorgungssystem 30 ist derart ausgestaltet, dass einer Last einschließlich des Motors 170 entweder von der Brennstoffzelle 100 oder der Sekundärbatterie 172 alleine, oder von der Brennstoffzelle 100 und der Sekundärbatterie 172 zeitgleich eine elektrische Leistung zuführbar ist.
Die Brennstoffzelle 100 weist eine gestapelte Struktur durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen auf. Die Brennstoffzelle 100 dieser Ausführungsform ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Eine Strömungsstrecke, die dazu ausgestaltet ist, Wasserstoff zu einer Anodenseite strömen zu lassen (nachstehend wird diese Strömungsstrecke ebenso als eine anodenseitige Strömungsstrecke 115 bezeichnet), und eine Strömungsstrecke, die dazu ausgestaltet ist, Sauerstoff zu einer Kathodenseite strömen zu lassen (nachstehend wird diese Strömungsstrecke ebenso als eine kathodenseitige Strömungsstrecke 148 bezeichnet), sind in jeder der Einheitszellen der Brennstoffzelle 100 über die Elektrolytmembran ausgebildet. 1 stellt schematisch die anodenseitige Strömungsstrecke 115 und die kathodenseitige Strömungsstrecke 148 dar, die innerhalb der Brennstoffzelle 100 ausgebildet sind. Die Brennstoffzelle 100 ist über den DC/DC-Wandler 104 und die Verdrahtung 178 mit der Last verbunden, die den Motor 170 umfasst. Der Spannungssensor 102 ist bereitgestellt, um die Spannung der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Ein Stromsensor 103 ist an der Verdrahtung 178 bereitgestellt, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Die Erfassungssignale des Spannungssensors 102 und des Stromsensors 103 werden an den Controller 200 ausgegeben.
Der DC/DC-Wandler 104 dient zur Änderung des Ausgangszustands der Brennstoffzelle 100 in Reaktion in auf ein Steuersignal von dem Controller 200. Genauer genommen, dient der DC/DC-Wandler 104 zum Einstellen einer Ausgangsspannung im Rahmen einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100. Der DC/DC-Wandler 104 dient ebenso zum Verstärken der Ausgangsspannung auf eine gewünschte Spannung im Rahmen einer Zuführung von elektrischer Leistung, die durch die Brennstoffzelle 100 erzeugt wird, zu der Last. Der DC/DC-Wandler 104 umfasst eine Diode (nicht dargestellt). Eine Bereitstellung der Diode in dem DC/DC-Wandler 104 trennt die Brennstoffzelle 100 elektrisch von der Last, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 100 auf oder unter einen vorbestimmten Pegel abnimmt. Die Diode, die in dem DC/DC-Wandler 104 gemäß dieser Ausführungsform bereitgestellt ist, entspricht dem „Lasttrenner“ in der KURZFASSUNG.
Der Wasserstofftank 110, der in dem Wasserstoffgaszufuhrsystem 120 umfasst ist, kann beispielsweise ein Wasserstofftank sein, der ein unter Hochdruck stehendes Wasserstoffgas speichert, oder ein Tank, der mit einem Wasserstoffspeichergemisch bzw. - legierung gefüllt ist, was dazu dient, Wasserstoff zu absorbieren und dadurch Wasserstoff zu speichern. Das Wasserstoffgaszufuhrsystem 120 umfasst eine Wasserstoffzufuhrstrecke 121, die dazu angeordnet ist, den Wasserstofftank 110 mit der Brennstoffzelle 100 zu verbinden, eine Umwälzstrecke 122, die dazu angeordnet ist, unverbrauchtes Wasserstoffgas (Anodenabgas) zu der Wasserstoffzufuhrstrecke 121 umzuwälzen, und eine Wasserstofffreigabestrecke 123, die dazu angeordnet ist, das Anodenabgas zu der Atmosphäre freizugeben. In dem Wasserstoffgaszufuhrsystem 120 wird Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank 110 gespeichert ist und durch die Wasserstoffzufuhrstrecke 121 strömt, die durch ein Ein-Aus-Ventil 124 geöffnet und geschlossen wird, einer Druckminderung durch ein Druckminderungsventil 125 unterzogen, und wird aus einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung 126 (beispielsweise einen Injektor), die stromabwärts von dem Druckminderungsventil 125 positioniert ist, der anodenseitigen Strömungsstrecke 115 der Brennstoffzelle 100 zugeführt. Die Strömungsrate des Wasserstoffs, der durch die Umwälzstrecke 122 umgewälzt wird, wird durch eine Umwälzpumpe 127 geregelt. Der Controller 200 regelt die Ansteuerbeträge der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 126 und der Umwälzpumpe 127 in Reaktion auf eine Lastanforderung unter Bezugnahme auf den Druck der umgewälzten Strömung des Wasserstoffs, der durch einen Drucksensor 128 erfasst wird.
Ein Teil des Wasserstoffgases, das durch die Umwälzstrecke 122 strömt, strömt durch die Wasserstofffreigabestrecke 123, die von der Umwälzstrecke 122 abzweigt und durch ein Ein-Aus-Ventil 129 geöffnet und geschlossen wird, und wird zu einer vorbestimmten Zeitvorgabe zu der Atmosphäre freigegeben. Dies bewirkt Verunreinigungen (beispielsweise Wasserdampf und Stickstoff), die sich von Wasserstoff unterscheiden, und in dem Wasserstoffgas umfasst sind, das durch die Umwälzstrecke 122 umgewälzt wird, um aus der Strömungsstrecke abgeführt zu werden, und dadurch eine Zunahme der Konzentration der Verunreinigungen, die in dem Wasserstoffgas umfasst sind, das der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, zu unterdrücken. Der Controller 200 steuert das Öffnen und Schließen des Ein-Aus-Ventils 129.
Das Luftzufuhrsystem 140 umfasst eine erste Luftströmungsstrecke 141, eine zweite Luftströmungsstrecke 145, eine dritte Luftströmungsstrecke 146, ein Strömungsteilerventil 144, eine Luftfreigabestrecke 142, ein Gegendruckventil 143 und einen Strömungsratensensor 147 zusätzlich zu dem Kompressor 130. Die erste Luftströmungsstrecke 141 ist als eine Strömungsstrecke bereitgestellt, durch welche die gesamte Strömung der Luft, die durch den Kompressor 130 angesaugt wird, hindurch strömt. Die zweite Luftströmungsstrecke 145 und die dritte Luftströmungsstrecke 146 zweigen von der ersten Luftströmungsstrecke 141 ab. Das Strömungsteilerventil 144 ist an einer verzweigten Position positioniert, an der die zweite Luftströmungsstrecke 145 und die dritte Luftströmungsstrecke 146 von der ersten Luftströmungsstrecke 141 abzweigen. Eine Regelung der Ventilöffnungsposition dieses Strömungsteilerventils 144 ändert das Strömungsaufteilungsverhältnis der Luft, die von der ersten Luftströmungsstrecke 141 in die zweite Luftströmungsstrecke 145 oder die dritte Luftströmungsstrecke 146 strömt. Ein Teil der zweiten Luftströmungsstrecke 145 bildet die kathodenseitige Strömungsstrecke 148 in der Brennstoffzelle 100. Die dritte Luftströmungsstrecke 146 dient als eine Umgehungsströmungsstrecke, die dazu ausgestaltet ist, die Luft durch Umgehen der Brennstoffzelle 100 einzuleiten. Die zweite Luftströmungsstrecke 145 und die dritte Luftströmungsstrecke 146 sind mit der Luftfreigabestrecke 142 verbunden. Das Gegendruckventil 143 ist ein Drosselventil, das in der zweiten Luftströmungsstrecke 145 bereitgestellt ist, und das stromabwärts von der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 und stromaufwärts von dem Verbindungspunkt mit der dritten Luftströmungsstrecke 146 angeordnet ist. Eine Regelung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 ändert den Gegendruck der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 in der Brennstoffzelle 100. Die Luftfreigabestrecke 142 ist dazu ausgestaltet, die Luft, welche die dritte Luftströmungsstrecke 146 durchläuft, gemeinsam mit der Luft (Kathodenabgas), welche die zweite Luftströmungsstrecke 145 durchläuft, zu der Atmosphäre freizugeben. Die Wasserstofffreigabestrecke 123, die obenstehend beschrieben ist, ist mit der Luftfreigabestrecke 142 derart verbunden, dass Wasserstoff, der durch die Wasserstofffreigabestrecke 123 strömt, mit der Luft verdünnt wird, die durch die Luftfreigabestrecke 142 strömt, bevor es zur Atmosphäre freigegeben wird. Der Strömungsratensensor 147 ist in der ersten Luftströmungsstrecke 141 bereitgestellt, um die gesamte Strömungsrate der Luft, die durch die erste Luftströmungsstrecke 141 aufgenommen wird, zu erfassen.
Bei dem Luftzufuhrsystem 140 kann die Strömungsrate der Luft (Sauerstoffströmungsrate), die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 in der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, angepasst werden, indem zumindest eine Bedingung geändert wird, die aus dem Ansteuerbetrag des Kompressors 130, der Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 ausgewählt wird. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Gegendruckventil 143 einen Schrittmotor (nicht dargestellt). Die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 ist auf jede gewünschte Position mit hoher Genauigkeit anpassbar, indem die Anzahl der Schritte des Schrittmotors gesteuert wird. Der Controller 200 regelt den Ansteuerbetrag des Kompressors 130, die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143. Das Luftzufuhrsystem 140 kann zusätzlich einen Anfeuchter umfassen, der beispielsweise in der ersten Luftströmungsstrecke 141 bereitgestellt ist, um die Luft, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, anzufeuchten.
Das Luftzuführsystem 140 dieser Ausführungsform entspricht dem „Sauerstoffzuführsystem“ in der KURZFASSUNG. Die erste Luftströmungsstrecke 141 und die zweite Luftströmungsstrecke 142 dieser Ausführungsform entsprechen der „Sauerstoffzuführstrecke“ in der KURZFASSUNG. Der Kompressor 130 entspricht dem „Sauerstoffeinleiter“ in der KURZFASSUNG. Die dritte Luftströmungsstrecke 146 entspricht der „Umgehungsströmungsstrecke“ in der KURZFASSUNG. Das Gegendruckventil 143 entspricht dem „Strömungsratenregler“ in der KURZFASSUNG.
Die Sekundärbatterie 172 ist über den DC/DC-Wandler 174 mit der Verdrahtung 178 verbunden. Der DC/DC-Wandler 174 und der DC/DC-Wandler 104 sind in Parallelschaltung mit der Verdrahtung 178 verbunden. Beispielsweise kann eine Bleisäurebatterie, eine Nickelhybridbatterie oder eine Lithiumionenbatterie als die Sekundärbatterie 172 eingesetzt werden. Die Sekundärbatterie 172 ist mit einer Ladezustandsüberwachung (nicht dargestellt) ausgestattet, die dazu ausgestaltet ist, den Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 172 zu erfassen. Der erfasste Ladezustand wird an den Controller 200 ausgegeben. Die Ladezustandsüberwachung kann als ein SOC-Messer ausgestaltet sein, der den Stromwert und die Zeitdauer des Ladens und Entladens der Sekundärbatterie 172 integriert. Anderenfalls kann die Ladezustandsüberwachung anstelle des SOC-Messers als ein Spannungssensor ausgestaltet sein, der die Spannung der Sekundärbatterie 172 erfasst. Die Sekundärbatterie 172 dieser Ausführungsform entspricht der „Leistungsspeichereinheit“ in der KURZFASSUNG.
Der DC/DC-Wandler 174 weist Lade- und Entladesteuerfunktionen auf, um ein Laden und Entladen der Sekundärbatterie 172 zu steuern, und steuert ein Laden und Entladen der Sekundärbatterie 172 in Reaktion auf ein Steuersignal von dem Controller 200. Der DC/DC-Wandler 174 stellt eine Sollspannung an der Ausgangsseite unter einer Steuerung des Controllers 200 ein, und regelt variabel die elektrische Leistung, die in die Sekundärbatterie 172 geladen wird oder aus dieser entladen wird, und den Spannungspegel, der an dem Motor 170 angelegt wird. Wenn kein Bedarf zum Laden oder Entladen der Sekundärbatterie 172 besteht, trennt der DC/DC-Wandler 174 die Sekundärbatterie 172 von der Verdrahtung 178.
Der Controller 200 wird durch einen Mikrocomputer realisiert, der eine CPU, die logische Vorgänge durchführt, einen ROM und einen RAM umfasst. Der Controller 200 gibt Erfassungssignale von verschiedenen Sensoren ein, wie beispielsweise von einem Gaspedalpositionssensor 180, einem Schaltpositionssensor, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und einem Umgebungstemperatursensor (nicht dargestellt), zusätzlich zu den Sensoren, die in dem Wasserstoffgaszufuhrsystem 120 und dem Luftzufuhrsystem 140 umfasst sind, das obenstehend beschrieben ist, und führt verschiedene Steuerungen des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 basierend auf den eingegebenen Erfassungssignaten durch. Beispielsweise bestimmt der Controller 200 die Größe einer Lastanforderung basierend beispielsweise auf dem Erfassungssignal des Gaspedalpositionssensors 180 und gibt Ansteuersignale an die relevanten Teile des Leistungsversorgungssystems 30 aus, um eine elektrische Leistung zu erlangen, die der Lastanforderung an zumindest eine von der Brennstoffzelle 100 und der Sekundärbatterie 172 entspricht. Genauer genommen, regelt der Controller 200 in dem Fall des Erlangens der elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle 100 die Mengen der Gaszufuhr von dem Wasserstoffgaszufuhrsystems 120 und dem Luftzufuhrsystem 140, um eine gewünschte elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 100 zu erzielen. Der Controller 200 steuert ebenso die DC/DC-Wandler 104 und 174, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 an die Sollspannung anzugleichen oder dem Motor 170 eine gewünschte elektrische Leistung zuzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform dient der Controller 200 als der „Sauerstoffmengenregler“, der „Betriebsmodusselektor“ und der „Ausgangsspannungscontroller“ in der KURZFASSUNG. Der Controller 200 umfasst zusätzlich einen Timer, der dazu bereitgestellt ist, eine Zeit zu messen, die abläuft ab einer Eingabe von einem der verschiedenen Signale oder ab einem Ausführen von einem der verschiedenen Vorgänge.
B. Betriebsmodus des Leistungsversorgungssystems
Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 der Ausführungsform ändert den Betriebsmodus unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi, die einen normalen Betriebsmodus und einen intermittierenden Betriebsmodus während eines Betriebs des Leistungsversorgungssystems 30 umfassen. Der normale Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, der ausgewählt wird, wenn eine Lastanforderung an das Leistungsversorgungssystem 30 einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet und bewirkt, dass zumindest ein Teil der Lastanforderung, die eine erforderliche elektrische Leistung des Motors 170 umfasst, durch eine elektrische Leistung abgedeckt wird, die durch die Brennstoffzelle 100 erzeugt wird. Der intermittierende Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, der ausgewählt wird, wenn eine Lastanforderung an das Leistungsversorgungssystem 30 gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der intermittierende Betriebsmodus einen Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 stoppt, und einen niedrigen Leistungserzeugungsmodus, der bewirkt, dass die Brennstoffzelle 100 eine Leistungserzeugung auf einem niedrigen Pegel durchführt.
Die Last, welche die Zufuhr der elektrischen Leistung von dem Leistungsversorgungssystem aufnimmt, umfasst eine Fahrzeughilfsausrüstung und eine Brennstoffzellenhilfsausrüstung, zusätzlich zu dem Motor 170 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs 20. Bei dem Leistungsversorgungssystem 30 der Ausführungsform umfasst die Lastanforderung eine erforderliche elektrische Leistung des Motors 170, eine erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und eine erforderliche Leistung der Brennstoffzellenhilfsausrüstung. Die Fahrzeughilfsausrüstung umfasst beispielsweise eine Klimaanlagenausstattung, Beleuchtungsvorrichtungen, Warnlampen und Richtungsanzeiger bzw. Blinker. Die Brennstoffzellenhilfsausrüstung umfasst beispielsweise den Kompressor 130, die Umwälzpumpe 127, verschiedene Ventile einschließlich dem Strömungsteilerventil 144 und dem Gegendruckventil 143, eine Kühlmittelpumpe, die zum Umwälzen des Kühlmittels ausgestaltet ist, und einen Kühlerlüfter, der zum Herunterkühlen des Kühlmittels ausgestaltet ist. In dem Fall, in dem die Sekundärbatterie 172 einen niedrigen Ladezustand (SOC) aufweist, kann die Sekundärbatterie 172 ein Teil der Last sein. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 dieser Ausführungsform bestimmt eine Lastanforderung als die Summe der erforderlichen elektrischen Leistungen der jeweiligen Lasten, die obenstehend beschrieben sind, und Änderungen des Betriebsmodus zwischen dem normalen Betriebsmodus und dem intermittierenden Betriebsmodus basierend darauf, ob die Lastanforderung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist.
(B-1) Normaler Betriebsmodus
2 ist ein Diagramm, das Verhältnisse des Ausgangsstroms zu einer Ausgangsspannung und einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 100 schematisch darstellt. Nachstehend wird eine Steuerung in dem Fall der Auswahl des normalen Betriebsmodus beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 in dem normalen Betriebsmodus gesteuert, indem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 eingestellt wird. Wie aus dem Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsleistung, die in 2 gezeigt sind, verständlich wird, führt eine Bestimmung einer elektrischen Leistung P_FC, die von der Brennstoffzelle 100 ausgegeben werden soll, zu einer Bestimmung eines Ausgangsstroms I_FC der Brennstoffzelle 100. Wie durch eine Strom-Spannungscharakteristik (I-V-Charakteristik) in 2 gezeigt ist, führt ein Bestimmen des Ausgangsstroms I_FC der Brennstoffzelle 100 zu einer Bestimmung einer Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 100. Zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus gibt der Controller 200 an den DC/DC-Wandler 174 eine Anweisung zum Einstellen der bestimmten Ausgangsspannung V_FC als eine Sollspannung, so dass der Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 auf einen gewünschten Pegel gesteuert wird. Zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus werden die Sauerstoffmenge und die Wasserstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt werden, auf übermäßige Mengen gesteuert, die jeweils theoretische Mengen überschreiten, welche erforderlich wären, um die gewünschte elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 100 zu erlangen.
(B-2) Nicht-Leistungserzeugungsmodus
Nachfolgend wird der Nicht-Leistungserzeugungsmodus als ein intermittierender Betriebsmodus beschrieben. Wenn der Nicht-Leistungserzeugungsmodus ausgewählt wird, um eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 zu stoppen, ist der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 100 gleich 0. Wenn der Zustand der Brennstoffzelle 100 von dem Leistungserzeugungszustand auf den Stoppzustand geändert wird, d.h. wenn die Brennstoffzelle 100 von der Last getrennt wird, um den Ausgangsstrom aufzuweisen, der gleich 0 ist, während ausreichende Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff zur Leistungserzeugung zu der Brennstoffzelle 100 zugeführt werden, weist die Brennstoffzelle 100 eine extrem hohe Leerlaufspannung (OCV) auf, wie in 2 gezeigt ist. Dies zeigt eine erhebliche Zunahme des Elektrodenpotentials an der Katode der Brennstoffzelle 100 auf. Wie bekannt ist, bewirkt das hohe Elektrodenpotential der Brennstoffzelle 100 ein Eluieren bzw. Auswaschen eines Katalysatormetalls, wie einem Platin, das in der Elektrode umfasst ist, und beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 100. Es ist demzufolge wünschenswert, eine übermäßige Zunahme des Elektrodenpotentials der Brennstoffzelle 100 zu unterdrücken, um eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 100 zu unterdrücken. Zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus regelt das Leistungsversorgungssystem 30 dieser Ausführungsform die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 während einem Stopp der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird und steuert dadurch das Elektrodenpotential an der Katode in einem gewünschten Bereich.
3 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Sauerstoffzufuhrmenge und einer Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle 100 während eines Stopps der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 schematisch darstellt. 3 zeigt das Verhältnis, wenn die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, geändert wird, während eine ausreichende Wasserstoffmenge für eine Leistungserzeugung in dem normalen Betriebsmodus der anodenseitigen Strömungsstrecke 115 zugeführt wird. In dem Fall, bei dem eine extrem kleine Sauerstoffmenge der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, wird die OCV im Wesentlichen auf einem extrem niedrigen Pegel gehalten und wird mit einer Änderung der Sauerstoffzufuhrmenge nicht in erheblichem Maße geändert. In dem Diagramm aus 3 ist dieser Bereich der Sauerstoffzufuhrmenge durch einen Pfeil A als eine Sauerstoffmangelfläche A gezeigt. Wenn die Sauerstoffzufuhrmenge erhöht wird, nimmt die OCV mit einer Zunahme der Sauerstoffzufuhrmenge drastisch zu. In dem Diagramm aus 3 ist dieser Bereich der Sauerstoffzufuhrmenge durch einen Pfeil B als eine gleichwertige Verhältnis-von-ungefähr-1-Fläche B gezeigt. Wenn die Sauerstoffzufuhrmenge weiter erhöht wird, wird die OCV im Wesentlichen auf einem extrem hohen Pegel gehalten und wird mit einer Änderung der Sauerstoffzufuhrmenge nicht in erheblichem Maße geändert. In dem Diagramm aus 3 ist dieser Bereich der Sauerstoffzufuhrmenge durch einen Pfeil C als eine übermäßige Sauerstofffläche C gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus die Sauerstoffzufuhrmenge derart gesteuert, dass die OCV gleich einer spezifischen Spannung in der gleichwertigen Verhältnis-von-ungefähr-1-Fläche B ist. Mit anderen Worten wird gemäß dieser Ausführungsform zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus eine spezifische Spannung in dem gleichwertigen Verhältnis-von-ungefähr-1-Fläche B vorab als eine Sollspannung der OCV eingestellt, und die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, wird geregelt, um die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 der Sollspannung anzugleichen.
Bei dem Luftzufuhrsystem 140 der Ausführungsform wird die Menge der Luft (Sauerstoffmenge), die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, übereinstimmend mit dem Ansteuerbetrag des Kompressors 130, der Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 bestimmt, wie obenstehend beschrieben ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 auf die Sollspannung gesteuert, indem die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird während der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 und die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 unter diesen Parametern festgesetzt werden. Gemäß dieser Ausführungsform werden eine Sollspannung und ein Anfangswert der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 (d.h. ein Anfangswert des Ansteuerbetrags des Gegendruckventils 143) zum Zuführen einer Sauerstoffmenge, welche die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 erlangt, in einem Fall der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus vorab in einem Speicher des Controllers 200 gespeichert. Die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 zum Erlangen der Sollspannung kann beispielsweise vorab experimentell bestimmt werden.
Nach einem Stoppen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100, wird Wasserstoff von der anodenseitigen Strömungsstrecke 115 über die Elektrolytmembran jeder Einheitszelle zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 übertragen, und die Oxidationsreaktion des übertragenen Wasserstoffs setzt an der Katode fort. Demzufolge wird Sauerstoff in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 durch die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs, der durch die Elektrolytmembran übertragen wird, verbraucht. Um während eines Stopps der Leistungserzeugung eine gewünschte Leerlaufspannung in der äquivalenten Verhältnis-von-ungefähr-1-Fläche in der Brennstoffzelle 100 zu erlangen, besteht ein Bedarf, zusätzlich zu der Sauerstoffmenge, die entsprechend der gewünschten Leerlaufspannung aus 3 bestimmt wird (Sauerstoffmenge, die für eine elektromotorische Kraft erforderlich ist), die Sauerstoffmenge zuzuführen, welche durch die Oxidationsreaktion des übertragenen Wasserstoffs verbraucht wird (Sauerstoffmenge, die durch übertragenen Wasserstoff verbraucht wird). Demzufolge wird die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffmenge 100 zugeführt werden muss, um zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus eine gewünschte Leerlaufspannung zu erlangen (Sauerstoffmenge zur Aufrechterhaltung der Zellenspannung), durch Gleichung (1) ausgedrückt, die nachstehend gegeben ist: $\begin{array}{l} \begin{matrix} (Sauerstoffmenge zur Aufrechterhaltung einer Zellenspannung) \end{matrix} = (Sauerstoff - \\ menge, die für eine elektromotorische Kraft erforderlich ist) + (Sauerstoffmenge, die \\ durch übertragenen Wasserstoff verbraucht wird) \end{array}$
Wenn in dem Fall, bei dem die Öffnungsposition des Gegendruckventils 143 auf die Ventilöffnungsposition angepasst ist, die in dem Speicher des Controllers 200 gespeichert ist, und die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, gerade eine Gleichung (1), die obenstehend gegeben ist, erfüllt, wird die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 gleich der Sollspannung. Die Wasserstoffmenge, die durch die Elektrolytmembran übertragen wird, schwankt jedoch übereinstimmend mit dem Druck des Wasserstoffs in der anodenseitigen Strömungsstrecke 115, der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 100 und der inneren Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 100. Wenn die Sauerstoffzufuhrmenge aufgrund dieser Faktoren unzureichend ist, wird die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 niedriger als die Sollspannung. Wenn die Sauerstoffzufuhrmenge überhöht ist, wird die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 andererseits höher als die Sollspannung. Das Leistungsversorgungssystem 30 dieser Ausführungsform führt eine Steuerung zum Variieren der Sauerstoffzufuhrmenge zu der Brennstoffzelle 100 basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Erfassungswert der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 und der Sollspannung durch, um zu bewirken, dass sich die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 an die Sollspannung annähert. Die Einzelheiten dieser Steuerung werden später beschrieben.
Bei dem Nicht-Leistungserzeugungsmodus wird die spezifische Sollspannung eingestellt, wie obenstehend beschrieben ist. Die Sollspannung kann jedoch mitten in dem Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der fortlaufend ausgewählt ist, geändert werden. Beispielsweise kann die Sollspannung auf einen höheren Wert eingestellt werden, wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt, im Vergleich mit dem Wert der Sollspannung, wenn eine niedrigere Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt. Wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt, wird ein höherer Wert für die Sollspannung eingestellt, um eine relativ große Sauerstoffmenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 bereitzustellen, und dadurch das Ansprechverhalten auf eine darauffolgende Zunahme der Lastanforderung sicherzustellen. Wenn eine niedrige Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt, wird andererseits ein niedrigerer Wert für die Sollspannung eingestellt, um eine Zunahme der Spannung auf einen inakzeptablen Pegel in jeder Einheitszelle zu unterdrücken, selbst wenn eine erhöhte Schwankung der Spannung unter den jeweiligen Einheitszellen der Brennstoffzelle 100 besteht. Dies führt zu einer Verbesserung der Haltbarkeit der gesamten Brennstoffzelle 100.
„Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“, ist ein Beispiel für die Schaltposition, die auf den D-Bereich eingestellt ist. „Es besteht eine niedrige Wahrscheinlichkeit, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“, ist ein Beispiel für die Schaltposition, die auf einen P-Bereich eingestellt ist. Selbst bei der Schaltposition, die auf einen D-Bereich eingestellt ist, kann bestimmt werden, dass „eine niedrige Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“, wenn eine abgelaufene Zeit ab einer Erfüllung der Bedingung, dass „die Schaltposition ein D-Bereich ist“ und dass „eine niedrige Lastanforderung bereitgestellt ist, die dem intermittierenden Betriebsmodus entspricht“ eine vorbestimmte Referenzzeit überschreitet.
Selbst zu der Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus (Nicht-Leistungserzeugungsmodus oder niedriger Leistungserzeugungsmodus, der später beschrieben wird) wird die anodenseitige Strömungsstrecke 115 in der Brennstoffzelle 100 in dem Zustand aufrechterhalten, in dem eine Wasserstoffmenge vorhanden ist, die ermöglicht, dass unmittelbar eine elektrische Leistung erzeugt werden kann, welche die Lastanforderung als die Basis zum Auswählen des intermittierenden Betriebsmodus überschreitet. Mit anderen Worten wird selbst zu einer Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus die Umwälzpumpe 127 kontinuierlich angesteuert, während Wasserstoff von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 126 zugeführt wird, um den Wasserstoffverlust auszugleichen, der durch die Elektrolytmembran zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 übertragen wird.
Die Sollspannung der OCV der Brennstoffzelle 100 (durchschnittliche Zellenspannung), die zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus eingestellt ist, ist vorzugsweise nicht höher als 0,9 V, sie ist weiter bevorzugt nicht höher als 0,85 V und sie ist noch weiter bevorzugt nicht höher als 0,8 V, um eine Beeinträchtigung (Eluierung bzw. Auswaschung) des Elektrodenkatalysators zu unterdrücken, die durch das hohe Potential verursacht wird.
Die niedrige Zellenspannung an der Katode, oder mit anderen Worten der niedrige Sauerstoffpartialdruck in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 soll erwartungsgemäß eine Reduktion des Elektrodenkatalysators an der Katode vereinfachen (d.h. es ist wahrscheinlicher, dass der Oxidfilm auf der Oberfläche des Katalysators beseitigt wird). Eine Reduzierung des Elektrodenkatalysators an der Katode kann zu einem Problem führen, dass bei einer darauffolgenden Zunahme des Potentials durch eine darauffolgende Sauerstoffzufuhr in die kathodenseitige Strömungsstrecke 148 eine Eluierung bzw. Auswaschung des Elektrodenkatalysators an der Katode noch eher fortsetzt. Demzufolge ist es zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus wünschenswert, dass die Zellenspannung in keiner der Einheitszellen der Brennstoffzelle 100 auf 0 V abnimmt. Im Hinblick auf ein Unterdrücken dieses Problems, das durch eine Abnahme in einer Zellenspannung verursacht wird, beträgt die Sollspannung der OCV (durchschnittliche Zellenspannung), die zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus eingestellt wird, demzufolge vorzugsweise nicht weniger als 0,1 V und weiter bevorzugt nicht weniger als 0,2 V.
Während einer Fortführung des Nicht-Leistungserzeugungsmodus ist es wahrscheinlich, dass sich eine Schwankung der Leerlaufspannung unter den jeweiligen Einheitszellen erhöht. Selbst in einem solchen Fall ist es wünschenswert, dass die Spannungen von allen Einheitszellen in einem Spannungsbereich liegen, der dazu ausreicht, eine Eluierung bzw. Auswaschung des Elektrodenkatalysators zu unterdrücken. Selbst in dem Fall der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus über eine lange Zeitdauer, ist die Sollspannung der OCV (durchschnittliche Zellenspannung), die zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus eingestellt wird, vorzugsweise nicht höher als 0,4 V und weiter bevorzugt nicht höher als 0,3 V, um eine übermäßige Zunahme der OCV in jeder Einheitszelle zu unterdrücken, beispielsweise „wenn eine niedrige Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“, wie obenstehend beschrieben ist.
Zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus ist die Lastanforderung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert. Das Leistungsversorgungssystem 30 befindet sich jedoch in einem Betrieb (ohne eine Eingabe der Benutzeranweisung zum Stoppen des Systems), so dass die Lastanforderung wahrscheinlich in einer kurzen Zeitdauer zunimmt. Es ist daher wünschenswert, die Sauerstoffmenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 nicht übermäßig zu senken, um eine gewünschte elektrische Leistung schnell in Reaktion auf eine darauffolgende Zunahme der Lastanforderung zu erlangen. Mit anderen Worten ist es hinsichtlich einer Sicherstellung des Ansprechverhaltens auf eine darauffolgende Zunahme der Lastanforderung wünschenswert, zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus einen höheren Wert für die Sollspannung der OCV (durchschnittliche Zellenspannung) einzustellen. Zum Beispiel, „wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“, wie obenstehend beschrieben ist, ist die Sollspannung vorzugsweise nicht niedriger als 0,6 V und weiter bevorzugt nicht niedriger als 0,7 V, um das Ansprechverhalten auf die Lastanforderung sicherzustellen.
Wenn der Nicht-Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus ausgewählt ist, wie obenstehend beschrieben ist, kann das Leistungsversorgungssystem 30 in einem niedrigen Lastzustand, bei dem die Lastanforderung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, den hohen Potentialzustand der Brennstoffzelle 100 ohne eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 verhindern. Es besteht demzufolge kein Bedarf, eine nicht erforderliche, übermäßige Leistungserzeugung lediglich zu dem Zweck zu starten, um den hohen Potentialzustand zu vermeiden. Hierdurch wird ebenso unterdrückt, dass die Energieeffizienz des Leistungsversorgungssystems 30 beispielsweise aufgrund einer Speicherung der übermäßig erzeugten Leistung in der Sekundärbatterie 172 gesenkt wird.
(B-3) Niedriger Leistungserzeugungsmodus
Nachfolgend wird der niedrige Leistungserzeugungsmodus als ein anderer intermittierender Betriebsmodus beschrieben. Wie in dem normalen Betriebsmodus ist der niedrige Leistungserzeugungsmodus ein Betriebsmodus, der von der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 begleitet ist. Anders als der normale Betriebsmodus, der eine übermäßige Sauerstoffmenge der Brennstoffzelle 100 zuführt, ist jedoch der niedrige Leistungserzeugungsmodus ein Betriebsmodus, der gerade eine erforderliche Sauerstoffmenge der Brennstoffzelle 100 zuführt, die aus einer Sollmenge der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 theoretisch bestimmt ist.
4 ist ein Diagramm, dass eine IV-Charakteristik der Brennstoffzelle 100 schematisch zeigt, wenn die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, geändert wird während der Brennstoffzelle 100 eine übermäßige Menge Wasserstoff zugeführt wird. 4 umfasst vier Graphen A₁ bis A₄, die jeweils IV-Charakteristiken der Brennstoffzelle 100 zeigen. Die Sauerstoffzufuhrmenge nimmt in der Reihenfolge von A₁, A₂, A₃ und A₄ ab. Der Graph A₁ zeigt die IV-Charakteristik in dem normalen Betriebszustand, der eine übermäßige Sauerstoffmenge zuführt. Wie aus 4 verständlich wird, nimmt bei einer spezifischen Ausgangsspannung (V_FC) ein Ausgangsstrom (I₁ bis I₄) mit einer Abnahme der Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, ab und führt zu einer Abnahme der Ausgangsleistung.
5 ist ein Diagramm, das gemeinsam mit der IV Charakteristik in dem normalen Betriebsmodus einen verfügbaren Bereich des Betriebspunkts der Brennstoffzelle 100 zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus zeigt. Zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus stellt ein Einstellen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf eine spezifische Ausgangsspannung (V_FC) einen Ausgangsstrom I₁ bereit. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird andererseits, während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf die spezifische Ausgangsspannung (V_FC) eingestellt wird, die Sauerstoffzufuhrmenge geändert. Hierdurch wird die Größe des Ausgangsstroms auf einen gewünschten niedrigeren Wert als der Ausgangsstrom I₁ der oben stehend beschrieben ist, eingestellt und dadurch wird der Betrag der Leistungserzeugung auf einen gewünschten Wert gesteuert. Demzufolge kann ein verfügbarer Betriebspunkt der Brennstoffzelle 100 zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus auf ein Liniensegment in dem Bereich des Ausgangsstroms von 0 bis I₁ bei der Ausgangsspannung von V_FC eingestellt werden.
Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus, bei dem der Motor 170 keine elektrische Leistung benötigt, umfasst der Gesamtbetrag der Lastanforderung zumindest eine erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung. Ein Sollbetrag der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird basierend auf dieser Lastanforderung eingestellt. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus besteht kein Bedarf, dass der gesamte Betrag dieser Lastanforderung durch die elektrische Leistungserzeugung von der Brennstoffzelle 100 abgedeckt wird (mit anderen Worten besteht kein Bedarf den Sollbetrag der Leistungserzeugung gleich oder höher als den gesamten Betrag dieser Lastanforderung einzustellen), sondern es kann ein Teil der Lastanforderung von der Sekundärbatterie 172 ausgegeben werden. Der gesamte Betrag der Lastanforderung kann eine elektrische Leistung umfassen, die verwendet wird, um die Sekundärbatterie 172 zu laden. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus variiert die erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung, der Brennstoffzellenhilfsausrüstung und der Sekundärbatterie 172, sodass der Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 sich mit der Schwankung der Last ändern kann. Es ist jedoch wünschenswert, dass der Sollbetrag der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus nicht den Gesamtbetrag der erforderlichen elektrischen Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung und der erforderlichen elektrischen Leistung der Sekundärbatterie 172 überschreitet.
Wenn der Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 gleich oder niedriger als die gesamte erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung eingestellt wird, wird hierdurch ein übermäßiger Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 172 unterdrückt. Wenn der Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 höher als die gesamte erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung eingestellt wird, wird hierdurch andererseits eine übermäßige Abnahme des Ladezustands (SOC) der Sekundärbatterie 172 unterdrückt, während die Häufigkeit des Ladens der Sekundärbatterie 172 verringert wird. Während des Ladens der Sekundärbatterie 172 besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 zunehmend ein Geräusch verursacht. Ein Verringern der Häufigkeit des Ladens unterdrückt dieses potenzielle Problem. Der Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird demzufolge entsprechend, beispielsweise den Betriebsbedingungen und der Lastanforderung des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 angemessen, eingestellt.
Bei dem Luftzufuhrsystem 140 der Ausführungsform wird die Menge der Luft (Sauerstoffmenge), die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, übereinstimmend mit dem Ansteuerbetrag des Kompressors 130, der Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 bestimmt, wie oben stehend beschrieben ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus der Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 auf den Sollbetrag der Leistungserzeugung gesteuert, indem der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 und die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird, während die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 unter diesen Parametern festgesetzt wird. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 (d. h. ein Ansteuerbetrag des Gegendruckventils 143) und der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 zum Zuführen einer Sauerstoffmenge, welche den Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 erzielt, über einen gesamten verfügbaren Bereich des Sollbetrags der Leistungserzeugung vorab als Anfangswerte in dem Speicher des Controllers 200 eingestellt. Die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 und der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 zum Erzielen des Sollbetrags der Leistungserzeugung, können beispielsweise vorab experimentell bestimmt werden. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird Sauerstoff zur Leistungserzeugung verbraucht, sodass der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus größer als derjenige in dem Nicht-Leistungserzeugungsmodus ist.
Die Sollspannung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 (durchschnittliche Zellenspannung), die zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsbetrags ausgewählt wird, ist vorzugsweise nicht höher als 0,9 V, weiter bevorzugt nicht höher als 0,85 V und noch weiter bevorzugt nicht höher als 0,8 V, im Hinblick darauf, eine Beeinträchtigung (Eluierung bzw. Auswaschung) des Elektrodenkatalysators, die durch das hohe Potenzial verursacht wird, zu unterdrücken.
C. Steuerung bei Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus
(C-1) Steuerung bei Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus
1 ist ein Flussdiagramm, das eine Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine zeigt, die durch die CPU des Controllers 200 als eine Reihe von Vorgängen zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus durchgeführt wird. Diese Routine wird durch eine Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus getriggert und wird wiederholt durchgeführt bis der Nicht-Leistungserzeugungsmodus ausgesetzt wird. Der Nicht-Leistungserzeugungsmodus kann beispielsweise in Reaktion auf eine Lastanforderung von einer Hauptlast (Motor 170) ausgesetzt werden (Schritt S330 und S340 in 8, wie später beschrieben wird). Ein Betrieb zum Auswählen des Nicht-Leistungserzeugungsmodus wird später ausführlich beschrieben. Das Intervall, in dem diese Routine wiederholt durchgeführt wird, ist auf eine längere Zeitdauer (beispielsweise 1 bis 5 Sekunden) als eine Zeitdauer eingestellt, die zwischen einer Änderung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 in dieser Routine und einer resultierenden tatsächlichen Änderung einer Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, erforderlich ist.
Beim Start dieser Routine bestimmt die CPU zunächst, ob ein derzeitiger Zyklus der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine ein erster Zyklus nach einer Änderung des Betriebsmodus des Leistungsversorgungssystems 30 in den intermittierenden Betriebsmodus zu dieser Zeit ist (Schritt S100). Wenn bestimmt wird, dass der derzeitige Zyklus der erste Zyklus nach einer Änderung in den intermittierenden Betriebsmodus zu dieser Zeit ist, steuert die CPU das Gegendruckventil 143 zu einem Reaktionsfeld-voll-Schließzustand (Schritt S170) und erlangt einen Spannungswert Vme der Brennstoffzelle 100 aus dem Spannungssensor 102 (Schritt S175).
Der Reaktionsfeld-voll-Schließzustand bedeutet hierbei eine Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143, die eine Sauerstoffmenge an einer Grenze zwischen der Sauerstoffmangelfläche A und der äquivalenten Verhältnis-von-ungefähr-1-Fläche B, die in 3 gezeigt sind, zuführt. Mit anderen Worten bezeichnet der Reaktionsfeld-voll-Schließzustand eine Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143, die der Brennstoffzelle 100 eine Sauerstoffmenge zuführt, die für eine Oxidation des Wasserstoffs erforderlich ist, der durch die Elektrolytmembran während eines Stopps der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 übertragen wird. Eine Steuerung des Gegendruckventils 143 des Reaktionsfeld-voll-Schließzustands bei Schritt S 170 senkt die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, dramatisch im Vergleich zu einer Sauerstoffmenge zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143, die den Reaktionsfeld-voll-Schließzustand bereitstellt, vorab eingestellt und in dem Speicher des Controllers 200 gespeichert.
In dem Fall, bei dem die Zeitvorgabe, zu der bei Schritt S100 bestimmt wird, dass der derzeitige Zyklus der erste Zyklus nach einer Änderung in den intermittierenden Betriebsmodus ist, die Zeit der Zeitvorgabe ist für ein Schalten von „dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 100 eine elektrische Leistung in Reaktion auf eine Lastanforderung erzeugt“ auf den „Nicht-Leistungserzeugungsmodus“, wird der Brennstoffzelle 100 zu der Zeitvorgabe dieses Umschaltens eine übermäßige Sauerstoffmenge zugeführt. Ein Stoppen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 unmittelbar nach dem Schritt S170 erhöht somit wahrscheinlich die OCV der Brennstoffzelle 100 auf einen inakzeptablen Pegel. Eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 kann somit fortgeführt werden, selbst nach dem Schritt S170, beispielsweise in dem Zustand, in dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 gleich oder niedriger als eine zulässige obere Grenze ist. In dem Fall, in dem eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 nach dem Schritt S 170 fortgeführt wird, wird die Sauerstoffmenge in der kathodenseitige Strömungsstrecke 148 in der Brennstoffzelle 100 durch eine Leistungserzeugung verbraucht und nimmt drastisch ab. Dies führt zu einer graduellen Abnahme des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 100. Wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 100 auf einen bestimmten Pegel abnimmt, dient die Diode, die in dem DC/DC-Wandler 104 umfasst ist, dazu, die Leistungszufuhr von der Brennstoffzelle 100 zu der Last abzusperren und dadurch eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 zu stoppen.
In dem Fall, bei dem eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 nach dem Schritt S 170 gestoppt wird, wird andererseits die Sauerstoffmenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 der Brennstoffzelle 100 schnell durch eine Oxidation des Wasserstoffs gesenkt, der durch die Elektrolytmembran an der Kathode übertragen wird. Eine Abnahme der Sauerstoffmenge in der Brennstoffzelle 100 bewirkt, dass die OCV der Brennstoffzelle 100 nach einem Stoppen der Leistungserzeugung abnimmt und sich der zulässigen oberen Grenze annähert. Ein weiteres Fortführen des Stopps der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 bewirkt, dass die OCV der Brennstoffzelle 100 auf oder unter diese zulässige obere Grenze abnimmt.
Bei Schritt S175 erlangt die CPU die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 während einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100, wohingegen die OCV der Brennstoffzelle 100 während eines Stopps der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 erlangt wird. Gemäß dieser Ausführungsform bezeichnet der Spannungswert Vme eine durchschnittliche Zellenspannung, die durch Dividieren des Spannungswerts des gesamten Zellenstapels, der durch den Spannungssensor 102 erfasst wird, durch die Anzahl der Zellen, die in dem Zellenstapel umfasst sind, berechnet wird.
Nach einem Erlangen des Spannungswerts Vme der Brennstoffzelle 100 bei Schritt S175 vergleicht die CPU den erlangt Spannungswert Vme mit einer Sollspannung Vmark+α (Schritt S 180). Die Sollspannung Vmark bezeichnet hierbei eine Sollspannung zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der vorab in dem Speicher des Controllers 200 gespeichert ist, und α bezeichnet einen positiven Wert, der bereitgestellt ist, um zu unterdrücken, dass die OCV der Brennstoffzelle 100 aufgrund einer Verzögerung einer Zunahme der Sauerstoffzufuhrmenge zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 unter die Sollspannung Vmark abnimmt. Wie oben stehend beschrieben ist, nimmt der Spannungswert Vme nach einem Stoppen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 graduell ab. Gemäß dieser Ausführungsform wiederholt die CPU ein Eingeben des Spannungswerts Vme bei Schritt S175 und eine Bestimmung bei Schritt S180 bis der Spannungswert Vme gleich oder niedriger als die Sollspannung Vmark+α wird.
Wenn bei Schritt S180 bestimmt wird, dass der Spannungswert Vme gleich oder niedriger als die Sollspannung Vmark+α wird, gibt die CPU ein Ansteuersignal an den Schrittmotor des Gegendruckventils 143 aus, um die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 auf eine Ventilöffnungsposition zu steuern, die vorab gespeichert ist, um die Sollspannung Vmark zu erzielen (Schritt S190) und beendet diese Routine. Hierdurch wird die Sauerstoffmenge, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, von der Sauerstoffmenge, die dem Reaktionsfeld-voll-Schließzustand entspricht, auf die Sauerstoffmenge, die der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 entspricht, erhöht, welche die Sollspannung Vmark erzielt.
Wenn die Sauerstoffzufuhrmenge nach einem Abfall des Spannungswerts Vme auf die Sollspannung Vmark erhöht wird, ist es wahrscheinlich, dass die Spannung der Brennstoffzelle 100 weiter unter die Sollspannung Vmark abnimmt bis eine gewünschte Sauerstoffmenge die Kathode erreicht. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffzufuhrmenge zu der Zeit erhöht, zu welcher der Spannungswert Vme gleich oder niedriger als die Sollspannung Vmark+α wird. Hierdurch wird unterdrückt, dass die Spannung der Brennstoffzelle 100 unter die Sollspannung Vmark abnimmt. Der Wert α kann angemessen eingestellt werden, indem das Ansprechverhalten der Ansteuerung des Gegendruckventils 143 und die Zeitdauer, bis eine Zunahme der Zufuhrmenge des Sauerstoffs die Kathode tatsächlich erreicht, miteinbezogen wird (dies wird beispielsweise durch den Strömungsstreckenwiderstand und die Strömungsstreckenlänge der Strömungsstrecke einschließlich der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 beeinflusst).
Wenn bei Schritt S100 bestimmt wird, dass der derzeitige Zyklus der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine nicht der erste Zyklus nach einer Änderung in den intermittierenden Betriebsmodus zu dieser Zeit ist, d. h. wenn bestimmt wird, dass eine Steuerung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 bereits gestartet worden ist, erlangt die CPU den Spannungswert Vme der Brennstoffzelle 100 von dem Spannungssensor 102 (Schritt S 110). Da eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 bereits gestoppt worden ist, erlangt die CPU bei Schritt S110 die OCV der Brennstoffzelle 100 als den Spannungswert Vme.
Nach einem Erlangen des Spannungswerts Vme bei Schritt S110 vergleicht die CPU den erlangten Spannungswert Vme mit der Sollspannung Vmark (Schritt S130). Wenn das Ergebnis des Vergleichs zeigt, dass der erlangte Spannungswert Vme um zumindest einen ersten Wert höher als die Sollspannung Vmark ist (nachstehend wird dieser Zustand ebenso als ein Hochspannungszustand bezeichnet), verringert die CPU die Ventilöffnung des Gegendruckventils 143 in dem Nicht-Leistungserzeugungszustand, um die Strömungsrate des Sauerstoffs, welcher der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, zu senken (Schritt S140) und beendet danach diese Routine. Wenn das Ergebnis des Vergleichs zeigt, dass der erlangte Spannungswert Vme um zumindest einen zweiten Wert niedriger als die Sollspannung Vmark ist (nachstehend wird dieser Zustand ebenso als Niederspannungszustand bezeichnet), erhöht die CPU die Ventilöffnung des Gegendruckventils 143 in dem Nicht-Leistungserzeugungszustand, um die Strömungsrate des Sauerstoffs, welcher der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, zu erhöhen (Schritt S150) und beendet danach diese Routine. Wenn das Ergebnis des Vergleichs weder den Hochspannungszustand noch den Niederspannungszustand anzeigt (jedoch einem Spannungserhaltungszustand entspricht), erhält die CPU die derzeitige Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 in dem Nicht-Leistungserzeugungszustand aufrecht, um die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, beizubehalten (Schritt S160) und beendet danach diese Routine.
Gemäß dieser Ausführungsform wird in dem Fall des Abnehmens der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 bei Schritt S140, oder in dem Fall einer Zunahme der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 bei Schritt S150 der Ansteuerbetrag des Schrittmotors des Gegendruckventils 143 variiert, um die Ventilöffnungsposition um einen Schritt zu ändern. Mit anderen Worten wird die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 um die minimale Einheit einer Änderung der Ventilöffnungsposition geändert. Hierdurch wird eine drastische Spannungsschwankung der Brennstoffzelle 100 unterdrückt. Der Betrag von jeder Änderung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 kann jedoch auf zwei oder mehr Schritte eingestellt sein.
Der erste Wert, der zur Bestimmung verwendet wird, die Sauerstoffmenge bei Schritt S140 zu senken, kann sich von dem zweiten Wert, der zur Bestimmung verwendet wird, die Sauerstoffmenge bei Schritt S150 zu erhöhen, unterscheiden oder identisch sein. Der erste Wert und der zweite Wert können auf beliebige positive Werte eingestellt werden, indem beispielsweise das Ansprechverhalten der Änderung der Strömungsrate des Sauerstoffs auf das Ansteuersignal, welches in das Gegendruckventils 143 eingegeben wird, einbezogen wird.
(C-2) Steuerung bei der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus
7 ist ein Flussdiagramm, das eine niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine zeigt, welche durch die CPU des Controllers 200 als eine Reihe von Vorgängen zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus durchgeführt wird. Diese Routine wird durch eine Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus getriggert, und sie wird wiederholt durchgeführt, bis der niedrige Leistungserzeugungsmodus ausgesetzt wird. Der niedrige Leistungserzeugungsmodus wird beispielsweise in Reaktion auf eine Lastanforderung von der Hauptlast (Motor 170) ausgesetzt (Schritt S380 und Schritt S390 in 8, wie später beschrieben wird). Ein Vorgang zur Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird später ausführlich beschrieben. Das Intervall, in dem diese Routine wiederholt durchgeführt wird, wird auf eine längere Zeitdauer (z. B. 20 bis 30 Sekunden) als die Zeitdauer eingestellt, die zwischen einer Änderung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 in dieser Routine und einer resultierenden tatsächlichen Änderung der Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, erforderlich ist.
Auf einen Start dieser Routine hin, bestimmt die CPU zunächst, ob ein derzeitiger Zyklus der niedrigen Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine ein erster Zyklus nach einer Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus ist (Schritt S200). Wenn bestimmt wird, dass der derzeitige Zyklus der erste Zyklus nach einer Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus ist, steuert die CPU das Gegendruckventil 143 zu dem Reaktionsfeld-voll-Schließzustand, der oben stehend beschrieben ist, und stellt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf die Sollspannung Vmark ein (Schritt S280) und beendet diese Routine. Demzufolge gibt die CPU dem DC/DC-Wandler 174 eine Anweisung mit einer Einstellung des Anfangswerts der Sollspannung, die vorab in dem Speicher gespeichert ist, auf die Sollspannung Vmark.
Ein Steuern des Gegendruckventils 143 auf den Reaktionsfeld-voll-Schließzustand bei Schritt S280 senkt die Sauerstoffzufuhr zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 in der Brennstoffzelle 100 drastisch ab. Ein Fortführen der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 in dem Zustand, in dem die Zufuhr von Sauerstoff der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 drastisch abgesenkt ist, bewirkt, dass die Sauerstoffmenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 in Begleitung der Leistungserzeugung gesenkt wird. In diesem Zustand ist die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf die Sollspannung Vmark fixiert, sodass der Ausgangsstrom und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 100 mit einer Abnahme der Sauerstoffmenge graduell abnimmt. Wie in 5 gezeigt ist, kann der verfügbare Betriebspunkt der Brennstoffzelle 100 zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus auf das Liniensegment in dem Bereich des Ausgangsstroms von 0 bis I₁ bei der Ausgangsspannung von V_FC eingestellt werden (Sollspannung Vmark). Demzufolge verschiebt eine Abnahme der Zufuhr von Sauerstoff zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 100 von dem Punkt des Ausgangsstroms I₁ entlang dieses Liniensegments in einer Richtung der Abnahme des Ausgangsstroms. Die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 100 in diesem Zustand erzeugt wird, kann durch die Brennstoffzellenhilfsausrüstung und Fahrzeughilfsausrüstung verbraucht werden. Eine zusätzliche Menge erzeugter elektrischer Leistung kann dazu verwendet werden, die Sekundärbatterie 172 zu laden.
Wenn bei Schritt S200 bestimmt wird, dass der derzeitige Zyklus der niedrigen Leistungserzeungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine nicht der erste Zyklus nach einer Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus ist, stellt die CPU andererseits einen Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark in der Brennstoffzelle 100 ein (Schritt S210). Der Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark kann basierend auf der erforderlichen elektrischen Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung, der Brennstoffzellenhilfsausrüstung und der Sekundärbatterie 172 eingestellt werden, wie oben stehend beschrieben ist.
Nach einem Einstellen des Sollbetrags der Leistungserzeugung Pmark bei Schritt S210 bestimmt die CPU, ob das Gegendruckventil 143 in dem Reaktionsfeld-Voll-Schließzustand ist (Schritt S220). Unmittelbar nachdem die niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine gestartet worden ist, um das Gegendruckventil 143 auf den Reaktionsfeld-voll-Schließzustand bei Schritt S280 zu steuern, jedoch bevor eine Steuerung der Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, noch nicht gestartet worden ist, wird bei Schritt S220 bestimmt, dass das Gegendruckventil 143 in dem Reaktionsfeld-voll-Schließzustand ist.
Wenn bei Schritt S220 bestimmt wird, dass das Gegendruckventil 143 in dem Reaktions-voll-Schließzustand ist, passt die CPU die Sauerstoffzufuhrmenge an, um der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die erforderlich ist, um den Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark zu erzielen (Schritt S290) und beendet diese Routine. Wie oben stehend beschrieben ist, sind gemäß dieser Ausführungsform die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 (Ansteuerbetrag des Gegendruckventils 143) und der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 zum Zuführen einer Sauerstoffmenge zu der Brennstoffzelle 100, die den Sollbetrag der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus über den gesamten verfügbaren Bereich der Sollspannung Vmark erzielt, in der Form eines Kennfelds in dem Speicher des Controllers 200 vorab gespeichert. Bei Schritt S290 bezieht sich die CPU auf dieses Kennfeld und passt die Sauerstoffzufuhrmenge entsprechend dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark an.
Wenn bei Schritt S220 bestimmt wird, dass das Gegendruckventil 143 nicht in dem Reaktionsfeld-voll-Schließzustand ist, d. h. wenn die Zufuhr einer Sauerstoffmenge bereits gestartet worden ist, berechnet die CPU einen derzeitigen Betrag der Leistungserzeugung Pme der Brennstoffzelle 100 (Schritt S230). Der Betrag der Leistungserzeugung Pme der Brennstoffzelle 100 kann aus einer Ausgangsspannung Vme, die durch den Spannungssensor 102 erfasst wird, und einen Ausgangsstrom Ime, der durch den Stromsensor 103 erfasst wird, berechnet werden.
Nach einem Berechnen des Betrags der Leistungserzeugung Pme bei Schritt S230 vergleicht die CPU den berechneten Betrag der Leistungserzeugung Pme mit dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark (Schritt S240). Wenn das Ergebnis des Vergleichs zeigt, dass der berechnete Betrag der Leistungserzeugung Pme um zumindest einen ersten Wert höher als der Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark ist (nachstehend wird dieser Zustand ebenso als ein hoher Abgabezustand bezeichnet), führt die CPU eine Steuerung durch, um die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, zu senken (Schritt S250) und beendet danach diese Routine. Wenn das Ergebnis des Vergleichs zeigt, dass der berechnete Betrag der Leistungserzeugung Pme um zumindest einen zweiten Wert niedriger als der Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark ist (nachstehend wird dieser Zustand ebenso als ein niedriger Abgabezustand bezeichnet), führt die CPU eine Steuerung durch, um die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, zu erhöhen (Schritt S260) und beendet danach diese Routine. Wenn das Ergebnis des Vergleichs weder den hohen Abgabezustand noch den niedrigen Abgabezustand anzeigt (jedoch einem Ausgabeerhaltungszustand entspricht), erhält die CPU die Sauerstoffmenge, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, aufrecht (Schritt S270) und beendet danach diese Routine.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffzufuhrmenge zu einer Zunahme oder Abnahme gesteuert, indem der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 und die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird, während die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 festgesetzt wird, wie oben stehend beschrieben ist. Genauer genommen wird die Sauerstoffzufuhrmenge grob geregelt, indem der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 geändert wird, und sie wird feiner angepasst, indem die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird. Wenn beispielsweise eine kleine Differenz zwischen dem Betrag der Leistungserzeugung Pme und dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark besteht, kann lediglich die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert werden. In diesem Fall kann der Betrag der Zunahme oder Abnahme der Ventilöffnung des Gegendruckventils 143 festgesetzt werden (beispielsweise um einen Schritt variiert werden) oder kann derart geändert werden, dass die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 mit einer Zunahme der Differenz zwischen dem Betrag der Leistungserzeugung Pme und dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark um einen größeren Grad erhöht oder gesenkt wird. Wenn beispielsweise eine Lastanforderung variiert wird, sodass die Differenz zwischen dem Betrag der Leistungserzeugung Pme und dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark zunimmt, kann der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 anstelle oder zusätzlich zu einer Änderung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert werden. Eine Kombination der Änderung des Ansteuerbetrags des Kompressors 130 mit einer Änderung der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 unterdrückt eine Schwankung des Ansteuerbetrags des Kompressors 130. Hierdurch wird demzufolge das Geräusch aufgrund der Schwankung der Drehzahl des Kompressors 130 unterdrückt.
Der erste Wert, der zur Bestimmung verwendet wird, um den Sauerstoffbetrag bei Schritt S250 zu senken, kann sich von dem zweiten Wert, der dazu verwendet wird, den Sauerstoffbetrag bei Schritt S260 zu erhöhen, unterscheiden oder identisch sein. Der erste Wert und der zweite Wert können auf beliebige positive Werte eingestellt werden, indem beispielsweise das Ansprechverhalten der Änderung der Strömungsrate des Sauerstoffs auf das Ansteuersignal, das in das Gegendruckventil 143 und den Kompressor 130 eingegeben wird, miteinbezogen wird.
D. Schaltsteuerung des intermittierenden Betriebsmodus
8 ist ein Flussdiagramm, das eine intermittierender-Betrieb-Moduseinstellroutine zeigt, welche durch die CPU des Controllers 200 als eine Reihe von Vorgängen, die bei einem Einstellen des intermittierenden Betriebsmodus beteiligt sind, durchgeführt wird. Diese Routine wird durch eine Aktivierung des Leistungsversorgungssystems 30 getriggert und während eines Betriebs des Leistungsversorgungssystems 30 wiederholt durchgeführt bis die Benutzeranweisung zum Stoppen des Systems eingegeben wird. Das Leistungsversorgungssystem 30 wählt entweder den Nicht-Leistungserzeugungsmodus oder den niedrigen Leistungserzeugungsmodus als den intermittierenden Betriebsmodus aus, wie oben stehend beschrieben ist. Das Leistungsversorgungssystem 30 der Ausführungsform wählt im Allgemeinen den Nicht-Leistungserzeugungsmodus zu der Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus aus und wählt den niedrigen Leistungserzeugungsmodus aus, um eine Schwankung der Spannung zu unterdrücken, wenn eine spezifische Lastanforderung bei einer Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus besteht, wie nachstehend beschrieben wird.
Zu Beginn dieser Routine berechnet die CPU eine Lastanforderung (Schritt S300). Die Lastanforderung bezeichnet den Gesamtbetrag der erforderlichen elektrischen Leistung des Motors 170 und der erforderlichen elektrischen Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung, wie oben stehend beschrieben ist. Die erforderliche elektrische Leistung des Motors 170 kann basierend auf den Erfassungssignalen des Gaspedalpositionssensors 180 und des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors bestimmt werden. Die erforderliche elektrische Leistung der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung wird basierend auf den Ansteuersignalen bestimmt, die von der jeweiligen Hilfsausrüstung ausgegeben werden.
Die CPU bestimmt darauffolgend, ob die berechnete Lastanforderung gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Referenzwert ist (Schritt S310). Wenn bestimmt wird, dass die Lastanforderung höher als der vorbestimmte Referenzwert ist, wählt das Leistungsversorgungssystem 30 nicht den intermittierenden Betriebsmodus aus, sodass die CPU diese Routine unmittelbar beendet. In diesem Fall führt die CPU basierend auf der Lastanforderung eine Steuerung in dem normalen Betriebsmodus durch.
Wenn bei Schritt S310 bestimmt wird, dass die Lastanforderung gleich oder niedriger als der Referenzwert ist, führt die CPU die Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine aus 6 durch (Schritt S320). In der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S320 wird die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 auf eine Sollspannung Vmark1 eingestellt. Der Zustand der Lastanforderung, der bewirkt, dass bei Schritt S320 die Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine übereinstimmend mit dieser Ausführungsform durchgeführt wird, entspricht dem „ersten niedrigen Lastzustand“ in der KURZFASSUNG. Die Sollspannung Vmark1 entspricht der „ersten Sollspannung“ in der KURZFASSUNG.
In jedem Zyklus der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S320 bestimmt die CPU, ob eine Lastanforderung besteht, die den Referenzwert überschreitet, der für die Bestimmung bei Schritt S310 verwendet wird. (Schritt S330). Die CPU wiederholt die Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S320 bis bei Schritt S330 bestimmt wird, dass eine Lastanforderung besteht, die den Referenzwert überschreitet.
Wenn bei Schritt S330 bestimmt wird, dass eine Lastanforderung besteht, die den Referenzwert überschreitet, bestimmt die CPU, ob die Lastanforderung als Gegenstand der Bestimmung einer nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht (Schritt S340). Gemäß dieser Ausführungsform wird die Lastanforderung, die den Referenzwert überschreitet, in eine zurückgesetzte Lastanforderung, die dazu dient, den intermittierenden Betriebsmodus auszusetzen (d. h. zur Beendigung der intermittierender-Betrieb-Moduseinstellroutine aus 8) und eine nicht-zurückgesetzte Lastanforderung, die den intermittierenden Betriebsmodus nicht aussetzt, unterteilt. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Lastanforderung in dem Zustand, bei dem die Sekundärbatterie 172 einen niedrigen Ladezustand SOC aufweist (d. h. Lastanforderung zum Laden der Sekundärbatterie 172), als die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung spezifiziert. Wenn bei Schritt S340 bestimmt wird, dass die Lastanforderung nicht der nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht, sondern eine zurückgesetzte Lastanforderung ist (z. B. eine Gaspedaleinschaltzeit), beendet die CPU diese Routine.
Wenn bei Schritt S340 bestimmt wird, dass die Lastanforderung der nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht, unterbricht die CPU andererseits eine Leistungserzeugung in dem intermittierenden Betriebsmodus und führt eine Leistungserzeugungssteuerung für die nicht-zurückgesetzten Lastanforderung durch (Schritt S350). In dem Fall der Leistungserzeugung für die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung, wie in dem Fall des Ladens der Sekundärbatterie 172, führt die CPU eine Leistungserzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 100 derart durch, dass eine elektrische Leistung erzeugt wird, die der nicht-zurückgesetzte Lastanforderung in dem Zustand entspricht, bei dem der Brennstoffzelle 100 übermäßige Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden, wie in dem normalen Betriebsmodus. In dieser Ausführungsform stellt die Leistungserzeugungssteuerung bei Schritt S350 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf Vout ein. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Ausgangsspannung Vout höher als die Sollspannung Vmark1, die in der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S320 eingestellt ist.
Nach einem Starten der Leistungserzeugungssteuerung bei Schritt S350 bestimmt die CPU, ob eine Ausgabe der Brennstoffzelle 100 in Erwiderung auf die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung beendet werden soll (Schritt S360). Genauer genommen bestimmt die CPU, ob der SOC der Sekundärbatterie 172 wieder hergestellt worden ist und kein Bedarf besteht, die Sekundärbatterie 172 weiter zu laden. Die CPU führt die Leistungserzeugungssteuerung bei Schritt S350 fort, bis zu einer Bestimmung, dass die Ausgabe in Erwiderung auf die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung beendet werden soll.
Wenn bei Schritt S360 bestimmt wird, dass die Ausgabe in Erwiderung auf die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung beendet werden soll, ändert die CPU die Steuerung, um in den intermittierenden Betriebsmodus zurückzukehren und führt die niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine aus 7 in dem darauffolgenden intermittierenden Betriebsmodus durch (Schritt S370). In der niedrigen Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 wird die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 auf eine Sollspannung Vmark2 eingestellt, die höher als die Sollspannung Vmark2 ist, die bei Schritt S320 eingestellt wird. Der Zustand der Lastanforderung, der bewirkt, dass die niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 gemäß dieser Ausführungsform durchgeführt wird, entspricht dem „zweiten niedrigen Lastzustand“ in der KURZFASSUNG. Die Sollspannung Vmark2 entspricht der „zweiten Sollspannung“ in der KURZFASSUNG. Es wird bevorzugt, dass die zweite Sollspannung Vmark2, die bei Schritt S370 eingestellt wird, niedriger als die Ausgangsspannung Vout ist, die bei Schritt S350 eingestellt wird. Dies liegt an den folgenden Gründen. In dem Fall der Änderung der Ausgangsspannung unterdrückt eine Abnahme der Ausgangsspannung eine Zunahme der Schwankung der Spannung unter den jeweiligen Einheitszellen im Vergleich zu einer Zunahme der Ausgangsspannung. Selbst in dem Fall, bei dem der niedrige Lastzustand nach einem Starten der niedrigen Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 zum Erhöhen einer Schwankung der Spannung unter den jeweiligen Einheitszellen fortgeführt wird, wird hierdurch unterdrückt, dass die Spannung von jeder Einheitszelle auf einen ungewünschten Pegel ansteigt.
In jedem Zyklus der niedrigen Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 bestimmt die CPU, ob eine Lastanforderung besteht, die den Referenzwert überschreitet, der zu der Bestimmung bei S310 verwendet wird (Schritt S380). Die CPU wiederholt die niedrige Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 bis zu einer Bestimmung bei Schritt S380, dass eine Lastanforderung den Referenzwert überschreitet.
Wenn bei Schritt S380 bestimmt wird, dass eine Lastanforderung besteht, die den Referenzwert überschreitet, bestimmt die CPU, ob die Lastanforderung als Gegenstand der Bestimmung der nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht (Schritt S390). Die Verarbeitung bei Schritt S390 ist ähnlich zu der Verarbeitung S340, der obenstehend beschrieben ist. Wenn bei Schritt S390 bestimmt wird, dass die Lastanforderung der nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht, kehrt die CPU zu Schritt S350 zurück und wiederholt die Reihe von Vorgängen von Schritt S350 und darauffolgenden Schritten, wie obenstehend beschrieben ist. Wenn bei Schritt S390 bestimmt wird, dass die Lastanforderung nicht der nicht-zurückgesetzten Lastanforderung entspricht, sondern einer zurückgesetzten Lastanforderung (z. B. einer Gaspedaleinschaltzeit), beendet die CPU andererseits diese Routine. Nach einer Bestimmung bei Schritt S340 oder Schritt S390, dass die Lastanforderung die zurückgesetzte Lastanforderung ist, startet die CPU in Reaktion auf eine Lastanforderung von dem Motor 170 eine Leistungserzeugung in dem normalen Betriebsmodus.
Bei dem Leistungsversorgungssystem 30 der Ausführungsform mit dem oben genannten Aufbau wird in dem Fall der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus in dem niedrigen Lastzustand, in dem die Lastanforderung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, die Sollspannung auf die erste Sollspannung Vmark1 eingestellt. Nachdem die Lastanforderung den Referenzwert überschreitet, wird eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 bei einer Ausgangsspannung Vout durchgeführt, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist, die in dem intermittierenden Betriebsmodus verwendet wird. In dem Fall eines darauffolgenden Übergangs zu einem niedrigen Lastzustand zum erneuten Auswählen des interemittierenden Betriebsmodus, wird die Sollspannung auf die zweite Sollspannung Vmark2 eingestellt, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist. Wie obenstehend beschrieben ist, wird nach einer Leistungserzeugung bei der Ausgangsspannung Vout, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist, die in dem intermittierenden Betriebsmodus verwendet wird, zu der darauffolgenden Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus für die Sollspannung die zweite Sollspannung Vmark2 eingestellt, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist. Hierdurch wird eine Spannungsschwankung der Brennstoffzelle 100 unterdrückt. Hierdurch wird demzufolge eine Schwankung des Elektrodenpotentiales der Brennstoffzelle 100 unterdrückt und eine Eluierung des Elektrodenkatalysators (oder genauer genommen des Kathodenelektrodenkatalysators) unterdrückt, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 100 verbessert wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wählt die CPU in der intermittierender-Betrieb-Moduseinstellroutine auf eine Bestimmung des niedrigen Lastzustands hin, in dem eine Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus erforderlich ist, zunächst den Nicht-Leistungserzeugungsmodus aus (Schritt S320). In dem niedrigen Lastzustand wird der Nicht-Leistungserzeugungsmodus bevorzugt vor dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus ausgewählt. Hierdurch wird der Brennstoffverbrauch in dem niedrigen Lastzustand unterdrückt, und die Energieeffizienz des gesamten Leistungsversorgungssystems 30 verbessert. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wird Wasserstoff zur Leistungserzeugung verbraucht. Zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus wird andererseits ein Verbrauch des Wasserstoffs auf die Wasserstoffmenge begrenzt, die von der anodenseitigen Strömungsstrecke 115 über die Elektrolytmembran zu der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 übertragen wird, und an der Kathode oxidiert wird. Hierdurch wird der Wasserstoffverbrauch unterdrückt. Die Sauerstoffzufuhrmenge soll im Vergleich zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus, zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus mit einer Leistungserzeugung erhöht werden. Dies führt zu einer Zunahme des Ansteuerbetrags des Kompressors 130 und erhöht dabei den Leistungsverbrauch des Kompressors 130.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Steuerung des intermittierenden Betriebsmodus unter Verwendung der zweiten Sollspannung Vmark2, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist, nach einer Leistungserzeugung bei der Ausgangsspannung Vout, die höher als die erste Sollspannung Vmark1 ist, der niedrige Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus ausgewählt. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus erzeugt die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung. Hierdurch wird eine Abnahme des SOC der Sekundärbatterie 172 unterdrückt und die Häufigkeit des Ladens der Sekundärbatterie 172 verringert. Durch ein Laden der Sekundärbatterie 172 besteht ein Bedarf, den Ansteuerbetrag des Kompressors 130 zu erhöhen, um eine elektrische Leistung zu erlangen, die zum Laden aus der Brennstoffzelle 100 erforderlich ist. Eine Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus als intermittierender Betriebsmodus verringert die Häufigkeit des Ladens der Sekundärbatterie 172. Dies verringert das Geräusch, das durch eine Zunahme des Ansteuerbetrags des Kompressors 130 während eines Ladens verursacht wird.
Die Sollspannung, die in der Nicht-Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S320 eingestellt wird, muss nicht notwendiger Weise eine konstante Spannung während einer Ausführung von Schritt S320 sein. Beispielsweise kann die Sollspannung auf eine höhere Sollspannung eingestellt werden, wenn „eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“ und kann auf eine niedrigere Sollspannung eingestellt werden, wenn „eine niedrige Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Last schnell eine Lastanforderung bereitstellt“. In dem Fall, bei dem die Sollspannung in dem Nicht-Leistungserzeugungsmodus während einer Ausführung Schritt S320 variiert, soll die Sollspannung in der niedrigen Leistungserzeugungs-intermittierender-Betrieb-Steuerroutine bei Schritt S370 auf die zweite Sollspannung Vmark2 eingestellt werden, die höher als die Sollspannung Vmark1 ist, welche die Sollspannung unmittelbar vor einem Aussetzen des Nicht-Leistungserzeugungsmodus bei Schritt S320 ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Lastanforderung zum Laden der Sekundärbatterie 172 als eine nicht-zurückgesetzte Lastanforderung bei Schritt S340 spezifiziert, und eine Lastanforderung in einer Gaspedaleinschaltzeit wird als die zurückgesetzte Lastanforderung bezeichnet. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Gemäß einer Modifikation kann die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung eine Lastanforderung von dem Motor 170 umfassen. Es wird jedoch bevorzugt, dass eine Lastanforderung von dem Motor 170 (Hauptlast), welche die primäre Last unter den Lasten ist, die eine Zuführung von elektrischer Leistung aus dem Leistungsversorgungssystem 30 empfangen, als die zurückgesetzte Lastanforderung spezifiziert wird, und eine Lastanforderung aus einer anderen Last (Hilfslast), die einen niedrigeren erforderlichen Betrag der Leistungserzeugung als die Hauptlast aufweist, als die nicht-zurückgesetzte Lastanforderung spezifiziert wird. Wenn eine Lastanforderung von der Hauptlast besteht, erhöht ein Zurücksetzen der Bestimmung der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus die Wahrscheinlichkeit, dass der Betriebsmodus, welcher zu der Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus zuerst eingesetzt ist (d. h. in dieser Ausführungsform ein Nicht-Leistungserzeugungsmodus mit Einstellung der ersten Sollspannung Vmark1 für die Sollspannung) bevorzugt durchgeführt wird. Eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass der Betriebsmodus mit der niedrigeren Sollspannung in der Steuerung bevorzugt durchgeführt wird, verbessert die Energieeffizienz des Gesamtsystems.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der Betriebsmodus, der zu der Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus (erster Betriebsmodus) ausgewählt wird, der Nicht-Leistungserzeugungsmodus, und der Betriebsmodus, der nach einer nicht-zurückgesetzten Lastanforderung (folgender Betriebsmodus) ausgewählt wird, ist der niedrige Leistungserzeugungsmodus. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Gemäß einer Modifikation kann der erste Betriebsmodus der niedrige Leistungserzeugungsmodus sein, und der drauf folgende Betriebsmodus kann der Nicht-Leistungserzeugungsmodus sein. Gemäß einer anderen Modifikation kann lediglich der niedrige Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus eingesetzt werden, und sowohl der erste Betriebsmodus als auch der darauffolgende Betriebsmodus können der niedrige Leistungserzeugungsmodus sein. Gemäß einer wiederum anderen Modifikation kann lediglich der Nicht-Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus eingesetzt werden, und sowohl der erste Betriebsmodus als auch der darauffolgende Betriebsmodus können der Nicht-Leistungserzeugungsmodus sein.
Der nachfolgende Aufbau kann derart bereitgestellt sein, dass lediglich der Nicht-Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus eingesetzt wird. Bei der Schaltposition, die auf einen P-Bereich eingestellt ist, kann die Steuerung den Nicht-Leistungserzeugungsmodus mit einer Einstellung einer niedrigen Sollspannung als den ersten Betriebsmodus auswählen. In einem erneuten Übergang zu dem niedrigen Lastzustand nach einer nicht-zurückgesetzten Lastanforderung kann die Steuerung selbst dann, wenn die Schaltposition in dem P-Bereich gehalten wird, den Nicht-Leistungserzeugungsmodus mit einer Einstellung einer höheren Sollspannung als den darauffolgenden Betriebsmodus auswählen.
E. Kathodenspülung bei einer Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus
Wenn der niedrige Leistungserzeugungsmodus als der intermittierende Betriebsmodus ausgewählt ist, wird an der Kathode begleitend mit einer Leistungserzeugung Wasser hergestellt (Vorgang der elektrochemischen Reaktion). Das Wasser, das an der Kathode hergestellt wird, kann sich in der Form von flüssigem Wasser an der Kathode und der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 nahe der Kathode ansammeln. Dieses angesammelte flüssige Wasser kann verschiedene Probleme verursachen. Diese Ausführungsform führt demzufolge eine Steuerung einer vorübergehenden Zunahme der Sauerstoffmenge (Luftstromrate) durch, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, und bläst das angesammelte flüssige Wasser heraus und beseitigt dieses (kann nachstehend ebenso als Kathodenspülung bezeichnet werden). Nachfolgend werden die Einzelheiten der Kathodenspülung beschrieben.
Der normale Betriebsmodus weist den höheren Betrag der Leistungserzeugung auf und weist demzufolge die größere Wassermenge, die begleitend mit einer Leistungserzeugung hergestellt wird, als der niedrige Leistungserzeugungsmodus auf. Zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus ermöglicht jedoch eine große Sauerstoffmenge, die der Kathode zugeführt wird (d. h. eine hohe Strömungsrate der Luft), das hergestellte Wasser in der Form von Wasserdampf zu entfernen oder in der Form von flüssigem Wasser durch die Luft, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, herauszublasen. Zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus erschwert eine deutlich niedrige Strömungsrate der Luft ein Entfernen des hergestellten Wassers aus der Umgebung der Kathode, obwohl die Menge des hergestellten Wassers niedriger als die Menge zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus ist, und es wird wahrscheinlich, das Probleme aufgrund des angesammelten flüssigen Wassers auf treten.
Die möglichen Probleme, die durch eine Ansammlung von flüssigem Wasser in der Nähe der Kathode verursacht werden, umfassen Beispielsweise eine Beeinträchtigung einer Startfähigkeit unter dem Nullpunkt, eine Verringerung der Ausgabe der Brennstoffzelle 100, ein Spritzen von Wasser (großes Volumen von flüssigem Wasser, das aus den Brennstoffzellen 20 abgeführt wird, spritzt auf den Benutzer oder jemanden, der sich in der Nähe des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 aufhält, wodurch dem Benutzer oder demjenigen ein unbehagliches Gefühl vermittelt wird), und eine Oxidation von Kohlenstoff an den Anodenkatalysator.
Das Problem einer Beeinträchtigung der Startfähigkeit unter dem Nullpunkt bezeichnet ein Problem, das die Brennstoffzelle 100 bei einem erneuten Starten des Leistungsversorgungssystems 30 nach einem Stopp in dem niedrigen Temperaturzustand, in dem die Betriebsumgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 unter null Grad Celsius liegt, nicht einfach gestartet werden kann. Das flüssige Wasser, das sich in der Umgebung der Kathode angesammelt hat, kann während eines Stopps des Leistungsversorgungssystems 30 gefrieren. In diesem Zustand verhindert das gefrorene Wasser, das zu der Zeit eines erneuten Startens eine ausreichende Sauerstoffmenge von der Kathode zugeführt wird, und verursacht dabei dieses Problem.
Das Problem einer Verringerung der Abgabe der Brennstoffzelle 100 bezeichnet ein Problem, dass der Betrag der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 während einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 graduell abnimmt aufgrund einer Ansammlung von flüssigem Wasser in der Umgebung der Kathode. Eine Ansammlung von flüssigem Wasser in der Umgebung der Kathode unterbricht graduell die Zufuhr von Sauerstoff an der Kathode und verursacht dadurch dieses Problem.
Das Problem von Wasserspritzern bezeichnet ein Problem, das eine ungewünscht große Menge von Wasser im Rahmen eines Abführens von flüssigem Wasser, das sich in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 der Brennstoffzelle 100 angesammelt hat, abgeführt wird. Das Leistungsversorgungssystem 30 führt eine Kathodenspülung durch, wenn sich flüssiges Wasser in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 angesammelt hat, wie obenstehend beschrieben ist. In dem Fall, indem sich eine übermäßige Menge von flüssigem Wasser in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 aufgrund einer verzögerten Zeitvorgabe der Kathodenspülung angesammelt hat, ist es wahrscheinlich, dass die Menge von flüssigem Wasser, das während einer Kathodenspülung aus der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 aus dem Fahrzeug abgeführt wird, auf einen ungewünscht hohen Pegel zunimmt. Um das Problem von Wasserspritzern zu steuern, besteht ein Bedarf, eine Kathodenspülung in einer ausreichend hohen Häufigkeit durchzuführen, um die Menge von flüssigem Wasser, das zu einer Zeit abgeführt wird, zu verringern wird.
Das Problem einer Oxidation von Kohlenstoff an dem Anodenkatalysator bezeichnet ein Problem, das eine Oxidationsreaktion (Zersetzung) des Kohlenstoffs mit einem Elektrodenkatalysator, der auf diesem getragen wird, an der Anode fortsetzt anstelle der normalen elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung, aufgrund einer Ansammlung von erhöhtem flüssigen Wasser an der Anode und einem daraus resultierenden Mangel von Wasserstoff an der Anode. Dieses Problem wird verursacht, wenn eine übermäßige Menge von flüssigem Wasser, die sich an der Kathode angesammelt hat, über die Elektrolytmembran zu der Anode verschoben wird und sich an der Anode ansammelt, wo es in die Wasserstoffzufuhr an der Anode eingreift. Das Problem der Oxidation von Kohlenstoff wird gesteuert, indem flüssiges Wasser, das sich an der Kathode angesammelt hat, entfernt wird bevor das flüssige Wasser zu der Anode verschoben wird und sich übermäßig an der Anode ansammelt.
9 ist ein Diagramm, das die zulässige Wassermenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 (nachstehend als zulässiger Wasserinhalt bezeichnet), welche jedes von den oben genannten Problemen aufgrund einer Ansammlung von flüssigem Wasser in der Umgebung der Kathode nicht verursacht, konzeptionell zeigt. Der zulässige Wasserinhalt, der jedes der oben genannten Probleme nicht verursacht, kann vorab durch ein Experiment oder genauer genommen durch eine fortlaufende Leistungserzeugung in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus bestimmt werden während die Menge der Wasserherstellung an der Kathode überwacht wird, die aus dem integrierten Betrag der Leistungserzeugung berechnet wird, und die Gesamtmenge der Wasserherstellung, die jedes der oben genannten Probleme verursacht, bestimmt wird. In dem Fall, bei dem die jeweiligen möglichen Probleme unterschiedliche zulässige Wasserinhalte aufweisen, kann die Zeitvorgabe zur Kathodenspülung basierend auf dem minimalen Wert unter den zulässigen Wasserinhalten der jeweiligen Probleme gesteuert werden (zulässiger Wasserinhalt in Bezug auf das Problem der Startfähigkeit unter null Grad in 9).
Ein mögliches Vorgehen zum Bestimmen, ob dies die Zeitvorgabe der Kathodenspülung ist (d.h. eine Bestimmung, ob eine Ansammlungsbedingung von flüssigem Wasser, bei der flüssiges Wasser, das in der Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus hergestellt wird, sich übermäßig in der Brennstoffzelle angesammelt hat, erfüllt ist) kann darin bestehen, die Menge der Wassererzeugung basierend auf dem integrierten Betrag der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus fortlaufend zu berechnen und zu bestimmen, ob die Menge der Wassererzeugung den oben genannten zulässigen Wasserinhalt erreicht. Ein anderes mögliches Vorgehen kann darin bestehen, vorab eine abgelaufene Zeit einzustellen, die erforderlich ist, damit die Wassermenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 eine Wassermenge erreicht, die der Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser entspricht, und zu jeder eingestellten abgelaufenen Zeit eine Kathodenspülung durchzuführen. In letzterem Fall wird bevorzugt, beispielsweise den Maximalwert des Sollbetrags der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus miteinzubeziehen und die abgelaufene Zeit derart einzustellen, dass verhindert wird, dass sich eine übermäßige Wassermenge in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 ansammelt, selbst bei einer Schwankung des Betrags der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus.
Für eine Kathodenspülung öffnet das Leistungsversorgungssystem 30 der Ausführungsform das Gegendruckventil 143 vollständig und ändert die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144, um der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 die gesamte Strömung der Luft zuzuführen, die durch den Kompressor 130 angesaugt wird. Die Strömungsrate der Luft (Ansteuerbetrag des Kompressors 130) für eine Kathodenspülung zum ausreichenden Verhindern der oben genannten Probleme, die durch flüssiges Wasser verursacht werden, das sich an der Kathode ansammelt, kann vorab experimentell bestimmt werden. Der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 für eine Kathodenspülung kann demzufolge basierend auf dem Ergebnis des Experiments eingestellt werden. In dem Fall, bei dem die jeweiligen möglichen Probleme unterschiedliche Ansteuerbeträge des Kompressors 130 erfordern, um die Probleme zu verhindern, kann der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 beispielsweise basierend auf dem Maximalwert des Ansteuerbetrags des Kompressors 130 eingestellt werden, der zum Verhindern des entsprechenden Problems erforderlich ist. Anderenfalls kann der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 für eine Kathodenspülung basierend auf dem Ansteuerbetrag eingestellt werden, der erforderlich ist, um das Problem mit der minimalen Menge des zulässigen Wasserinhalts, wie obenstehend beschrieben ist, zu verhindern.
Ein Erhöhen der Strömungsrate der Luft, die der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 zugeführt wird, bewirkt, dass die Zufuhrmenge der Luft übermäßig groß zu der Menge der Leistungserzeugung wird. Demzufolge erzeugt die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung an einem Betriebspunkt auf der IV-Charakteristik zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus, wie in 5 gezeigt ist. Während einer Kathodenspülung wird die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 angemessen an einem Betriebspunkt ausgewählt, der auf der IV-Charakteristik zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus liegt und der eine Ausgangsspannung aufweist, die gleich oder niedriger als die zulässige obere Grenze ist. Das Kathodenspülen kann daher als ein Vorgang zum Auswählen eines Kathodenspülbetriebsmodus betrachtet werden, der die Steuerung in den niedrigen Leistungserzeugungsmodus zeitweise unterbricht und der Brennstoffzelle 100 eine übermäßige Sauerstoffmenge zuführt, die größer als die Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle 100 in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus zugeführt wird, um flüssiges Wasser zu entfernen, das sich in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 angesammelt hat.
Die Sauerstoffzufuhrmenge wird während eines Kathodenspülens erhöht, wie obenstehend beschrieben ist, so dass der Betrag der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 während einer Kathodenspülung größer als der Betrag der Leistungserzeugung zu der Zeit der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus ist. Die überhöhte erzeugte elektrische Leistung wird in die Sekundärbatterie 172 geladen. In dem Fall, bei dem die Sekundärbatterie 172 einen hohen Ladezustand (SOC) aufweist und Schwierigkeiten hat, mit der elektrischen Leistung geladen zu werden, die während der Kathodenspülung erzeugt wird, kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 während einer Kathodenspülung über die zulässige obere Grenze eingestellt werden, um den Betrag der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 während einer Kathodenspülung zu verringern. Der Ladezustand der Sekundärbatterie 172 kann vor einer Kathodenspülung verringert werden. Nachfolgend wird eine solche Steuerung beschrieben.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Kathodenspülungssteuerroutine zeigt, die durch die CPU des Controllers 200 als eine Reihe von Vorgängen, die an der Kathodenspülung beteiligt sind, durchführt. Diese Routine ist durch eine Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus in dem Leistungsversorgungssystem 30 getriggert und wird bis zu einer Freisetzung des niedrigen Leistungserzeugungsmodus wiederholt durchgeführt.
Beim Start dieser Routine bestimmt die CPU zunächst, ob die Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser erfüllt ist (Schritt S400). Die Bestimmung, ob die Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser erfüllt ist, ist obenstehend ausführlich beschrieben. Der Steuerungsvorgang dieser Ausführungsform verringert den Ladezustand der Sekundärbatterie 172 vor einer Kathodenspülung, wie nachstehend beschrieben wird. Es wird demzufolge bevorzugt, zu bestimmen, ob die Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser erfüllt ist, um zu verhindern, dass die Menge der Wasserherstellung an der Kathode zu der Zeit der Kathodenspülung nach dem Vorgang zur Verringerung des Ladezustands den zulässigen Wasserinhalt, der obenstehend beschrieben ist, überschreitet. Beispielsweise kann eine Erfüllung der Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser in einem Stadium vor der Zeit bestimmt werden, zu der die Menge der Wasserherstellung an der Kathode „eine berechnete Menge durch Subtrahieren der Menge der Wasserherstellung an der Kathode während des Vorgangs des Verringerns des Ladezustands von dem zulässigen Wasserinhalt“ erreicht. Die CPU wiederholt die Bestimmung von Schritt S400 bis die Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser erfüllt ist.
Wenn bei Schritt S400 bestimmt wird, dass die Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser erfüllt ist, bestimmt die CPU, ob die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist (Schritt S410). Wenn bestimmt wird, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 höher als die Referenztemperatur ist, beendet die CPU diese Routine ohne ein Durchführen einer Kathodenspülung. Bei der hohen inneren Temperatur der Brennstoffzelle 100 ist es wahrscheinlicher, dass flüssiges Wasser in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 verdampft und somit ist es weniger wahrscheinlich, dass es sich ansammelt. Wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 die Referenztemperatur überschreitet, bestimmt der Steuervorgang dieser Ausführungsform, dass der Pegel der Ansammlung von flüssigem Wasser in der kathodenseitigen Strömungsstrecke 148 nicht jedes von den oben genannten Problemen bewirkt und führt dabei keine Kathodenspülung durch. Die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 kann beispielsweise erlangt werden, indem die Temperatur des Kühlmediums erfasst wird, das aus der Brennstoffzelle 100 abgeführt wird. Anderenfalls kann ein Temperatursensor bereitgestellt sein, der die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 direkt erfasst. Wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 die Referenztemperatur überschreitet, kann ein modifizierter Steuervorgang eine Kathodenspülung mit einer verringerten Strömungsrate der zugeführten Luft zuführen (d.h. Verringerung des Ansteuerbetrags des Kompressors 130). Wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 die Referenztemperatur überschreitet, kann ein anderer modifizierter Steuervorgang das Zeitintervall der Kathodenspülung verlängern. Eine andere Modifikation kann den Steuerfluss basierend auf der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 100 nicht verändern.
Wenn bei Schritt S410 bestimmt wird, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 100 gleich oder niedriger als die Referenztemperatur ist, führt die CPU einen Vorgang zum Verringern des Ladezustands (SOC) der Sekundärbatterie 172 durch (Schritt S420). Genauer genommen ändert die CPU den Sollbetrag der Leistungserzeugung von einem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark1, der in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus verwendet wird, auf einen niedrigeren Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark2 während die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 auf einer Sollspannung Vmark gehalten wird, die in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus verhindert wird. Mit anderen Worten wird die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 angepasst (d.h. die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 wird in der Schließrichtung geändert, um die Sauerstoffzufuhrmenge zu senken), um eine Sauerstoffzufuhrmenge bereitzustellen, die bei der Ausgangsspannung, welche auf die Sollausgangsspannung Vmark eingestellt ist, den Betrag der Leistungserzeugung herzustellen, der gleich dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark2 ist.
Der Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark2 bei Schritt S420 kann beispielsweise übereinstimmend mit einem Pegel zur Verringerung des Ladezustands der Sekundärbatterie 172 eingestellt werden, wie nachstehend beschrieben wird. Die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 während einer Kathodenspülung wird vorab eingestellt, so dass der Betrag der Leistungserzeugung während einer Kathodenspülung an dem Betriebspunkt der IV-Charakteristik zu der Zeit der Auswahl des normalen Betriebsmodus bestimmt wird. Hierdurch wird demzufolge ein Pegel zur Verringerung des SOC der Sekundärbatterie 172 vor einem Laden (Sollzustand der Ladung) angezeigt, um zu bewirken, dass die Sekundärbatterie 172 mit einer übermäßigen elektrischen Leistung geladen wird, die während einer Kathodenspülung erzeugt wird. In dem Fall, bei dem der Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 geringer als eine Lastanforderung von der Fahrzeughilfsausrüstung und der Brennstoffzellenhilfsausrüstung ist, kann die Sekundärbatterie 172 einen Engpass der elektrischen Leistung abdecken und dadurch ihren SOC senken. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Zeitdauer zum Fortführen des Vorgangs bei Schritt S420 vorab eingestellt. Die CPU vergleicht somit den derzeitigen SOC der Sekundärbatterie 172 mit dem Sollzustand der Ladung und stellt den Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark2 bei Schritt S420 ein, in dem die Lastanforderung von der Hilfsausrüstung mit einbezogen wird, um den SOC der Sekundärbatterie 172 auf den Sollladezustand innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer, als die Zeitdauer zum Fortführen des Vorgangs bei Schritt S420, zu verringern.
Nach einer Durchführung des Vorgangs zum Verringern des SOC bei Schritt S420 führt die CPU eine Kathodenspülung durch (Schritt S430). Nach einer Durchführung der Kathodenspülung bei Schritt S430, ändert die CPU die Steuerung auf den niedrigen Leistungserzeugungsmodus (Schritt S440) und beendet diese Routine. Genauer genommen nimmt die CPU den Sollbetrag der Leistungserzeugung auf den Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark1 in den niedrigen Leistungserzeugungsmodus zurück, während die Sollspannung der Brennstoffzelle 100 auf der Sollspannung Vmark gehalten wird, und regelt die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 und den Ansteuerbetrag des Kompressors 130, um die Sauerstoffzufuhrmenge bereitzustellen, die den Betrag der Leistungserzeugung herstellt, der gleich dem Sollbetrag der Leistungserzeugung Pmark1 ist.
Ein Durchführen der Kathodenspülung verhindert die oben genannten jeweiligen Probleme, die durch Wasser verursacht werden, das an der Kathode hergestellt wird, selbst wenn der niedrige Leistungserzeugungsmodus für eine lange Zeitdauer fortgeführt wird. Der Vorgang zur Verringerung des SOC der Sekundärbatterie 172 vor einer Kathodenspülung ermöglicht, dass die Sekundärbatterie 172 mit einer übermäßigen elektrischen Leistung geladen wird, die während einer Kathodenspülung erzeugt wird. Dies ermöglicht demzufolge eine Kathodenspülung zu einer gewünschten Zeitvorgabe ohne Probleme durchzuführen.
F. Modifikationen
*Modifikation 1
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Gegendruckventil 143, das in der zweiten Luftströmungsstrecke 145 bereitgestellt ist, als der Strömungsratenregler verwendet, der in der Sauerstoffzufuhrstrecke bereitgestellt ist, um die Sauerstoffmenge zu ändern, die der Kathode zugeführt wird. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Beispielsweise kann die Sauerstoffzufuhrmenge geregelt werden, in dem die Ventilöffnungsposition eines Drosselventils, das in einer Strömungsstrecke zum Zuführen von Sauerstoff zu der Brennstoffzelle 100 bereitgestellt ist (stromaufwärtsseitige Strömungsstrecke) gesteuert wird, anstelle des Gegendruckventils 143, das ein Drosselventil ist, das in einer Strömungsstrecke bereitgestellt ist, in der Sauerstoff strömt, der von der Brennstoffzelle 100 abgeführt wird (stromabwärtsseitige Strömungsstrecke). In einem anderen Beispiel kann die Sauerstoffzufuhrmenge geregelt werden, in dem die Ventilöffnungspositionen von zwei Drosselventilen gesteuert werden, die sowohl in der stromabwärtsseitigen Strömungsstrecke als auch in der stromaufwärtsseitigen Strömungsstrecke bereitgestellt sind. In solchen modifizierten Aufbauten, die einen Strömungsratenregler bereitstellen, der die Sauerstoffmenge anpassen kann, die der Kathode zugeführt wird, ist die ähnliche Steuerung möglich, wie diejenige der oben genannten Ausführungsform.
Bei der Ausführungsform, die obenstehend beschrieben ist, wird zu der Zeit der Auswahl des Nicht-Leistungserzeugungsmodus die Sauerstoffzufuhrmenge gesteuert, so dass die OCV der Brennstoffzelle 100 gleich der Sollspannung Vmark wird, indem die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird, während der Ansteuerbetrag des Kompressors 130 und die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 festgesetzt werden. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Beispielsweise kann die Sauerstoffzufuhrmenge gesteuert werden, indem ein anderer Steuervorgang als das Verfahren zum Ändern lediglich der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 geändert wird, d.h. ein Verfahren zum Ändern von wenigstens einem/einer ausgewählten unter dem Ansteuerbetrag des Kompressors 130 (d.h. eine Sauerstoffmenge, die durch den Sauerstoffeinleiter eingeleitet wird), der Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und der Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 (d.h. eine Ventilöffnungsposition des Strömungsratenreglers) .
In der Ausführungsform, die obenstehend beschrieben ist, ist die Umgehungsströmungsstrecke (dritte Luftströmungsstrecke 146) in der Sauerstoffzufuhrstrecke bereitgestellt. Die Steuerung in dem intermittierenden Betriebsmodus regelt die Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils 144 und die Ventilöffnungsposition des Gegendruckventils 143 (d.h. eine Ventilöffnungsposition des Strömungsratenreglers), um der Kathode eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die gleich oder kleiner als eine untere Grenze der Sauerstoffzufuhrmenge des Kompressors 130 ist. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Beispielsweise kann ein Kompressor bereitgestellt werden, der die Sauerstoffzufuhrmenge auf eine gewünschte Strömungsrate zu der Zeit der Auswahl des intermittierenden Betriebsmodus regeln kann, anstelle von oder zusätzlich zu dem Kompressor 130. Die Sauerstoffzufuhrmenge kann geregelt werden, indem der Ansteuerbetrag dieses Kompressors gesteuert wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine Steuerung in dem intermittierenden Betriebsmodus, indem die Sauerstoffzufuhrmenge basierend auf dem Spannungswert Vme und dem Betrag der Leistungserzeugung Pme geregelt wird, ohne die Sauerstoffzufuhrmenge zu messen.
*Modifikation 2
Bei der Ausführungsform, die obenstehend beschrieben ist, erlangt der Steuervorgang in dem Nicht-Leistungserzeugungsmodus bei Schritt S110 die durchschnittliche Zellenspannung, die durch Dividieren der OCV des gesamten Zellenstapels durch die Anzahl der Zellen als der Spannungswert Vme berechnet wird und vergleicht bei Schritt S 130 die erlangte durchschnittliche Zellenspannung mit der Sollspannung Vmark ( 6). Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden. Beispielsweise kann die Spannung von jeder der Einheitszellen, welche die Brennstoffzelle 100 bilden, einzeln gemessen werden, und die minimale Zellenspannung oder die maximale Zellenspannung kann als der Spannungswert Vme verwendet werden. Eine Verwendung der minimalen Zellenspannung als der Spannungswert Vme ist vorteilhaft im Hinblick auf ein Unterdrücken einer übermäßigen Abnahme der Spannung von jeder Einheitszelle, wodurch eine übermäßige Verringerung des Elektrodenkatalysators an der Kathode unterdrückt wird. Eine Verwendung der maximalen Zellenspannung als der Spannungswert Vme ist andererseits vorteilhaft im Hinblick auf ein Unterdrücken einer übermäßigen Zunahme der Spannung von jeder Einheitszelle, wodurch eine übermäßige Eluierung bzw. Auswaschung des Elektrodenkatalysators an der Kathode unterdrückt wird.
Bei der oben genannten Ausführungsform kann ein Teil oder alle der Funktionen und der Vorgänge, die durch die Softwarekonfiguration umgesetzt werden, durch Hardware ausgestaltet sein. Ein Teil oder alle der Funktionen und der Vorgänge, die durch die Hardwarekonfiguration umgesetzt sind, können durch Software ausgestaltet sein. Die Hardwarekonfiguration umfasst beispielsweise integrierte Schaltungen, einzelne Schaltungen, Schaltungsmodule als Kombinationen dieser Schaltkreise und andere verschiedene Schaltkreise.
Die Erfindung ist auf keine der Ausführungsformen, der Beispiele und der Modifikationen beschränkt, die obenstehend beschrieben sind, sondern kann durch eine Vielzahl von anderen Aufbauten umgesetzt werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die technischen Merkmale einer beliebigen der Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen, die den technischen Merkmalen von jedem der Aspekte entsprechen, die in der KURZFASSUNG beschrieben sind, in angemessener Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der Probleme bzw. Aufgaben zu lösen, die obenstehend beschrieben sind, oder um einen Teil oder alle der vorteilhaften Wirkungen zu erzielen, die obenstehend beschrieben sind. Jedes der technischen Merkmale kann in angemessener Weise ausgelassen werden, insofern das technische Merkmal hier nicht als essentiell beschrieben ist.

Claims

Leistungsversorgungssystem, aufweisend eine Brennstoffzelle, die einer Last elektrische Leistung zuführt, wobei das Leistungsversorgungssystem aufweist: ein Sauerstoffzufuhrsystem, das dazu ausgestaltet ist, einer Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen; und einen Sauerstoffzufuhrregler, der dazu ausgestaltet ist, das Sauerstoffzufuhrsystem anzusteuern und eine Sauerstoffmenge zu regeln, die der Kathode durch das Sauerstoffzufuhrsystem zugeführt wird, wobei in einem normalen Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung von der Last höher als ein vorbestimmter Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Kathode eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die bewirkt, dass zumindest ein Teil der erforderlichen elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle zugeführt wird, und in einem niedrigen Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, so dass der Kathode eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die erforderlich ist, um eine Spannung der Brennstoffzelle an eine vorbestimmte Sollspannung anzugleichen, und die geringer als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem normalen Lastzustand zugeführt wird, wobei in einem ersten Lastzustand, in dem eine erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine erste Sollspannung einstellt und das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, und nach einem darauffolgenden Übergang in einen Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der vorbestimmte Referenzwert wird, bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die erste Sollspannung ist, und in einem weiteren Übergang in einen zweiten Lastzustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorbestimmte Referenzwert ist, der Sauerstoffzufuhrregler die Sollspannung auf eine zweite Sollspannung einstellt, die höher als die erste Sollspannung ist, und das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, wobei das Leistungsversorgungssystem ferner aufweist: einen Betriebsmodusselektor, der dazu ausgestaltet ist, einen Betriebsmodus unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi auszuwählen, wobei die Mehrzahl von Betriebsmodi einen Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der bewirkt, dass die Brennstoffzelle eine Leistungserzeugung stoppt, und einen niedrigen Leistungserzeugungsmodus, der bewirkt, dass die Brennstoffzelle der Last eine elektrische Leistung zuführt, als einen Betriebsmodus des Leistungsversorgungssystems in dem niedrigen Lastzustand umfasst; einen Lasttrenner, der dazu ausgestaltet ist, die Brennstoffzelle von der Last elektrisch zu trennen, wenn der Betriebsmodusselektor den Nicht-Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt; und einen Ausgangsspannungscontroller, der dazu ausgestaltet ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die Sollspannung einzustellen, wenn der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, wobei wenn der Betriebsmodusselektor den Nicht-Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Brennstoffzelle eine Sauerstoffmenge zuzuführen, die erforderlich ist, um eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an die Sollspannung anzugleichen, und wenn der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus als den Betriebsmodus auswählt, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Brennstoffzelle eine erforderliche Sauerstoffmenge zuzuführen, die aus einem vorbestimmten Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle theoretisch bestimmt ist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei in einem Übergang von dem normalen Lastzustand in den niedrigen Lastzustand, der Betriebsmodusselektor den Nicht-Leistungserzeugungsmodus, der die Sollspannung auf die erste Sollspannung einstellt, als den Betriebsmodus auswählt, und nach einem darauffolgenden Übergang in den Zustand, in dem die erforderliche elektrische Leistung höher als der Referenzwert wird, bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die erste Sollspannung ist, und in einem weiteren Übergang in den niedrigen Lastzustand, der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus, der die Sollspannung auf die zweite Sollspannung einstellt, als den Betriebsmodus auswählt.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 2, wobei die Last eine Hauptlast und eine Hilfslast, die eine niedrigere erforderliche elektrische Leistung als die Hauptlast aufweist, umfasst, der normale Lastzustand ein Zustand ist, in dem zumindest eine elektrische Leistung von der Hauptlast erforderlich ist, und der niedrige Lastzustand ein Zustand ist, in dem eine elektrische Leistung von der Hilfslast erforderlich ist, ohne dass eine elektrische Leistung von der Hauptlast erforderlich ist.
Leistungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während eines Fortführens eines Zustands, in dem der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus auswählt, der die Sollspannung auf die zweite Sollspannung einstellt, nach Erfüllung einer Bedingung einer Ansammlung von flüssigem Wasser, dass sich flüssiges Wasser, das in der Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus hergestellt wird, in der Brennstoffzelle übermäßig angesammelt hat, der Betriebsmodusselektor die Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus vorübergehend aufhebt, und wenn der Betriebsmodusselektor die Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus vorübergehend aufhebt, der Sauerstoffzufuhrregler das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert, um der Brennstoffzelle eine übermäßige Sauerstoffmenge zuzuführen, die höher als eine Sauerstoffmenge ist, die der Brennstoffzelle in dem niedrigen Leistungserzeugungsmodus zugeführt wird.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 4, ferner aufweisend eine Leistungsspeichereinheit, die zumindest einen Teil der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle unter Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus durch den Betriebsmodusselektor erzeugt wird, speichern kann, wobei während eines Fortführens des Zustands, in dem der Betriebsmodusselektor den niedrigen Leistungserzeugungsmodus auswählt, nach Erfüllung der Bedingung der Ansammlung von flüssigem Wasser, der Sauerstoffzufuhrregler, vor einer vorübergehenden Aufhebung der Auswahl des niedrigen Leistungserzeugungsmodus durch den Betriebsmodusselektor, den Sollbetrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle verringert und das Sauerstoffzufuhrsystem ansteuert.
Leistungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Sauerstoffzufuhrsystem aufweist: eine Sauerstoffzufuhrstrecke, die als eine Strömungsstrecke bereitgestellt ist, die mit der Kathode verbunden ist, wobei ein Teil der Strömungsstrecke eine kathodenseitige Strömungsstrecke innerhalb der Brennstoffzelle bildet, um der Kathode Sauerstoff zuzuführen; einen Sauerstoffeinleiter, der dazu ausgestaltet ist, an einer Position stromaufwärts von der kathodenseitigen Strömungsstrecke, Sauerstoff in die Sauerstoffzufuhrstrecke einzuleiten; eine Umgehungsströmungsstrecke, die als eine Strömungsstrecke bereitgestellt ist, die von der Sauerstoffzufuhrstrecke abzweigt, um Sauerstoff, der von dem Sauerstoffeinleiter zugeführt wird, durch Umgehen der kathodenseitigen Strömungsstrecke einzuleiten; ein Strömungsteilerventil, das an einer Position, an der die Umgehungsströmungsstrecke von der Sauerstoffzufuhrstrecke abzweigt, bereitgestellt ist und dazu ausgestaltet ist, durch Regeln einer Ventilöffnungsposition desselben ein Verteilungsverhältnis des Sauerstoffs in der Sauerstoffzufuhrstrecke und der Umgehungsströmungsstrecke zu ändern; und einen Strömungsratenregler, der in der Sauerstoffzufuhrstrecke bereitgestellt ist, um eine Sauerstoffmenge, die der Kathode zugeführt wird, zu ändern, wobei der Sauerstoffzufuhrregler die Sauerstoffmenge, die der Kathode zugeführt wird, anpasst, in dem zumindest eine Ausgewählte aus einer Sauerstoffmenge, die durch den Sauerstoffeinleiter eingeleitet wird, der Ventilöffnungsposition des Strömungsteilerventils und einer Ventilöffnungsposition des Strömungsratenreglers, geändert wird.