DE102018123331A1

DE102018123331A1 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018123331A1
Application number: DE102018123331.0A
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Namba; Yusuke KATAYAMA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN109768304B; JP6972941B2; JP2019087469A; US20190140290A1; US11205790B2; CN109768304A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Kathodengasversorgungskanal (62), durch den der Brennstoffzellenstapel (100) mit Kathodengas versorgt wird, einen Kathodengasaustragkanal (64), durch den das Kathodengas aus dem Brennstoffzellenstapel (100) ausgetragen wird, einen Turbokompressor (34), der im Kathodengasversorgungskanal (62) zum Zuführen des Kathodengases zum Brennstoffzellenstapel (100) angeordnet ist, ein Ventil (36, 37), das in dem Kathodengasversorgungskanal (62) oder dem Kathodengasaustragkanal (64) angeordnet ist, und einen Controller (20), der die Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des Turbokompressors (34) und des Ventils (36, 37) steuert. Der Controller (20) führt in einem Zustand, in dem der Turbokompressor (34) angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, eine Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durch, um das Ventil (36, 37) abwechselnd zu öffnen und zu schließen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem.
Beschreibung des Standes der Technik
In einem in der japanischen Patentanmeldung JP 2012-89523 A beschriebenen Brennstoffzellensystem wird, wenn sich ein Brennstoffzellenstapel in einem Zustand befindet, in dem die Erzeugung elektrischer Leistung bzw. Stromerzeugung gestoppt ist, dem Brennstoffzellenstapel auch während des Stopps der Stromerzeugung intermittierend Kathodengas von einem Luftkompressor zugeführt, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, schnell auf eine Anforderung zur Stromerzeugung zu reagieren. Auf diese Weise wird die Spannung einer Einzelzelle (die als „Zellenspannung“ bezeichnet wird) gleich oder größer als ein bestimmter Wert gehalten.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem in der JP 2012-89523 A beschriebenen System können die Zuführung von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel und das Stoppen der Zuführung aufgrund der großen Trägheit des Luftkompressors nicht in kurzen Zyklen durchgeführt werden, und die Höhe der Schwankung der Zellenspannung kann zunehmen.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Kathodengasversorgungskanal, durch den der Brennstoffzellenstapel mit Kathodengas versorgt wird, einen Kathodengasauslasskanal, durch den das Kathodengas aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen wird, einen Turbokompressor, der im Kathodengasversorgungskanal angeordnet ist und ausgestaltet ist, um dem Brennstoffzellenstapel das Kathodengas zuzuführen, ein Ventil, das in dem Kathodengasversorgungskanal oder dem Kathodengasauslasskanal angeordnet ist, und einen Controller, der ausgestaltet ist, um die Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des Turbokompressors und des Ventils zu steuern. Der Controller ist ausgestaltet, um in einem Zustand, in dem der Turbokompressor angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss, eine Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchzuführen, um das Ventil abwechselnd zu öffnen und zu schließen. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt können die Zuführung des Kathodengases zum Brennstoffzellenstapel und das Stoppen der Zuführung in kurzen Zyklen erfolgen, so dass die Schwankungsbreite bzw. Höhe der Schwankung der Spannung des Zellenstapels reduziert werden kann. Außerdem verwendet das Brennstoffzellensystem den Turbokompressor, und die Menge des vom Turbokompressor zugeführten Kathodengases wird mit zunehmendem Druck zwischen dem Turbokompressor und dem Ventil zum Zeitpunkt des Schließens des Ventils reduziert. Daher ist es verglichen mit dem Fall, bei dem ein Kompressor vom Typ der Volumenverdichtung, wie beispielsweise der Roots-Typ, verwendet wird, weniger wahrscheinlich oder sogar unwahrscheinlich, dass der Druck zwischen dem Turbokompressor und dem Ventil übermäßig ansteigt.
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem obigen Aspekt eine Durchflussmenge des vom Turbokompressor zugeführten Kathodengases, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss, kleiner ist als die Durchflussmenge des zugeführten Kathodengases, wenn elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss. Mit dem so konfigurierten Brennstoffzellensystem wird, verglichen mit dem Fall, bei dem die Durchflussmenge des vom Turbokompressor zugeführten Kathodengases, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss, gleich der Durchflussmenge ist, wenn elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss, der Brennstoffwirkungsgrad verbessert.
Bei dem Brennstoffzellensystem kann das Ventil stromabwärts des Turbokompressors im Kathodengasversorgungskanal oder im Kathodengasauslasskanal angeordnet sein, und der Turbokompressor kann ein Drehkörpergehäuse beinhalten, das einen Drehkörper aufnimmt, der das Kathodengas zuführt, ein Motorgehäuse, das einen Motor aufnimmt, der den Drehkörper antreibt, wobei ein Teil des Motorgehäuses mit Öl gefüllt ist, und eine mechanische Dichtung bzw. eine Gleitringdichtung, die verhindert, dass das Öl aus dem Drehkörpergehäuse in das Motorgehäuse sickert. Mit dem so konfigurierten Brennstoffzellensystem kann der mit der Gleitringdichtung versehene Turbokompressor eine schnelle Drehung des rotierenden Körpers bzw. Drehkörpers erreichen, und der Druck im Drehkörpergehäuse steigt bei geschlossenem Ventil über den Druck im Motorgehäuse, so dass das Öl weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich aus dem Motorgehäuse in das Drehkörpergehäuse sickern kann.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Spannungsdetektor umfassen, der ausgestaltet ist, um eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu erfassen. Der Controller ist ausgestaltet, um das Ventil zu steuern, um die Spannung zu erhöhen, wenn die Spannung kleiner als eine vorgegebene Sollspannung ist, und um das Ventil zu steuern, um die Spannung zu verringern, wenn die Spannung größer als die Sollspannung ist. Mit dem so konfigurierten Brennstoffzellensystem kann die Steuerung vereinfacht werden, verglichen mit dem Fall, bei dem die Sollspannung, basierend auf der die Spannung erhöht wird, und die Sollspannung, basierend auf der die Spannung reduziert wird, auf unterschiedliche Werte eingestellt werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Spannungsdetektor umfassen, der ausgestaltet ist, um eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu erfassen. Das Ventil kann im Kathodengasversorgungskanal angeordnet sein, und der Controller kann konfiguriert sein, um (i) zu bestimmen, dass das Ventil eine Fehlfunktion hat, wenn die Spannung nicht kleiner als eine vorgegebene Prüfspannung wird, bevor eine vorgegebene Zeit vergeht, nachdem ein Befehl zum Schließen des Ventils in dem Zustand erzeugt wird, in dem der Turbokompressor angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss, und (ii) zu bestimmen, dass das Ventil normal ist, wenn die Spannung vor Ablauf der vorgegebenen Zeit kleiner als die Prüfspannung wird, und um dann die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchzuführen. Mit dem so konfigurierten Brennstoffzellensystem kann eine Fehlfunktion des im Kathodengasversorgungskanal angeordneten Ventils festgestellt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Turbokompressor, der dem Brennstoffzellenstapel ein Kathodengas zuführt, und einem Ventil, das in einem Kathodengasversorgungskanal oder einem Kathodengasauslasskanal des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Das Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem umfasst das Durchführen einer Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung zum abwechselnden Öffnen und Schließen des Ventils in einem Zustand, in dem der Turbokompressor angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden muss.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem als eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 eine schematische Schnittansicht, die einen Turbokompressor zeigt;
3 ein Flussdiagramm der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung, die von einem Controller ausgeführt wird;
4 ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung zeigt:
5 ein Flussdiagramm einer Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 ein Flussdiagramm eines Fehlfunktion-Bestimmungsprozesses;
7 eine Grafik, die nützlich ist, um den Zusammenhang zwischen der FC-Spannung und einer Fehlfunktion eines Einlassventils zu erklären; und
8 ein Flussdiagramm einer Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung einer dritten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 als eine Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise auf einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 100, einen Controller 20, einen Luftmengenmesser 32, einen Turbokompressor 34, einen Kathodengaskanal 60 und einen Anodengaskanal 80.
Der Brennstoffzellenstapel 100 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die mit Anodengas (z.B. Wasserstoffgas) und Kathodengas (z.B. Luft) als Reaktionsgase zur Erzeugung von elektrischer Leistung bzw. Strom versorgt wird. Der Brennstoffzellenstapel 100 besteht aus einer Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen (nicht dargestellt). Das Anodengas wird aus einem Anodengastank (nicht dargestellt) zugeführt und durchläuft den Anodengaskanal 80, von wo es einer Anode 100a des Brennstoffzellenstapels 100 zugeführt und für die elektrochemische Reaktion verwendet wird. Ein Teil des Anodengases, der nicht für die elektrochemische Reaktion verwendet wurde, wird als Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 nach außen ausgetragen bzw. abgegeben. Andererseits wird das Kathodengas einer Kathode 100c des Brennstoffzellenstapels 100 durch den Kathodengaskanal 60 zugeführt und für die elektrochemische Reaktion verwendet. Sauerstoff, der nicht für die elektrochemische Reaktion verwendet wurde, wird als Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 nach außen ausgetragen bzw. abgegeben.
Durch den Kathodengaskanal 60 wird das Kathodengas dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt und aus diesem abgeleitet. Der Kathodengaskanal 60 umfasst einen Kathodengasversorgungskanal 62, durch den das Kathodengas dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, einen Kathodengasauslasskanal 64, durch den das Kathodengas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen wird, und einen Bypasskanal 66, der mit dem Kathodengasversorgungskanal 62 und dem Kathodengasauslasskanal 64 verbunden ist.
Der Luftmengenmesser 32, der Turbokompressor 34 und ein Manometer 44 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite gesehen im Kathodengasversorgungskanal 62 angeordnet. Der Luftmengenmesser 32 ist eine Vorrichtung, die die Durchflussmenge des in den Kathodengasversorgungskanal 62 eingebrachten Kathodengases misst. Das Manometer 44 misst den Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Turbokompressors 34. Bei dieser Ausführungsform ist das Manometer 44 stromaufwärts von einem Abschnitt des Kathodengasversorgungskanals 62, der mit dem Bypasskanal 66 verbunden ist, und stromabwärts vom Turbokompressor 34 vorgesehen. Das Manometer 44 kann jedoch auch stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100 in einem Abschnitt des Kathodengasauslasskanals 64 vorgesehen werden, der sich auf der stromaufwärts gelegenen Seite des mit dem Bypasskanal 66 verbundenen Abschnitts befindet.
Der Turbokompressor 34 ist ein Turbokompressor, der Kathodengas an den Brennstoffzellenstapel 100 liefert. Der Turbokompressor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge bzw. der Volumenstrom des vom Kompressor gelieferten Kathodengases in einem weiten Bereich verändert werden kann.
2 zeigt den Turbokompressor 34. Der Turbokompressor 34 umfasst eine Welle 120, einen auf der Welle 120 montierten Drehkörper 160, ein Drehkörpergehäuse 170, in dem der Drehkörper 160 untergebracht ist, einen Motor 190, der den Drehkörper 160 antreibt, und ein Motorgehäuse 150, in dem der Motor 190 untergebracht ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein Laufrad als Drehkörper 160 verwendet, aber es kann beispielsweise ein Zahnrad verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Motor 190 einen Solenoid 110, einen Rotor 130 und einen Magneten 140.
Ein Teil des Motorgehäuses 150 ist mit Öl 155 gefüllt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Teil des Motorgehäuses 150 mit Schmieröl gefüllt. Das Schmieröl im Motorgehäuse 150 wird im Motorgehäuse 150 mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) umgewälzt. Der Turbokompressor 34 umfasst auch eine Gleitringdichtung 180, die verhindert, dass das Schmieröl aus dem Motorgehäuse 150 in das Drehkörpergehäuse 170 sickert.
Die Gleitringdichtung 180 umfasst einen festen Ring 182 und einen rotierenden Ring 184. Der feste Ring 182 ist am Motorgehäuse 150 befestigt. Der rotierende Ring 184 ist an der Welle 120 befestigt. Wenn sich die Welle 120 dreht, dreht sich der rotierende Ring 184, aber der feste Ring 182 dreht sich nicht. Wenn sich die Welle 120 dreht, gleiten der feste Ring 182 und der rotierende Ring 184 somit gegeneinander, wobei ein Spiel in der Größe von Mikrometern zwischen dem festen Ring 182 und dem rotierenden Ring 184 beibehalten wird. Somit wird das im Motorgehäuse 150 enthaltene Schmieröl im Wesentlichen daran gehindert, zwischen dem festen Ring 182 und dem rotierenden Ring 184 in das Drehkörpergehäuse 170 auszulaufen, während eine schnelle Drehung der Welle 120 erreicht wird.
Wie in 1 dargestellt ist, ist der Kathodengaskanal 60 mit einer Mehrzahl von Ventilen versehen. In dieser Beschreibung bezeichnet „Ventil“ eine Komponente, die die Durchflussfläche eines Kanals verändert. Bei dieser Ausführungsform sind im Kathodengaskanal 60 ein Einlassventil 36, ein Druckregelventil 37 und ein Bypassventil 38 angeordnet. Das Druckregelventil 37 regelt den Druck des Kathodengases auf der stromabwärts gelegenen Seite des Brennstoffzellenstapels 100. Das Druckregelventil 37 ist im Kathodengasauslasskanal 64 angeordnet und befindet sich stromaufwärts von seinem mit dem Bypasskanal 66 verbundenen Abschnitt und stromabwärts vom Brennstoffzellenstapel 100. Das Bypassventil 38 ist im Bypasskanal 66 vorgesehen, um die Menge an Kathodengas zu regeln, die durch den Bypasskanal 66 strömt.
Das Einlassventil 36 regelt die Menge an Kathodengas, die in den Brennstoffzellenstapel 100 gelangt. Das Einlassventil 36 ist im Kathodengasversorgungskanal 62 angeordnet und befindet sich zwischen dem Brennstoffzellenstapel 100 und dem Turbokompressor 34. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Einlassventil 36 stromabwärts von einem Abschnitt des Kathodengasversorgungskanals 62, der mit dem Bypasskanal 66 verbunden ist, und stromaufwärts vom Brennstoffzellenstapel 100.
Der vom Brennstoffzellenstapel 100 erzeugte Strom wird über einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler 90 in einer Sekundärbatterie 92 gespeichert. Verschiedene Verbraucher (nicht dargestellt) sind an einen Stromkreis angeschlossen, einschließlich des Brennstoffzellenstapels 100, des Gleichstromwandlers 90 und der Sekundärbatterie 92. Der Brennstoffzellenstapel 100 und die Sekundärbatterie 92 können auch den Turbokompressor 34 und verschiedene Ventile mit Strom bzw. elektrischer Leistung versorgen.
Ein Spannungsdetektor 91 erfasst die Spannung (die auch „FC-Spannung“ genannt wird) des Brennstoffzellenstapels 100. Bei dieser Ausführungsform wird die durchschnittliche Zellenspannung als FC-Spannung verwendet. Die „durchschnittliche Zellenspannung“ ist ein Wert, der durch Division einer Spannung über die bzw. zwischen den gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 100 durch die Anzahl der Einheitszellen erhalten wird. Als FC-Spannung kann die Spannung über die gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 100 verwendet werden, oder es kann die niedrigste Zellenspannung oder die höchste Zellenspannung verwendet werden. Die Schwankung der Zellenspannung zwischen den jeweiligen Einheitszellen neigt jedoch dazu, über die Zeit in einem Nullbedarfsbetriebsmodus (EN: zero required output operating mode; wird später beschrieben) zuzunehmen; daher wird die Spannung über die bzw. zwischen den gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 100 oder die durchschnittliche Zellenspannung vorzugsweise als FC-Spannung verwendet.
Der Controller 20 ist als Computer konfiguriert, der eine Zentraleinheit (CPU), einen Speicher und eine Schnittstellenschaltung umfasst, mit der die oben genannten Komponenten verbunden sind. Der Controller 20 gibt Signale zum Steuern von Start und Stopp von Komponenten, einschließlich des Turbokompressors 34 und des Einlassventils 36 im Brennstoffzellensystem 10, gemäß den Befehlen einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 21 aus. Die ECU 21 ist ein Controller, der das gesamte System einschließlich des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Im Brennstoffzellenfahrzeug steuert die ECU 21 beispielsweise das Fahrzeug gemäß einer Mehrzahl von Eingabewerten, wie beispielsweise dem Betätigungsbetrag eines Gaspedals, dem Betätigungsbetrag eines Bremspedals und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die ECU 21 kann als Teil der Funktionen des Controllers 20 umfasst sein. Die CPU führt im Speicher gespeicherte Steuerprogramme aus, um die Stromerzeugung durch das Brennstoffzellensystem 10 zu steuern und eine Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung zu implementieren, die später beschrieben wird.
Die ECU 21 schaltet den Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels 100 z.B. zwischen einem Normalbetriebsmodus und einem Nullbedarfsbetriebsmodus um. Im Normalbetriebsmodus empfängt das Brennstoffzellensystem 10 eine Stromerzeugungsanforderung von der ECU 21, und das Brennstoffzellensystem 10 arbeitet entsprechend dem Strom- bzw. Leistungsbedarf. Im Nullbedarfsbetriebsmodus ist die elektrische Leistung, die das Brennstoffzellensystem 10 auf Anforderung der ECU 21 erzeugen muss, gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert, und der Brennstoffzellenstapel 100 muss keine elektrische Leistung erzeugen. Die ECU 21 schaltet den Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 10 vom Normalbetriebsmodus auf den Nullbedarfsbetriebsmodus zum Zeitpunkt des Anhaltens des Fahrzeugs, auf dem das Brennstoffzellensystem 10 installiert ist, oder im Niedriglastbetrieb, z.B. bei Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit. Im Nullbedarfsbetriebsmodus bewirkt die ECU 21, dass die Sekundärbatterie elektrische Leistung bzw. Strom liefert. Im Nullbedarfsbetriebsmodus liefert der Controller 20 dem Brennstoffzellenstapel 100 Sauerstoff in einer Menge, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels 100 in einen vorgegebenen Bereich fällt. Bei dieser Ausführungsform steuert der Controller 20 jeden Teil des Brennstoffzellensystems 10, um eine Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung (die später beschrieben wird) im Nullbedarfsbetriebsmodus durchzuführen.
3 ist ein Flussdiagramm der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung, die von dem Controller 20 ausgeführt wird. Wenn der Brennstoffzellenstapel 100 im Nullbedarfsbetriebsmodus in Betrieb genommen wird, startet der Controller 20 die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung. Der Controller 20 beendet die Steuerung von 3, wenn er einen Befehl zum Stoppen des Betriebs im Nullbedarfsbetriebsmodus erhält, insbesondere wenn die ECU 21 den Brennstoffzellenstapel 100 anweist, elektrische Leistung zu erzeugen. Bei der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung stoppt der Controller 20 die Zufuhr von Anodengas, stellt das Druckregelventil 37 in einen geöffneten Zustand und stellt das Bypassventil 38 in einen geschlossenen Zustand, wobei der Turbokompressor 34 in einem angetriebenen Zustand gehalten wird.
Die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 gelieferten Kathodengases, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 keine elektrische Leistung erzeugen muss bzw. nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, ist vorzugsweise kleiner als die Durchflussmenge des gelieferten Kathodengases, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 elektrische Leistung erzeugen muss bzw. zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird. Auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit eines schnellen Anstiegs der FC-Spannung verringert werden. Hier kann die Durchflussmenge des Kathodengases mit dem Luftmengenmesser 32 gemessen werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 zugeführten Kathodengases, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, gleich oder größer als 0,5 NL/min und gleich oder kleiner als 30NL/min. Vorzugsweise ist die Durchflussmenge gleich oder größer als 3 NL/min und gleich oder kleiner als 14 NL/min. Andererseits ist bei dieser Ausführungsform die Durchflussmenge des Kathodengases, das zugeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, gleich oder größer als 150 NL/min und gleich oder kleiner als 5000 NL/min. Hierbei bedeutet 1 NL/min, dass das Kathodengas unter Basisbedingungen (Druck: 0,1013 MPa, Temperatur: 0°C, Feuchte: 0%) in einer Menge von 1 L pro Minute fließt.
Bei dieser Ausführungsform ist die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 gelieferten Kathodengases, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 keine elektrische Leistung erzeugen muss bzw. nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, gleich oder kleiner als 1% der maximalen Durchflussmenge des gelieferten Kathodengases, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 elektrische Leistung erzeugen muss bzw. zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die FC-Spannung effektiv weniger schnell ansteigt, womit die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 100 verbessert werden kann.
Wenn die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung gestartet wird, schließt der Controller 20 zunächst das Einlassventil 36 (Schritt S110). Hier bedeutet „Schließen des Einlassventils 36“, den Öffnungsgrad des Einlassventils 36 zu reduzieren, dass dieser kleiner ist als derjenige in einem Zustand, bei dem das Einlassventil 36 in Schritt S130 geöffnet ist, der später beschrieben wird. Bei dieser Ausführungsform schließt der Controller 20 den Kathodengasversorgungskanal 62 über das Einlassventil 36 vollständig ab. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern muss nur den Öffnungsgrad verringern, dass dieser kleiner ist als in dem Zustand, in dem das Einlassventil 36 in Schritt S130 geöffnet ist, der später beschrieben wird. Hier bezeichnet „der Öffnungsgrad“ den Prozentsatz (%), der sich aus der Division der Öffnungsfläche eines Ventilkörperabschnitts durch die maximale Öffnungsfläche des Ventilkörperabschnitts ergibt. So kann beispielsweise in Schritt S110 der Öffnungsgrad des Einlassventils 36 auf 50% oder weniger des Öffnungsgrades in Schritt S130 eingestellt werden.
Anschließend bestimmt der Controller 20, ob die FC-Spannung kleiner als die Sollspannung V1 ist (Schritt S120). Bei dieser Ausführungsform ist die Sollspannung V1 eine Spannung, die eine ausreichende Ausgabereaktion gewährleisten kann, während die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 100 gebremst wird, und wird im Voraus durch Experimente oder Simulationen erhalten. Bei dieser Ausführungsform speichert der Controller 20 die Sollspannung V1 im Voraus. Die FC-Spannung wird vom Spannungsdetektor 91 erfasst.
Wenn der Controller 20 bestimmt, dass die FC-Spannung gleich oder größer als die Sollspannung V1 ist (Schritt S120: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S120 zurück. Wenn der Controller 20 hingegen bestimmt, dass die FC-Spannung kleiner als die Sollspannung V1 ist (Schritt S120: JA), öffnet der Controller 20 das Einlassventil 36, um den Brennstoffzellenstapel 100 mit Kathodengas zu versorgen (Schritt S130). Hier bedeutet „Öffnen des Einlassventils 36“, den Öffnungsgrad zu erhöhen, dass dieser größer ist als in einem Zustand von Schritt S110, in dem das Einlassventil 36 geschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform maximiert der Controller 20 die Öffnungsfläche des Ventilkörperabschnitts des Einlassventils 36 in Schritt S130. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern muss nur den Öffnungsgrad erhöhen, dass dieser größer ist als im Zustand von Schritt S110, bei dem das Einlassventil 36 geschlossen ist. Während der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung wird jede Zeitspanne, über die der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geöffneten Zustand versetzt, um dem Brennstoffzellenstapel 100 Kathodengas zuzuführen, als „Versorgungszeitspanne P1“ bezeichnet. Andererseits wird während der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung jede Zeitspanne, in der der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geschlossenen Zustand versetzt, um die Zufuhr von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen, als „Stoppzeitspanne P2“ bezeichnet.
Nach dem Öffnen des Einlassventils 36 (Schritt S130) bestimmt der Controller 20, ob die FC-Spannung gleich oder größer als die Sollspannung V1 ist (Schritt S140). Wenn der Controller 20 bestimmt, dass die FC-Spannung kleiner als die Sollspannung V1 ist (Schritt S140: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S140 zurück. Wenn der Controller 20 hingegen bestimmt, dass die FC-Spannung gleich oder größer als die Sollspannung V1 ist (Schritt S140: JA), kehrt die Steuerung zu Schritt S110 zurück, und der Controller 20 schließt das Einlassventil 36. Der Controller 20 wiederholt die oben beschriebene Schrittfolge, bis der Nullbedarfsbetriebsmodus endet.
Das Zeitdiagramm von 4 zeigt ein Beispiel für die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung. In 4 zeigt die horizontale Achse die Zeit an, und die vertikale Achse zeigt die Änderung der FC-Spannung im oberen Abschnitt und den Auf/Zu-Zustand des Eingangsventils 36 im unteren Abschnitt. In 4 ist eine Zeitspanne eines Teils der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung angegeben.
Bei dieser Ausführungsform versetzt der Controller 20 das Einlassventil 36 vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 in den geschlossenen Zustand, um die Zufuhr von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
Dann ist die FC-Spannung vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 kleiner als die Sollspannung V1; daher versetzt der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geöffneten Zustand, um dem Brennstoffzellenstapel 100 Kathodengas zuzuführen. Hier ist der Zeitraum vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 die Versorgungszeitspanne P1, in der der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geöffneten Zustand versetzt, um dem Brennstoffzellenstapel 100 Kathodengas zuzuführen.
Dann ist die FC-Spannung in einem Zeitraum von Zeit t2 bis Zeit t3 gleich oder größer als die Sollspannung V1; daher versetzt der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geschlossenen Zustand, um die Zufuhr von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen. Der Zeitraum bzw. die Zeitspanne vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 entspricht dabei der Stoppzeitspanne P2, in der der Controller 20 das Einlassventil 36 in den geschlossenen Zustand versetzt, um die Zufuhr von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
Ebenso ist ein Zeitraum vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 die Versorgungszeitspanne P1 und ein Zeitraum vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 ist die Stoppzeitspanne P2. Bei dieser Ausführungsform ist ein Zyklus mit einer Versorgungszeitspanne P1 und einer Stoppzeitspanne P2 gleich oder länger als zwei Sekunden und gleich oder kürzer als fünf Sekunden.
Wie vorstehend beschrieben ist, steuert der Controller 20 in dem Zeitraum, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird bzw. keine elektrische Leistung bzw. Strom erzeugen muss, das Einlassventil 36 so, dass die Versorgungszeitspanne P1 und die Stoppzeitspanne P2 abwechselnd erscheinen. Insbesondere schaltet der Controller 20 in der Zeitspanne bzw. dem Zeitraum, in der bzw. dem der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, das Einlassventil 36 abwechselnd zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand um. Auf diese Weise kann die FC-Spannung so gesteuert werden, dass sie größer als 0 V und kleiner als eine Leerlaufspannung zum Zeitpunkt der Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 100 ist. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass sich ein Katalysator im Brennstoffzellenstapel 100 durch eine übermäßige Erhöhung der FC-Spannung verschlechtert, und der Brennstoffzellenstapel 100 kann schnell auf eine Anforderung zur Erzeugung von elektrischer Leistung reagieren, wenn eine solche Anforderung vorliegt.
Während bei dieser Ausführungsform die Versorgungszeitspanne P1 länger als die Stoppzeitspanne P2 ist, wie in 4 dargestellt, kann die Versorgungszeitspanne P1 gleich der Stoppzeitspanne P2 sein, oder die Versorgungszeitspanne P1 kann kürzer als die Stoppzeitspanne P2 sein. Bevor das Brennstoffzellensystem 10 in die in 4 dargestellten Zustände gebracht wird, kann eine Stoppzeitspanne P2 vorliegen, die länger ist als die Versorgungszeitspanne P1. Vor Beginn der ersten Versorgungszeitspanne P1 kann es nämlich eine Stoppzeitspanne P2 geben, die länger ist als die Versorgungszeitspanne P1.
Im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, das Einlassventil 36 abwechselnd in einem Zustand, bei dem der Turbokompressor 34 angetrieben wird, zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand umgeschaltet. So kann im Brennstoffzellensystem 10 die Zufuhr von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 und das Stoppen der Zufuhr in kurzen Zyklen erfolgen, so dass der Schwankungsbereich der FC-Spannung reduziert werden kann. Wenn ein Kompressor vom Typ der Volumenverdichtung, wie beispielsweise der Roots-Typ, anstelle des Turbokompressors 34 verwendet wird, wird der Durchsatz bzw. die Durchflussmenge des vom Kompressor zugeführten Kathodengases auch bei geschlossenem Einlassventil 36 nicht reduziert; daher kann der Druck zwischen dem Einlassventil 36 und dem Kompressor bei geschlossenem Einlassventil 36 außerordentlich ansteigen, und somit kann der Kathodengasversorgungskanal 62 beschädigt werden. Andererseits wird im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform der Turbokompressor 34 verwendet. Da die vom Turbokompressor 34 zugeführte Kathodengasmenge durch die Erhöhung des Drucks zwischen dem Turbokompressor 34 und dem Einlassventil 36 bei geschlossenem Einlassventil 36 reduziert wird, kann der Druck zwischen dem Turbokompressor 34 und dem Einlassventil 36 im Vergleich zum Einsatz des Kompressors vom Typ der Volumenverdichtung, wie beispielsweise der Roots-Typ, weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich erhöht werden.
Im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform wird der Durchfluss von Kathodengas für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird, durch Öffnen und Schließen des Einlassventils 36 gesteuert. Somit kann nach dem Brennstoffzellensystem 10 der Durchfluss des Kathodengases schnell gesteuert werden, verglichen mit dem Fall, dass der Durchfluss des Kathodengases durch den Turbokompressor 34 gesteuert wird.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform ist die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 in der Versorgungszeitspanne P1 gelieferten Kathodengases kleiner als die Durchflussmenge, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird. Dadurch kann der Brennstoffwirkungsgrad im Vergleich zu dem Fall verbessert werden, bei dem der Durchsatz bzw. die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 in der Versorgungszeitspanne P1 gelieferten Kathodengases gleich dem Durchsatz bzw. der Durchflussmenge ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird. Es ist jedoch zu beachten, dass die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 in der Versorgungszeitspanne P1 gelieferten Kathodengases größer oder gleich der Durchflussmenge sein kann, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 elektrische Leistung erzeugen muss.
Im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform wird die Gleitringdichtung 180 im Turbokompressor 34 verwendet, so dass sich der Drehkörper 160 des Turbokompressors 34 mit hoher Geschwindigkeit drehen kann. Wenn die Gleitringdichtung 180 auf der stromaufwärts gelegenen Seite eines Verbrennungsmotors verwendet wird und Öl aus der Gleitringdichtung 180 austritt, verbrennt das Öl im Allgemeinen in dem Verbrennungsmotor und verursacht keine Probleme. Wenn die Gleitringdichtung 180 auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist, kann Öl, das aus der Gleitringdichtung austritt, die Leistung des Brennstoffzellenstapels 100 beeinträchtigen. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform, bei der das Einlassventil 36 stromabwärts des Turbokompressors 34 im Kathodengaskanal 60 vorgesehen ist, steigt jedoch bei geschlossenem Einlassventil 36 der Druck im Drehkörpergehäuse 170 des Turbokompressors 34 derart, dass er höher ist als im Motorgehäuse 150 des Turbokompressors 34. Infolgedessen ist es im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass Öl aus dem Motorgehäuse 150 in das Drehkörpergehäuse 170 sickert.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform ist die Versorgungszeitspanne P1 länger als die Stoppzeitspanne P2. Dadurch wird die Fließfähigkeit von Wasserdampf und Wasser im Brennstoffzellenstapel 100 verbessert, so dass die Umgebung bzw. das Milieu im Brennstoffzellensystem 10 günstig gehalten werden kann.
Im Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform steuert der Controller 20 das Einlassventil 36, um die FC-Spannung zu erhöhen, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 100 kleiner als die vorgegebene Sollspannung V1 ist, und steuert das Einlassventil 36, um die FC-Spannung zu reduzieren, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 100 größer als die Sollspannung V1 ist. Während die in Schritt S120 verwendete Sollspannung V1 und die in Schritt S140 verwendete Sollspannung V1 auf unterschiedliche Werte eingestellt werden können, kann die Steuerung vereinfacht werden, wenn die in Schritt S120 verwendete Sollspannung V1 und die in Schritt S140 verwendete Sollspannung V1 auf den gleichen Wert eingestellt werden, wie in dieser Ausführungsform.
Zweite Ausführungsform
5 ist ein Flussdiagramm einer Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass Schritt S105 und Schritt S200 zusätzlich vorgesehen sind, wobei die erste und zweite Ausführungsform in anderer Hinsicht identisch sind.
In der zweiten Ausführungsform bestimmt der Controller 20, nachdem das Einlassventil 36 geschlossen ist (Schritt S110), ob der Vorgang zum Schließen des Einlassventils 36 zum ersten Mal bei der aktuellen Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchgeführt wird. Wenn der Vorgang zum Schließen des Einlassventils 36 zum ersten Mal bei der aktuellen Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchgeführt (Schritt S105: JA) wird, führt der Controller 20 einen Fehlfunktion-Bestimmungsprozess durch (Schritt S200). Wenn hingegen der Vorgang zum Schließen des Einlassventils 36 nicht zum ersten Mal bei der aktuellen Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchgeführt wird, (Schritt S105: NEIN), fährt der Controller 20 mit Schritt S120 fort.
6 ist ein Flussdiagramm des Fehlfunktion-Bestimmungsprozesses (Schritt S200). In diesem Prozess bestimmt der Controller 20, ob die FC-Spannung in einem Zeitraum von dem Zeitpunkt, zu dem der Controller 20 einen Befehl zum Schließen des Einlassventils 36 gibt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem eine vorgegebene Zeit T vergeht, kleiner als eine vorgegebene Prüfspannung Vh wird (Schritt S210). Bei dieser Ausführungsform ist die Prüfspannung Vh niedriger als die niedrigste Spannung, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 zur Stromerzeugung benötigt wird, und höher als die Sollspannung V1. Die Prüfspannung Vh ist beispielsweise die durchschnittliche Spannung der niedrigsten Spannung für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel 100 zur Stromerzeugung benötigt wird, und der Sollspannung V1 und wird im Voraus durch Experimente oder Simulationen erhalten. Die oben angegebene Zeit T ist eine Zeitspanne, die benötigt werden soll, bis die FC-Spannung auf die Sollspannung V1 reduziert ist, z.B. wenn das Eingangsventil 36 normalerweise geschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform speichert der Controller 20 die Prüfspannung Vh und die Zeit T im Voraus.
Wenn die FC-Spannung vor Ablauf der Zeit T kleiner als die vorgegebene Prüfspannung Vh wird (Schritt S210: JA), bestimmt der Controller 20, dass das Einlassventil 36 normal ist (Schritt S220) und beendet den Fehlfunktion-Bestimmungsprozess.
Wenn andererseits die FC-Spannung vor Ablauf der Zeit T nicht kleiner als die vorgegebene Prüfspannung Vh wird (Schritt S210: NEIN), bestimmt der Controller 20, dass das Einlassventil 36 eine Fehlfunktion hat (z.B. in der geöffneten Position festsitzt) (Schritt S230), und benachrichtigt den Benutzer per Sprache oder mittels einer Anzeige über eine Ausgabevorrichtung (nicht dargestellt) bezüglich dieser Tatsache (Schritt S240). Anschließend beendet der Controller 20 den Fehlfunktion-Bestimmungsprozess. Anstatt den Benutzer über die Fehlfunktion zu informieren, kann beispielsweise der Vorgang zum Schließen des Einlassventils 36 erneut ausgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform kehrt die Steuerung nach Beendigung des Fehlfunktion-Bestimmungsprozesses zu Schritt S120 zurück (5). Wenn der Controller 20 jedoch feststellt, dass das Einlassventil 36 eine Fehlfunktion hat, kann der Controller 20 den Fehlfunktion-Bestimmungsprozess und auch die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung beenden. Dann kann der Controller 20 den Durchfluss des Kathodengases mittels des Turbokompressors 34 anstelle des Einlassventils 36 ändern.
Anhand der Grafik von 7 wird der Zusammenhang zwischen der FC-Spannung und einer Fehlfunktion des Einlassventils 36 beschrieben. In 7 zeigt die vertikale Achse die FC-Spannung und die horizontale Achse zeigt die Zeit an. Im Allgemeinen wird das Einlassventil 36 im Normalbetriebsmodus normalerweise im geöffneten Zustand gehalten. Daher kann das Einlassventil 36 im geöffneten Zustand festsitzen.
Bei dieser Ausführungsform gibt der Controller 20 nach dem Umschalten vom Normalbetriebsmodus in den Nullbedarfsbetriebsmodus einen Befehl zum Schließen des Einlassventils 36 aus. Wenn das Einlassventil 36 normal ist, schließt es ansprechend auf diesen Befehl. So nimmt die FC-Spannung, wie durch die Linie L1 in 7 angezeigt, mit der Zeit in einem Zeitraum (Zeit T) vom Zeitpunkt t10, zu dem die Steuerung zum Schließen des Einlassventils 36 durchgeführt wird, bis zum Zeitpunkt t11, in dem die FC-Spannung gleich der Sollspannung V1 wird, ab. Dadurch wird die FC-Spannung bis zu dem Zeitpunkt zu dem die Zeit T verstrichen ist, kleiner als die Prüfspannung Vh, nachdem der Controller 20 den Befehl zum Schließen des Eingangsventils 36 gegeben hat.
Wenn andererseits das Einlassventil 36 im geöffneten Zustand festsitzt, also wenn das Einlassventil 36 eine Fehlfunktion hat, wird das Einlassventil 36 nicht geschlossen, auch wenn der Controller 20 den Befehl zum Schließen des Einlassventils 36 gibt. Daher sinkt die FC-Spannung, wie durch die Linie L2 in 7 angezeigt, nicht in dem Zeitraum vom Zeitpunkt t10, zu dem die Steuerung zum Schließen des Einlassventils 36 durchgeführt wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zeit T vergeht, und die FC-Spannung wird nicht kleiner als die Prüfspannung Vh, bevor die Zeit T vergeht.
Bei der zweiten Ausführungsform wird der Fehlfunktion-Bestimmungsprozess durchgeführt, bevor die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung zum abwechselnden Umschalten des Eingangsventils 36 zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand durchgeführt wird. In der zweiten Ausführungsform wird insbesondere der Fehlfunktion-Bestimmungsprozess durchgeführt, nachdem der Befehl zum Schließen des Einlassventils 36 in einem Zustand erzeugt wurde, in dem der Turbokompressor 34 angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt werden muss. Auf diese Weise kann eine Fehlfunktion des Einlassventils 36 festgestellt werden.
Dritte Ausführungsform
8 ist ein Flussdiagramm der Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass Schritt S150 und Schritt S160 zusätzlich vorgesehen sind, ist aber im Übrigen identisch zu der ersten Ausführungsform.
Bei der dritten Ausführungsform bestimmt der Controller 20, wenn der Controller 20 bestimmt, dass die FC-Spannung kleiner als die Sollspannung V1 ist (Schritt S140: NEIN), ob die FC-Spannung kleiner als eine untere Grenzspannung V2 ist (Schritt S150). Die untere Grenzspannung V2 ist eine Spannung, bei der der im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltene Katalysator zwischen der Oxidationsreaktion und der Reduktionsreaktion umschaltet und wird beispielsweise im Voraus durch Experimente oder Simulationen erhalten. Bei dieser Ausführungsform speichert der Controller 20 die untere Grenzspannung V2 im Voraus. Bei dieser Ausführungsform ist die untere Grenzspannung V2 kleiner als die Sollspannung V1.
Wenn der Controller 20 bestimmt, dass die FC-Spannung gleich oder größer als die untere Grenzspannung V2 ist (Schritt S150: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S140 zurück. Wenn der Controller 20 hingegen feststellt, dass die FC-Spannung kleiner als die untere Grenzspannung V2 ist (Schritt S150: JA), führt der Controller 20 einen Spülvorgang durch (Schritt S160). Nach dem Spülvorgang (Schritt S160) kehrt die Steuerung zu Schritt S110 zurück. Hierbei wird der Spülvorgang so durchgeführt, dass das im Kathodengaskanal 60 im Brennstoffzellenstapel 100 vorhandene Wasser reduziert wird. Bei dieser Ausführungsform wird das Kathodengas dem Brennstoffzellenstapel 100 vom Turbokompressor 34 mit einer Durchflussmenge zugeführt, die 10 mal so groß ist wie die Durchflussmenge des vom Turbokompressor 34 in der Versorgungszeitspanne P1 zugeführten Kathodengases. Bei dieser Ausführungsform wird der Spülvorgang für mehrere Sekunden durchgeführt.
In der dritten Ausführungsform ermöglicht der Spülvorgang die Wiederherstellung bzw. Erholung der FC-Spannung, die durch Wasser im Kathodengaskanal 60 im Brennstoffzellenstapel 100 reduziert wurde.
Andere Ausführungsformen
Bei den dargestellten Ausführungsformen wird das Einlassventil 36 abwechselnd geöffnet und geschlossen, wenn, in dem Zustand, in dem der Turbokompressor 34 angetrieben wird, der Brennstoffzellenstapel 100 nicht zur Erzeugung von elektrischer Leistung benötigt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, und das Druckregelventil 37 kann anstelle des Einlassventils 36 geöffnet und geschlossen werden. Auch in diesem Fall kann die Zuführung von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel 100 und das Unterbrechen der Versorgung in kurzen Zyklen erfolgen, so dass der Schwankungsbereich der FC-Spannung reduziert werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, den Kathodengasstrom in den Brennstoffzellenstapel 100 durch Öffnen und Schließen des Einlassventils 36 zu steuern, anstatt das Druckregelventil 37 zu öffnen und zu schließen, da die Durchflussmenge durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils 36 schneller gesteuert werden kann. Wenn das Druckregelventil 37 anstelle des Einlassventils 36 geöffnet und geschlossen wird, wird die FC-Spannung durch Schließen des Druckregelventils 37 erhöht und die FC-Spannung wird durch Öffnen des Druckregelventils 37 reduziert.
Bei den dargestellten Ausführungsformen wird während des Betriebs im Nullbedarfsbetriebsmodus kein Strom vom Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, und es kann beispielsweise ein geringer Strom vom Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt werden. Dieser Fall ist auch im Nullbedarfsbetriebsmodus enthalten.
Bei den dargestellten Ausführungsformen ist das Einlassventil 36 stromabwärts des Turbokompressors 34 im Kathodengasversorgungskanal 62 angeordnet, und das Druckregelventil 37 ist im Kathodengasauslasskanal 64 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, und es kann beispielsweise ein Ventil stromaufwärts des Turbokompressors 34 im Kathodengasversorgungskanal 62 vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sondern kann auf vielerlei Art und Weise ausgestaltet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausfiihrungsformen, welche den in der „KURZFASSUNG DER ERFINDUNG“ beschriebenen technischen Merkmalen entsprechen, in geeigneter Weise durch andere Merkmale ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Effekte zu erzielen. Sofern ein technisches Merkmal in der vorstehenden Beschreibung nicht als Wesentlich beschrieben ist, kann das technische Merkmal in geeigneter Weise weggelassen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 201289523 A [0002]
JP 2012089523 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (100); einen Kathodengasversorgungskanal (62), durch den der Brennstoffzellenstapel (100) mit Kathodengas versorgt wird; einen Kathodengasauslasskanal (64), durch den das Kathodengas aus dem Brennstoffzellenstapel (100) ausgetragen wird; einen Turbokompressor (34), der im Kathodengasversorgungskanal (62) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um dem Brennstoffzellenstapel (100) das Kathodengas zuzuführen; ein Ventil (36, 37), das in dem Kathodengasversorgungskanal (62) oder dem Kathodengasauslasskanal (64) angeordnet ist; und einen Controller (20), der ausgestaltet ist, um die Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des Turbokompressors (34) und des Ventils (36, 37) zu steuern, wobei der Controller (20) ausgestaltet ist, um in einem Zustand, in dem der Turbokompressor (34) angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, eine Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchzuführen, um das Ventil (36, 37) abwechselnd zu öffnen und zu schließen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Durchflussmenge des vom Turbokompressor (34) zugeführten Kathodengases, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, kleiner ist als die Durchflussmenge des zugeführten Kathodengases, wenn elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei: das Ventil (36, 37) stromabwärts des Turbokompressors (34) im Kathodengasversorgungskanal (62) oder im Kathodengasauslasskanal (64) angeordnet ist; und der Turbokompressor (34) aufweist: ein Drehkörpergehäuse (170), das einen Drehkörper (160) aufnimmt, der das Kathodengas zuführt; ein Motorgehäuse (150), das einen Motor (190) aufnimmt, der den Drehkörper (160) antreibt, wobei ein Teil des Motorgehäuses (150) mit Öl gefüllt ist; und eine Gleitringdichtung (180), die verhindert, dass das Öl aus dem Drehkörpergehäuse (170) in das Motorgehäuse (150) sickert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen Spannungsdetektor (91), der ausgestaltet ist, um eine Spannung des Brennstoffzellenstapels (100) zu erfassen, wobei der Controller (20) ausgestaltet ist, um das Ventil (36, 37) zu steuern, um die Spannung zu erhöhen, wenn die Spannung kleiner als eine vorbestimmte Sollspannung ist, und um das Ventil (36, 37) zu steuern, um die Spannung zu verringern, wenn die Spannung größer als die Sollspannung ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen Spannungsdetektor (91), der ausgestaltet ist, um eine Spannung des Brennstoffzellenstapels (100) zu erfassen, wobei: das Ventil (36, 37) im Kathodengaszufuhrkanal (62) angeordnet ist; und der Controller (20) ausgestaltet ist, um (i) zu bestimmen, dass das Ventil (36, 37) eine Fehlfunktion hat, wenn die Spannung nicht kleiner als eine vorgegebene Prüfspannung wird, bevor eine vorgegebene Zeit vergeht, nachdem ein Befehl zum Schließen des Ventils (36, 37) in dem Zustand erzeugt wird, in dem der Turbokompressor (34) angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, und (ii) zu bestimmen, dass das Ventil (36, 37) normal ist, wenn die Spannung vor Ablauf der vorgegebenen Zeit kleiner als die Prüfspannung wird, und um dann die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei: das Ventil (36, 37) im Kathodengaszufuhrkanal (62) angeordnet ist; und der Controller (20) ausgestaltet ist, um (i) zu bestimmen, dass das Ventil (36, 37) eine Fehlfunktion hat, wenn die Spannung nicht kleiner als eine vorgegebene Prüfspannung wird, bevor eine vorgegebene Zeit vergeht, nachdem ein Befehl zum Schließen des Ventils (36, 37) in dem Zustand erzeugt wird, in dem der Turbokompressor (34) angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, und (ii) zu bestimmen, dass das Ventil (36, 37) normal ist, wenn die Spannung vor Ablauf der vorgegebenen Zeit kleiner als die Prüfspannung wird, und um dann die Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Controller (20) ausgestaltet ist, um den Turbokompressor (34) so zu steuern, dass eine Durchflussmenge des vom Turbokompressor (34) zugeführten Kathodengases, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss, gleich oder kleiner als 1% einer maximalen Durchflussmenge des zugeführten Kathodengases ist, wenn elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (100), einem Turbokompressor (34), der dem Brennstoffzellenstapel (100) ein Kathodengas zuführt, und einem Ventil (36, 37), das in einem Kathodengasversorgungskanal (62) oder einem Kathodengasauslasskanal (64) des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet ist, aufweisend: Durchführen einer Kathodengas-Durchflussmengenänderungssteuerung zum abwechselnden Öffnen und Schließen des Ventils (36, 37) in einem Zustand, in dem der Turbokompressor (34) angetrieben wird, wenn keine elektrische Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) erzeugt werden muss.