DE102015119017A1

DE102015119017A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015119017A1
Application number: DE102015119017.6A
Authority: DE
Inventors: Yohei Okamoto; Yutaka Tano; Mitsuhiro Nada; Tomohiko Kaneko
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: CN105633431B; US20160141691A1; DE102015119017B4; CN105633431A; CA2911362A1; JP6112100B2; JP2016096083A; CA2911362C; KR20160058039A; US9692068B2; KR101757555B1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle; einen Kühlmittelpfad, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist und durch den ein Kühlmittel, das die Brennstoffzelle kühlt, fließt; eine Temperaturerfassungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad zu erfassen; eine Temperaturkorrektureinheit, die ausgestaltet ist, um einen Temperaturkorrekturwert zu berechnen, indem die von der Temperaturerfassungseinheit erfasste Temperatur des Kühlmittels korrigiert wird; und eine Mindestspannungssteuereinheit, die ausgestaltet ist, um eine Mindestspannung der Brennstoffzelle basierend auf dem Temperaturkorrekturwert zu steuern, wobei die Temperaturkorrektureinheit den Temperaturkorrekturwert basierend auf der folgenden Gleichung berechnet:

in der T_filt den Temperaturkorrekturwert darstellt, T_{filt_old} einen letzten Temperaturkorrekturwert darstellt, T die Temperatur des Kühlmittels darstellt und τ einen Koeffizienten darstellt, und wobei, wenn die Temperatur des Kühlmittels niedriger als ein erster vorgegebener Wert ist, der Koeffizient größer eingestellt ist als der Koeffizient, wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer als ein zweiter vorgegebener Wert ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff als Brennstoff und sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel. Die Brennstoffzelle erzeugt Wärme bei der Erzeugung elektrischer Leistung. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle über einen vorgegebenen Temperaturbereich ansteigt, verdampft Wasser und es kommt zu einem trockenen Zustand, wodurch die Stromerzeugungsleistung abnimmt. Um ein Überhitzen der Brennstoffzelle zu vermeiden, kann eine Steuerung zum Erhöhen einer unteren Grenzspannung bzw. Mindestspannung bei einem Anstieg der Temperatur des Kühlmittels der Brennstoffzelle ausgeführt werden, um die Wärmeerzeugung zu verringern. Wenn die untere Grenzspannung bzw. Mindestspannung erhöht wird, wird die Ausgabe aufgrund der Eigenschaften der Brennstoffzelle leicht begrenzt. Verschiedene Vorschläge, um die Mindestspannung einzustellen, sind beispielsweise in den Druckschriften WO 2008/146928 , JP 2009-158397 und JP 2008-300299 offenbart.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das ein gutes Ausgabeantwortverhalten hat.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Kühlmittelpfad, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist und durch den ein Kühlmittel, das die Brennstoffzelle kühlt, fließt; eine Temperaturerfassungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad zu erfassen; eine Temperaturkorrektureinheit, die ausgestaltet ist, um einen Temperaturkorrekturwert zu berechnen, indem die von der Temperaturerfassungseinheit erfasste Temperatur des Kühlmittels korrigiert wird; und eine Mindestspannungssteuereinheit, die ausgestaltet ist, um eine Mindestspannung der Brennstoffzelle basierend auf dem Temperaturkorrekturwert zu steuern, wobei die Temperaturkorrektureinheit den Temperaturkorrekturwert basierend auf der folgenden Gleichung berechnet:
in der T_filt den Temperaturkorrekturwert darstellt, T_{filt_old} einen letzten Temperaturkorrekturwert darstellt, T die Temperatur des Kühlmittels darstellt und τ einen Koeffizienten darstellt, und, wenn die Temperatur des Kühlmittels niedriger als ein erster vorgegebener Wert ist, der Koeffizient größer eingestellt ist als der Koeffizient, wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer als ein zweiter vorgegebener Wert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A zeigt ein Blockschaubild, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
1B zeigt ein Funktionsblockdiagramm, das den Aufbau einer Steuereinheit veranschaulicht;
2A zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer unteren Grenzspannung bzw. Mindestspannung und einem Temperaturkorrekturwert zeigt;
2B zeigt eine Darstellung, die eine Änderung einer Zeitkonstante bezüglich der Temperatur zeigt;
2C zeigt eine Darstellung, die Änderungen von Wasserstemperaturen und des Temperaturkorrekturwerts über die Zeit zeigt;
2D zeigt eine Darstellung, die eine Änderung der Spannung über die Zeit zeigt; und
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses des Brennstoffzellensystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wenn die untere Grenzspannung bzw. Mindestspannung basierend auf der Temperatur des Kühlmittels einer Brennstoffzelle verändert wird, kann der folgende Nachteil auftreten. Wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle in Folge einer WOT (weit geöffnete Drosselklappe) unmittelbar ansteigt, kann ein vorübergehender Temperaturanstieg erfasst werden. Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben. Die Temperatur der Brennstoffzelle wird üblicherweise durch Erfassen der Temperatur des Kühlmittels ermittelt. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle ansteigt und ein vorgegebener Anstieg der Temperatur des Kühlmittels erfasst wird, wird die Zufuhr des Kühlmittels erhöht oder das Kühlmittel, das gekühlt wurde, indem es durch einen Kühler geströmt ist, wird der Brennstoffzelle zum Kühlen zugeführt. Jedoch benötigt es eine gewisse Menge an Zeit bis das gekühlte Kühlmittel eine Temperaturerfassungseinheit erreicht, welche die Temperatur des Kühlmittels erfasst. Als Ergebnis kann die Temperaturerfassungseinheit einen Anstieg der Temperatur des Kühlmittels erfassen. Die Steuerung zum Erhöhen der Mindestspannung kann basierend auf diesem Anstieg der Temperatur ausgeführt werden, und die Ausgabe kann beschränkt sein. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird, wenn die Mindestspannung lediglich basierend auf der Temperatur des Kühlmittels verändert wird, die Ausgabe übermäßig beschränkt, so dass kein gutes Ausgabeansprechverhalten erhalten wird.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1A zeigt ein Blockschaubild, das ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist in Brennstoffzellenfahrzeugen, elektrischen Fahrzeugen oder dergleichen als System zum Zuführen einer Antriebsleistung für Antriebsräder des Fahrzeugs installiert. Wie in 1A dargestellt ist, hat das Brennstoffzellensystem 100 eine CPU (Prozessor) 10, eine Brennstoffzelle (FC) 20, einen Wasserstofftank 22 und einen Kühler 24. Die CPU 10 ist ein Beispiel einer Steuereinheit. Der Kühler 24 ist ein Beispiel einer Kühleinheit.
Die Brennstoffzelle 20 ist mit einer Luftzufuhrleitung 30, einer Luftauslassleitung 32, einer Brenngaszufuhrleitung 34 und einer Brenngasauslassleitung 35 verbunden. Eine Brenngaszirkulationsleitung 36 ist zwischen der Brenngaszufuhrleitung 34 und der Brenngasauslassleitung 35 angeschlossen. Ein Gasflüssigkeitsabscheider 37 ist in der Brenngaszirkulationsleitung 36 angeordnet. Die Brenngaszufuhrleitung 34, die Brenngasauslassleitung 35 und die Brenngaszirkulationsleitung 36 bilden einen Brenngaspfad, durch den Wasserstoffgas, das ein Brenngas darstellt, zirkulieren kann.
Ein Ventil 43 ist in der Luftzufuhrleitung 30 angeordnet, und ein Ventil 44 ist in der Brenngaszufuhrleitung 34 angeordnet. Zudem ist ein Ventil 45 in einer Außenauslassleitung 38 angeordnet. Das Ventil 43 steuert die Durchflussmenge von Luft. Das Ventil 44 steuert die Durchflussmenge von Brenngas. Das Ventil 45 ist ein Ventil zum Austragen eines Teils des Brenngasabgases, das durch die Brennstoffzelle 20 geströmt ist, und von Verunreinigungen aus dem Brenngaspfad nach außen. Wenn das Ventil 45 öffnet, fließen ein Teil des Brenngasabgases und die Verunreinigungen aus dem Brenngaspfad zur Außenauslassleitung 38 und werden nach außen ausgetragen.
Zudem ist die Brennstoffzelle 20 mit einer Kühlmittelzufuhrleitung 39 und einer Kühlmittelauslassleitung 40 verbunden. Kühlmittelzirkulationsleitungen 41 und 42 sind zwischen der Kühlmittelzufuhrleitung 39 und der Kühlmittelauslassleitung 40 angeschlossen. Die Kühlmittelzufuhrleitung 39, die Kühlmittelauslassleitung 40 und die Kühlmittelzirkulationsleitungen 41 und 42 bilden einen Kühlmittelpfad. Ein Drei-Wege-Ventil 48 ist in der Kühlmittelauslassleitung 40 angeordnet. Ein erster Auslass des Drei-Wege-Ventils 48 ist mit der Kühlmittelzirkulationsleitung 41 verbunden, und ein zweiter Auslass ist mit der Kühlmittelzirkulationsleitung 42 verbunden. Der Kühler 24 ist in der Kühlmittelzirkulationsleitung 42 angeordnet.
Eine Pumpe 46 ist in der Brenngaszirkulationsleitung 36 angeordnet. Eine Pumpe 47 ist in der Kühlmittelzufuhrleitung 39 angeordnet. Die Pumpen 46 und 47 sind beispielsweise Wälzkolbenpumpen, Schneckenpumpen oder Turbopumpen.
Luft wird aus der Umgebung durch die Luftzufuhrleitung 30 zur luftseitigen Elektrode (Oxidationsmittelelektrode) der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Wasserstoffgas wird in einem Wasserstofftank 22 gespeichert und durch die Brenngaszufuhrleitung 34 der wasserstoffseitigen Elektrode (Brennstoffelektrode) der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Die Brennstoffzelle 20 erzeugt elektrische Leistung unter Verwendung von Wasserstoffgas als Brenngas und sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel. Die erzeugte elektrische Leistung wird in Vorrichtungen wie einem Motor zum Fahren des Fahrzeugs, Lampen, einer Klimaanlage und einer Audiovorrichtung verwendet. Ein Voltmeter 51 erfasst die Spannung der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung (Leistungserzeugungsspannung).
Die Luft wird nach der Reaktion in der Brennstoffzelle 20 durch die Luftauslassleitung 32 nach außen ausgetragen. Wasserstoffgas, das nicht bei der Reaktion verwendet wurde, wird von der Brenngasauslassleitung 35 ausgetragen, zirkuliert durch die Brenngaszufuhrleitung 34 über die Brenngaszirkulationsleitung 36 und wird der Brennstoffzelle 20 erneut zugeführt.
Kühlwasser (Kühlmittel) wird der Brennstoffzelle 20 durch die Kühlmittelzufuhrleitung 39 zugeführt und kühlt die Brennstoffzelle 20. Für die Kühlung genutztes Kühlwasser wird durch die Kühlmittelauslassleitung 40 ausgetragen. Das Kühlwasser fließt durch eine oder beide der Kühlmittelzirkulationsleitungen 41 und 42 und wird der Kühlmittelzufuhrleitung 39 und der Brennstoffzelle 20 erneut zugeführt. Das durch die Kühlmittelzirkulationsleitung 42 fließende Kühlwasser wird vom Kühler 24 gekühlt. Der Strömungsweg des Kühlwassers kann durch Verändern des geöffneten/geschlossenen Zustands des Drei-Wege-Ventils 48 verändert werden. Wenn das Kühlwasser beispielsweise eine hohe Temperatur aufweist, ist die Kühlmittelauslassleitung 40 mit der Kühlmittelzirkulationsleitung 42 verbunden, um das Kühlmittel durch den Kühler 24 zu kühlen.
Ein Temperatursensor 50 ist ein Beispiel einer Temperaturerfassungseinheit und wird beispielsweise durch einen Thermistor gebildet. Der Temperatursensor 50 liegt weiter stromauf als der Kühler 24 in der Kühlmittelauslassleitung 40, d. h. in der Nähe des Auslasses der Brennstoffzelle 20. Der Temperatursensor 50 erfasst die Temperatur (Wassertemperatur) des Kühlwassers, das die Brennstoffzelle 20 gekühlt hat. Die Wassertemperatur korreliert mit der Temperatur der Brennstoffzelle 20. Somit ist die Wassertemperatur niedrig, wenn die Brennstoffzelle 20 eine niedrige Temperatur aufweist, wohingegen die Wassertemperatur hoch ist, wenn die Brennstoffzelle 20 eine hohe Temperatur aufweist.
1B ist ein Funktionsblockschaubild, das den Aufbau der CPU 10 zeigt. Wie in 1B dargestellt ist, fungiert die CPU 10 als Temperaturerfassungseinheit 12, als Spannungssteuereinheit 14, als Mindestspannungssteuereinheit 16 sowie als Temperaturkorrektureinheit 18.
Die Temperaturerfassungseinheit 12 ermittelt die Wassertemperatur, die vom Temperatursensor 50 erfasst wurde. Die Spannungssteuereinheit 14 ermittelt die Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle 20 vom Voltmeter 51 und steuert dann die Leistungserzeugungsspannung derart, dass die Leistungserzeugungsspannung größer als die Mindestspannung ist. Beispielsweise verändert die Spannungssteuereinheit 14 den Öffnungsgrad des Ventils 43, um die Durchflussmenge an Luft in die Brennstoffzelle 20 anzupassen, und verändert eine Drehzahl der Pumpe 46, den Öffnungsgrad des Ventils 44 und dergleichen, um die Durchflussmenge von Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 20 anzupassen. Die Spannungssteuereinheit 14 steuert die Leistungserzeugungsspannung anhand der vorstehend beschriebenen Einstellung.
Die Mindestspannungssteuereinheit 16 steuert eine untere Grenzspannung bzw. Mindestspannung V_II, die eine Untergrenze der Leistungserzeugungsspannung darstellt, entsprechend der Wassertemperatur. Die Mindestspannung V_II ist eine Funktion eines Temperaturkorrekturwerts T_filt. Der Temperaturkorrekturwert T_filt ist ein Wert, der aus der Wassertemperatur berechnet wurde, und ist ein Parameter zum Einstellen der Mindestspannung V_II.
Die Temperaturkorrektureinheit 18 berechnet den Temperaturkorrekturwert T_filt basierend auf der nachfolgenden Gleichung. Hierbei ist T_filt in der Gleichung ein Temperaturkorrekturwert und T_{filt_old} ist ein Temperaturkorrekturwert, der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem Zeitpunkt, zu dem T_filt berechnet wird, berechnet wurde (letzter Temperaturkorrekturwert). T bezeichnet die Wassertemperatur und τ ist eine Zeitkonstante (Koeffizient) zum Berechnen des Temperaturkorrekturwerts T_filt.
Wie in Formel 1 dargestellt ist, wird der Temperaturkorrekturwert T_filt durch Addieren des Werts, der durch Dividieren der Differenz zwischen der Wassertemperatur und dem letzten berechneten Wert T_{filt_old} durch die Zeitkonstante τ erhalten wird, zu T_{filt_old}, erhalten. Der vorstehend beschriebene Filterprozess verringert die Komponente der schnellen Änderung der Wassertemperatur T und ermöglicht es, einen stabilen Temperaturkorrekturwert T_filt zu erhalten. Wenn die Zeitkonstante τ abnimmt, nimmt der Grad der Änderung (die Änderungsrate) des Temperaturkorrekturwerts T_filt zu. Wenn τ ansteigt, nimmt die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt ab.
2A ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Mindestspannung V_II und dem Temperaturkorrekturwert T_filt zeigt. Die horizontale Achse zeigt den Temperaturkorrekturwert T_filt und die vertikale Achse zeigt die Mindestspannung V_II. Wie in 2A dargestellt ist, nimmt, wenn der Temperaturkorrekturwert T_filt kleiner als Tfilt_1 ist (z. B. 65°C), die Mindestspannung den Minimalwert V₀ an. Wenn dagegen der Temperaturkorrekturwert T_filt größer als T_{filt_1} ist, wird die Mindestspannung größer als V₀. Wenn der Temperaturkorrekturwert T_filt gleich oder größer als filt_2 ist (z. B. 85°C), nimmt die Mindestspannung den Maximalwert V_x an. Wie vorstehend beschrieben ist, verändert sich die Mindestspannung V_II abhängig vom Temperaturkorrekturwert T_filt. Wie oben beschrieben wurde, nimmt, wenn die Zeitkonstante τ abnimmt, die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt zu, und wenn die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt zunimmt, nimmt die Änderungsrate der Mindestspannung V_II zu. Das bedeutet, wenn die Zeitkonstante τ abnimmt, nimmt die Änderungsrate der Mindestspannung V_II zu. Im Gegensatz dazu nimmt, wenn τ ansteigt, die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt ab, und die Änderungsrate von V_II nimmt ebenso ab.
2B ist eine Darstellung, die die Änderung der Zeitkonstante bezüglich der Temperatur zeigt. In 2B zeigt die horizontale Achse die Wassertemperatur T und die vertikale Achse zeigt die Zeitkonstante τ. Wie in 2B dargestellt ist, verändert sich die Zeitkonstante τ entsprechend der Wassertemperatur T. Wenn die Wassertemperatur T kleiner als T2 ist (z. B. 70°C), ist die Zeitkonstante τ gleich τ1 (z. B. 10 Sekunden). Wenn die Wassertemperatur T gleich oder größer als T3 ist (z. B. 75°C), ist die Zeitkonstante τ gleich τ2 (z. B. 1 Sekunde), also kleiner als τ1. T1 ist beispielsweise 65°C und kleiner als T2 und T3.
2C ist eine Darstellung, die eine Änderung der Wassertemperatur und des Temperaturkorrekturwerts über die Zeit zeigt. 2D ist eine Darstellung, die eine Änderung der Spannung über die Zeit zeigt. In den 2C und 2C zeigt die horizontale Achse die Zeit. In 2C zeigt die vertikale Achse die Wassertemperatur T und den Temperaturkorrekturwert T_filt. Zusätzlich bezeichnet eine durchgezogene Linie die Wassertemperatur T und die gestrichelte Linie bezeichnet den Temperaturkorrekturwert T_filt. In 2D zeigt die vertikale Achse die Spannung, die durchgezogene Linie zeigt die Mindestspannung V_II bei der ersten Ausführungsform und die gestrichelte Linie zeigt die Leistungserzeugungsspannung. Eine Strich-Punkt-Linie zeigt die Mindestspannung, wenn τ nicht verändert wird (τ beispielsweise bei τ2 fixiert ist, wie später beschrieben wird) als Vergleichsbeispiel.
Es wird angenommen, dass zum in 2C dargestellten Zeitpunkt t1 ein Fahrer auf das Gaspedal eines Fahrzeugs tritt (ein Beschleuniger aktiviert wird). Wenn die Brennstoffzelle 20 Wärme erzeugt, beginnt die Wassertemperatur T des Kühlwassers zu steigen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Mindestspannung V_II den Minimalwert V₀ an und der Temperaturkorrekturwert T_filt ist T0 (T0 ist ein Messwert der Wassertemperatur zum Zeitpunkt t1). Zum Zeitpunkt t2 wird die Wassertemperatur T gleich T1 (erste Temperatur, z. B. 65°C). Zum Zeitpunkt t3 erreicht die Wassertemperatur T etwa T2, nimmt dann ab und ist zum Zeitpunkt t4 niedriger als T1. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zeitkonstante τ der Formel 1 gleich τ1 in 2B. Da die Zeitkonstante τ groß ist, ist die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt gering. Genauer gesagt steigt, wie in 2C dargestellt ist, der Temperaturkorrekturwert T_filt nur schwach an, ist jedoch geringer als T_{filt_1} (z. B. 65°C) in 2A. Wie in 2D dargestellt ist, nimmt die Mindestspannung V_II den Minimalwert V₀ zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t4 an.
Wie in 2C gezeigt ist, steigt mit dem Verstreichen der Zeit die Wassertemperatur T erneut an und wird zum Zeitpunkt t5 gleich oder größer als T1. Zu diesem Zeitpunkt ist der Temperaturkorrekturwert T_filt gleich oder größer als T_{filt_1} in 2A. Wie in 2D gezeigt ist, ist somit die Mindestspannung V_II größer als der Minimalwert V₀. Zum Zeitpunkt t6 ist die Wassertemperatur T gleich oder größer als T3 (zweite Temperatur, z. B. 75°C). Zu diesem Zeitpunkt ist die Zeitkonstante τ gleich τ2 in 2B. Da τ gleich τ2 und somit geringer als τ1 ist, steigt der Temperaturkorrekturwert T_filt schnell an und kommt nahe an die Wassertemperatur T (siehe 2C). Da der Temperaturkorrekturwert T_filt schnell ansteigt, steigt auch die Änderungsrate der Mindestspannung V_II, wie in 2A gezeigt, an. Die Leistungserzeugungsspannung ist etwa vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t6 konstant, ist nach dem Zeitpunkt t7 annähernd gleich der Mindestspannung V_II und steigt mit einem Anstieg von V_II an. Wenn der Temperaturkorrekturwert T_filt gleich oder größer als T_{filt_2} in 2A wird, erreicht die Mindestspannung V_II den Maximalwert V_x und bleibt anschließend beim Maximalwert V_x.
Bei dem durch die Strich-Punkt-Linie in 2D gezeigten Vergleichsbeispiel dagegen steigt die Mindestspannung V_II zeitweilig vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t4 an. Das Vergleichsbeispiel berechnet den Temperaturkorrekturwert nicht basierend auf der Zeitkonstante τ und steuert die Mindestspannung V_II basierend auf der Wassertemperatur T, oder steuert die Mindestspannung V_II basierend auf einer Zeitkonstante, die wie τ2 niedrig (z. B. 1 Sekunde) ist und konstant. Bei dem Vergleichsbeispiel variiert die Mindestspannung V_II somit deutlich. Das bedeutet, die Mindestspannung V_II steigt mit einem zeitweiligen Anstieg der Wassertemperatur T, wie in 2C gezeigt ist (Zeitpunkt t2 t4) zeitweilig an. Bei dem Vergleichsbeispiel steigt die Mindestspannung V_II an und die Leistungserzeugungsspannung steigt. Somit sinkt der Ausgabestrom.
3 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses des Brennstoffzellensystems 100. Der Prozess aus 3 wird beispielsweise ausgeführt, wenn der Fahrer ein Fahrzeug, an dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist, in einem WOT-Zustand fährt. Wie in 3 gezeigt ist, ermittelt die Temperaturerfassungseinheit 12 die Wassertemperatur T, die vom Temperatursensor 50 erfasst wurde (Schritt S10).
Die Temperaturkorrektureinheit 18 ermittelt dann den letzten Korrekturwert T_{filt_old} (Schritt S12). Der Verlauf des Temperaturkorrekturwerts wird beispielsweise in einer Speichereinheit (einem Speicher wie einem ROM oder RAM) hinterlegt, die nicht dargestellt ist.
Die Temperaturkorrektureinheit 18 ermittelt die Zeitkonstante τ entsprechend der Wassertemperatur T basierend auf einem in 2B oder dergleichen dargestellten Kennfeld (Schritt S14).
Die Temperaturkorrektureinheit 18 berechnet dann den Temperaturkorrekturwert T_filt anhand der vorstehend genannten Formel 1 (Schritt S16).
Die Mindestspannungssteuerungseinheit 16 stellt dann die Mindestspannung V_II basierend auf dem berechneten Temperaturkorrekturwert T_filt (Schritt S18) ein. Nach Schritt S18 endet der Prozess.
Gemäß der ersten Ausführungsform berechnet die Temperaturkorrektureinheit 18 den Temperaturkorrekturwert durch Korrigieren der Wassertemperatur T und die Mindestspannungssteuerungseinheit 16 steuert die Mindestspannung bzw. untere Grenzspannung der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Temperaturkorrekturwert. Zu diesem Zeitpunkt stellt die Temperaturkorrektureinheit 18, wenn die Wassertemperatur T kleiner als T2 ist, die Zeitkonstante größer ein als die Zeitkonstante τ, wenn die Wassertemperatur T größer oder gleich T3 ist.
Genauer gesagt stellt die Temperaturkorrektureinheit 18 die Zeitkonstante τ auf τ1 von 2B, wenn die Wassertemperatur T gleich oder größer als T1 aber kleiner als T3 ist. Dementsprechend ist die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt gering und die Änderungsrate der Mindestspannung V_II ist ebenso gering. Der Anstieg der Leistungserzeugungsspannung wird somit verringert, so dass eine Abnahme des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20 verringert werden kann. Als Ergebnis kann ein gutes Ausgabeansprechverhalten erzielt werden. Selbst wenn beispielsweise die Wassertemperatur T zeitweilig, wie zwischen dem Zeitpunkt t2 und t4 von 2C und 2D gezeigt ist, ansteigt, ist der Anstieg der Mindestspannung V_II gering, so dass ein gutes Ausgabeansprechverhalten erzielt wird. Das bedeutet, selbst wenn ein temporärer Anstieg der Wassertemperatur T erfasst wird, bevor das durch den Kühler 24 gekühlte Kühlwasser in die Brennstoffzelle 20 fließt, wird die übermäßige Beschränkung der Ausgabe verhindert. Dies ermöglicht es, eine ausreichende Fahrleistung zu erzielen, wenn der Fahrer das Gaspedal tritt.
Wenn zudem die Wassertemperatur T gleich oder größer als T3 ist, stellt die Temperaturkorrektureinheit 18 die Zeitkonstante τ auf τ2 von 2B. Dementsprechend ist die Änderungsrate des Temperaturkorrekturwerts T_filt groß, und die Änderungsrate der Mindestspannung V_II ist ebenso groß. Wenn somit die Wassertemperatur ansteigt, steigt die Mindestspannung V_II und die Leistungserzeugungsspannung steigt. Die Mindestspannung V_II und die Leistungserzeugungsspannung werden beispielsweise V_x wie in 2D dargestellt. Ein derartiger Anstieg der Leistungserzeugungsspannung verringert die Wärmeerzeugung in der Brennstoffzelle 20 und verhindert somit das Verdampfen von Wasser in der Brennstoffzelle 20. Daher kann eine Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 20 verringert werden.
Der Temperatursensor 50 befindet sich weiter stromauf als der Kühler 24. Dementsprechend ist die Wassertemperatur T, welche vom Temperatursensor 50 erfasst wird, eine Temperatur bevor das Kühlwasser durch den Kühler 24 gekühlt wird, und spiegelt den Zustand der Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle 20 direkt wieder. Beispielsweise kann, unmittelbar nachdem der WOT-Betrieb gestartet wird, die Wassertemperatur T aufgrund der Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle 20 schnell ansteigen. Es dauert eine bestimmte Menge an Zeit, bis das durch den Kühler 24 gekühlte Kühlwasser den Temperatursensor 50 erreicht. Der Temperatursensor 50 erfasst somit den Anstieg der Wassertemperatur T. Wenn die Zeitkonstante τ gering ist und die Wassertemperatur T schnell ansteigt, steigt auch der Temperaturkorrekturwert T_filt schnell an. Somit steigt die Mindestspannung V_II wie beim Vergleichsbeispiel von 2D gezeigt an, die Leistungserzeugungsspannung steigt und der Ausgangsstrom nimmt ab. Gemäß der ersten Ausführungsform stellt die Temperaturkorrektureinheit 18 die Zeitkonstante τ auf einen großen Wert ein, bis die Wassertemperatur T T3 erreicht, selbst wenn die Wassertemperatur T ansteigt, wodurch die Anstiegsrate der Mindestspannung V_II verringert wird. Dementsprechend wird der Anstieg der Leistungserzeugungsspannung verringert. Somit wird die Abnahme des Ausgabestroms verringert und ein exzellentes Antwortverhalten kann unmittelbar nach dem Start des Betriebs erhalten werden.
Der Temperatursensor 50 kann an jeder Stelle der Kühlmittelauslassleitung 40 angeordnet sein und ist besonders bevorzugt in der Nähe des Kühlwasserauslasses aus der Brennstoffzelle 20 angeordnet. Dies hat den Grund, dass die Temperatur des Kühlwassers unmittelbar nachdem das Kühlwasser zum Kühlen verwendet wurde erfasst werden kann. Anstelle des Kühlers 24 kann ein Wärmetauscher wie ein Radiator verwendet werden. T_{filt_1}, T1, T2 und T3 können andere als die vorstehend beschriebenen Werte sein.
Obgleich einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die Erfindung noch nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt sondern kann im Umfang der beanspruchten Erfindung variiert oder verändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/146928 [0002]
JP 2009-158397 [0002]
JP 2008-300299 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); einen Kühlmittelpfad (42), der mit der Brennstoffzelle verbunden ist und durch den ein Kühlmittel, das die Brennstoffzelle kühlt, fließt; eine Temperaturerfassungseinheit (50), die ausgestaltet ist, um eine Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad zu erfassen; eine Temperaturkorrektureinheit (18), die ausgestaltet ist, um einen Temperaturkorrekturwert zu berechnen, indem die von der Temperaturerfassungseinheit erfasste Temperatur des Kühlmittels korrigiert wird; und eine Mindestspannungssteuereinheit (16), die ausgestaltet ist, um eine Mindestspannung der Brennstoffzelle basierend auf dem Temperaturkorrekturwert zu steuern, wobei die Temperaturkorrektureinheit den Temperaturkorrekturwert basierend auf der folgenden Gleichung berechnet:
in der T_filt den Temperaturkorrekturwert darstellt, T_{filt_old} einen letzten Temperaturkorrekturwert darstellt, T die Temperatur des Kühlmittels darstellt und τ einen Koeffizienten darstellt, und, wenn die Temperatur des Kühlmittels niedriger als ein erster vorgegebener Wert ist, der Koeffizient größer eingestellt ist als der Koeffizient, wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer als ein zweiter vorgegebener Wert ist.