DE102018124834B4

DE102018124834B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018124834B4
Application number: DE102018124834.2A
Authority: DE
Inventors: Keitaro YAMAMORI; Yosuke KAKIMI
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: JP2019091552A; US10964961B2; CN109786788B; CN109786788A; US20190148747A1; DE102018124834A1; JP6907894B2

Abstract

Brennstoffzellensystem, das aufweist:eine Brennstoffzelle (100), die anhand einer Reaktion zwischen einem Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und einem Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird, Leistung erzeugt;eine Anodengaszufuhreinheit (300), die konfiguriert ist, um das Brenngas der Anode zuzuführen;eine Kathodengaszufuhreinheit (200), die konfiguriert ist, um das Oxidationsgas der Kathode zuzuführen;ein zufuhrseitiges An-Aus-Ventil (260), das konfiguriert ist, um die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Kathode durch die Kathodengaszufuhreinheit (200) zu stoppen;ein abführseitiges An-Aus-Ventil (290), das konfiguriert ist, um Kathodenabgas, das aus der Kathode abgeführt wird, abzuriegeln; undein Steuergerät (720), das konfiguriert ist, um die Anodengaszufuhreinheit (300), die Kathodengaszufuhreinheit (200), das zufuhrseitige An-Aus-Ventil (260) und das abführseitige An-Aus-Ventil (290) zu steuern, um die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (100) zu steuern,wobei das Steuergerät (720) konfiguriert ist, um zum Stoppen des Brennstoffzellensystems(a) einen Oxidationsgasverbrauchsprozess auszuführen durch Zuführen des Brenngases zu der Anode und Veranlassen von Strom aus der Brennstoffzelle (100) durchzulaufen, während das zufuhrseitige An-Aus-Ventil (260) und das abführseitige An-Aus-Ventil (290) geschlossen sind, um das verbleibende Oxidationsgas in der Kathode einzuschließen, und(b) das Durchlaufen des Stroms an einem Zeitpunkt zu stoppen, an dem eine Differenz zwischen einem Druck der Kathode, der als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, und einem geschätzten Druckwert der Kathode, der durch Verbrauch des in der Kathode verbleibenden Oxidationsgases als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, größer wird als ein vorbestimmter Bestimmungsschwellenwert, um den Oxidationsgasverbrauchsprozess zu beenden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Zum Zeitpunkt des Anhaltens eines Brennstoffzellensystems wird ein Prozess zum Verbrauchen von in der Kathode der Brennstoffzelle verbleibendem Sauerstoff (Sauerstoffverbrauchsprozess) ausgeführt. Der Sauerstoffverbrauchsprozess ist ein Prozess, bei dem man den Strom auf eine die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringernde Weise durchlaufen lässt, um die Ausgangsspannung zu steuern, bis die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Spannungswert sinkt, wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung JP 2016- 012 461 A beschrieben. Brennstoffzellensysteme und Steuerverfahren hierfür sind zudem aus der US 2011 / 0076 580 A1 sowie der US 2009 / 0 035 630 A1 bekannt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem Sauerstoffverbrauchsprozess nimmt die verbrauchbare Sauerstoffmenge mit abnehmendem vorbestimmten Spannungswert, d.h. mit zunehmender Behandlungszeit (Stromdurchlaufzeit), zu. In einem Fall jedoch, in dem der Prozess selbst dann noch fortgesetzt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration der Kathode ein niedriges Niveau erreicht hat, kommt es in der Kathode bedingt durch eine Rekombination von Wasserstoffionen und Elektronen, die aus der Anode abgeführt werden, zur Erzeugung von Wasserstoff (nachstehend als „Pumpwasserstoff“ bezeichnet). Der Pumpwasserstoff kann eine Abnahme des Brennstoffverbrauchs sowie einen Anstieg der Abgaswasserstoffkonzentration beim nächsten Anlassen bewirken. Wenn hingegen die Behandlungszeit zu kurz ist, kann die unverbrauchte und in der Kathode verbleibende Sauerstoffmenge zunehmen und somit können die Zwecke des Sauerstoffverbrauchsprozesses nicht erreicht werden. Somit besteht der Wunsch, sowohl die Erzeugung des Pumpwasserstoffs zu unterdrücken, als auch einen ausreichenden Sauerstoffverbrauch in dem Sauerstoffverbrauchsprozess zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das als die folgenden Ausführungsformen realisierbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle, eine Anodengaszufuhreinheit, eine Kathodengaszufuhreinheit, ein zufuhrseitiges An-Aus-Ventil, ein abführseitiges An-Aus-Ventil und ein Steuergerät. Die Brennstoffzelle erzeugt Leistung anhand einer Reaktion zwischen einem Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und einem Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird. Die Anodengaszufuhreinheit ist konfiguriert, um das Brenngas der Anode zuzuführen. Die Kathodengaszufuhreinheit ist konfiguriert, um das Oxidationsgas der Kathode zuzuführen. Das zufuhrseitige An-Aus-Ventil ist konfiguriert, um die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Kathode durch die Kathodengaszufuhreinheit zu stoppen. Das abführseitige An-Aus-Ventil ist konfiguriert, um Kathodenabgas, das aus der Kathode abgeführt wird, abzuriegeln. Das Steuergerät ist konfiguriert, um die Anodengaszufuhreinheit, die Kathodengaszufuhreinheit, das zufuhrseitige An-Aus-Ventil und das abführseitige An-Aus-Ventil zu steuern, um die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zu steuern. Das Steuergerät ist konfiguriert, um zum Stoppen des Brennstoffzellensystems (a) einen Oxidationsgasverbrauchsprozess auszuführen durch Zuführen des Brenngases zu der Anode und Veranlassen von Strom aus der Brennstoffzelle durchzulaufen, während das zufuhrseitige An-Aus-Ventil und das abführseitige An-Aus-Ventil geschlossen sind, um das verbleibende Oxidationsgas in der Kathode einzuschließen, und (b) das Durchlaufen des Stroms an einem Zeitpunkt zu stoppen, an dem eine Differenz zwischen einem Druck der Kathode, der als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, und einem geschätzten Druckwert der Kathode, der durch Verbrauch des in der Kathode verbleibenden Oxidationsgases als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, größer wird als ein vorbestimmter Bestimmungsschwellenwert, um den Oxidationsgasverbrauchsprozess zu beenden. In dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform entspricht der Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen einem Druck der Kathode, der als Reaktion auf den Stromdurchlauf aus der Brennstoffzelle abnimmt, und dem geschätzten Druckwert der Kathode, der durch Verbrauch des in der Kathode verbleibenden Oxidationsgases (Sauerstoffs) als Reaktion auf den Stromdurchlauf abnimmt, größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert, einem Zeitpunkt, an dem eine Konzentration von Sauerstoff in der Kathode ein niedriges Niveau erreicht und in der Kathode die Erzeugung von Pumpwasserstoff beginnt. Daher sind eine weitere Unterdrückung der Erzeugung von Pumpwasserstoff und ein ausreichender Sauerstoffverbrauch in der Kathode realisierbar, indem der Stromdurchlauf zu diesem Zeitpunkt, der als ein „Zeitpunkt, an dem die Sauerstoffkonzentration ein niedriges Niveau erreicht“ oder „Zeitpunkt, an dem die Erzeugung von Pumpwasserstoff beginnt“ bezeichnet werden kann, gestoppt wird, um den Sauerstoffverbrauchsprozess zu beenden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Steuergerät konfiguriert sein, um als einen Spannungsschwellenwert eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle entsprechend dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Druck der Kathode, der als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, und dem geschätzten Druckwert der Kathode größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert, vorab zu speichern und den Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Druck der Kathode und dem geschätzten Druckwert der Kathode größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert, durch Erfassen eines Zeitpunkts, an dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geringer wird als der Spannungsschwellenwert, zu erfassen, um das Durchlaufen des Stroms zu stoppen. In dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform erfasst das Steuergerät den Zeitpunkt, an dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geringer wird als der Schwellenwert, um den Zeitpunkt zu erfassen, an dem die Differenz zwischen dem Druck der Kathode und dem geschätzten Druckwert der Kathode größer wird als der Bestimmungsschwellenwert, und um anschließend das Durchlaufen des Stroms zu stoppen. Diese Konfiguration ermöglicht es, den Stromdurchlauf auf einfache Weise an dem Zeitpunkt zu stoppen, an dem die Sauerstoffkonzentration ein niedriges Niveau erreicht (Zeitpunkt, an dem die Erzeugung des Pumpwasserstoffs beginnt), ohne dass eine Erfassung des Kathodendrucks erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung ist in verschiedenen Formen realisierbar. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung in Formen eines Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, eines Verfahrens zum Stoppen eines Brennstoffzellensystems, und eines Sauerstoffverbrauchsverfahrens zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems realisierbar.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, und in denen:

1 ein erläuterndes Diagramm ist, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf eines Sauerstoffverbrauchsprozesses zeigt, der zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird;
3 ein Graph ist, der zeigt, wie sich eine FC-Spannung und ein Kathodendruck in dem Sauerstoffverbrauchsprozess verändern;
4 ein erläuterndes Diagramm ist, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
5 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf eines Sauerstoffverbrauchsprozesses zeigt, der zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird; und
6 ein Graph ist, der zeigt, wie sich ein Kathodendruck und eine FC-Spannung in dem Sauerstoffverbrauchsprozess verändern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Erste Ausführungsform
1 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise an einem Fahrzeug (Brennstoffzellenfahrzeug) montiert und gibt als Reaktion auf eine Anforderung eines Fahrers elektrische Leistung aus, so dass es eine Leistungsquelle des Fahrzeugs ist. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Brennstoffzelle (FC) 100, eine Kathodengaszufuhreinheit 200, eine Anodengaszufuhreinheit 300, eine FC-Kühleinheit 400, einen DC/DC-Wandler 500, eine Leistungssteuereinheit 600, ein SYS-Steuergerät 710, ein FC-Steuergerät 720, ein DC-Steuergerät 730, ein LD-Steuergerät 740, einen FC-Stromsensor 512 und einen FC-Spannungssensor 514. Die Leistungssteuereinheit 600 wird nachstehend auch als „PCU 600“ bezeichnet.
Die Brennstoffzelle 100 besitzt eine Stapelstruktur, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen (nicht gezeigt) als Leistungserzeugungselemente gestapelt sind. Die Einheitszelle besteht aus einer Membran-Elektroden-Anordnung und zwei Separatoren, welche eine Anode und eine Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung von den gegenüberliegenden Seiten her sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Die Anode und die Kathode beinhalten ein Kohlenstoffmaterial als Elektroden-Katalysatorträger. Die Brennstoffzelle 100 erzeugt Leistung anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff als Brenngas, das der Anode zugeführt wird, und Sauerstoff als Oxidationsgas, das der Kathode zugeführt wird.
Die Anodengaszufuhreinheit 300 führt der Anode der Brennstoffzelle 100 Wasserstoffgas (Brenngas) als ein Anodengas zu. Die Anodengaszufuhreinheit 300 beinhaltet einen Anodengastank 310, eine Anodengaszufuhrleitung 320, eine Anodengasrückführleitung 330, ein Hauptabsperrventil 340, ein Druckregelventil 350, einen Injektor 360, eine Anodengaspumpe 370, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380, ein Auslass- und Ablassventil 385 und eine Auslass- und Ablassleitung 390.
Der Anodengastank 310 speichert beispielsweise Hochdruck-Wasserstoffgas. Der Anodengastank 310 ist durch die Anodengaszufuhrleitung 320 mit der Anode der Brennstoffzelle 100 verbunden. Das Hauptabsperrventil 340, das Druckregelventil 350 und der Injektor 360 sind in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Anodengastanks 310 auf der Anodengaszufuhrleitung 320 vorgesehen. Das Hauptabsperrventil 340 aktiviert und deaktiviert die Anodengaszufuhr aus dem Anodengastank 310. Das Druckregelventil 350 reguliert den Druck des dem Injektor 360 zugeführten Anodengases. Der Injektor 360 spritzt das von dem Druckregelventil 350 zugeführte Anodengas durch die Anodengaszufuhrleitung 320 in Richtung auf die Anode der Brennstoffzelle 100 ein.
Die Anodengasrückführleitung 330 ist mit der Brennstoffzelle 100 und der Anodengaszufuhrleitung 320 verbunden, und Anodenabgas, das aus der Brennstoffzelle 100 abgeführt wird, wird als das Anodengas (Brenngas) zu der Anodengaszufuhrleitung 320 zurückgeführt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 und die Anodengaspumpe 370 sind auf der Anodengasrückführleitung 330 vorgesehen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 trennt flüssiges Wasser von dem Anodenabgas, das mit dem flüssigen Wasser aus der Brennstoffzelle 100 abgeführt wird. Verunreinigungsgas, das in dem Anodenabgas enthalten ist, beispielsweise Stickstoffgas, wird auch zusammen mit dem flüssigen Wasser abgeschieden. Das durch Trennen des Verunreinigungsgases von dem Anodenabgas erhaltene Gas (unverwendetes Wasserstoffgas) wird von der Anodengaspumpe 370 angetrieben und als das Anodengas durch die Anodengasrückführleitung 330 zu der Anodengaszufuhrleitung 320 zurückgeführt. Das abgetrennte flüssige Wasser und Stickstoffgas werden zum Äußeren des Systems abgeführt und passieren dabei das Auslass- und Ablassventil 385 und die Auslass- und Ablassleitung 390, die mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 verbunden ist. Das Hauptabsperrventil 340, das Druckregelventil 350, der Injektor 360 und die Anodengaspumpe 370 werden von dem FC-Steuergerät 720 gesteuert.
Die Kathodengaszufuhreinheit 200 führt der Brennstoffzelle 100 Kathodengas zu und führt das Kathodenabgas ab. In dem Beispiel von 1 wird Luft, welche Sauerstoff als das Oxidationsgas enthält, als das Kathodengas eingesetzt. Die Kathodengaszufuhreinheit 200 beinhaltet eine Kathodengaszufuhrleitung 210, eine Kathodengasabführleitung 220, eine Bypass-Leitung 230, einen Luftkompressor 240, ein Stromteilerventil 250, ein zufuhrseitiges An-Aus-Ventil 260, ein Druckregelventil 270, ein abführseitiges An-Aus-Ventil 290, einen zufuhrseitigen Drucksensor 280a und einen abführseitigen Drucksensor 280b.
Ein Ende der Kathodengaszufuhrleitung 210 ist mit einem Zufuhreinlass zu der Kathode der Brennstoffzelle 100 verbunden, und die Außenluft wird zu der Kathode der Brennstoffzelle 100 geführt. In der Kathodengaszufuhrleitung 210 sind der Luftkompressor 240, das Stromteilerventil 250, das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 und der zufuhrseitige Drucksensor 280a in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite, auf der die Luft eingeholt wird, vorgesehen. Der Luftkompressor 240 komprimiert die Einlassluft und gibt diese aus. Das Stromteilerventil 250 ist mit der Bypass-Leitung 230 verbunden und reguliert die Strömungsrate des Kathodengases zu der Brennstoffzelle 100 und der Bypass-Leitung 230. Das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 sperrt die Zufuhr des Kathodengases zu der Brennstoffzelle 100. Der zufuhrseitige Drucksensor 280a erfasst den Druck des Gases in dem Zufuhreinlass der Kathode der Brennstoffzelle 100. Die Bypass-Leitung 230 ist mit der Kathodengasabführleitung 220 verbunden. Darüber hinaus ist auf der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors 240 der Kathodengaszufuhrleitung 210 ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Einlassluft, ein Luftdurchsatzmesser zum Erfassen der Menge der Einlassluft, oder dergleichen (nicht gezeigt) vorgesehen.
Das stromaufwärtsseitige Ende der Kathodengasabführleitung 220 ist mit einem Auslass der Kathode der Brennstoffzelle 100 verbunden, und die Kathodengasabführleitung 220 hat einen mit der Bypass-Leitung 230 verbundenen Mittelteil. Die Kathodengasabführleitung 220 führt das aus der Brennstoffzelle 100 abgeführte Kathodenabgas sowie das abgeteilte und in die Bypass-Leitung 230 geleitete Kathodengas (Luft) zum Äußeren ab. In der Kathodengasabführleitung 220 sind der abführseitige Drucksensor 280b, das abführseitige An-Aus-Ventil 290 und das Druckregelventil 270 in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite der Brennstoffzelle 100 vorgesehen. Das Druckregelventil 270 ist näher an der Brennstoffzelle 100 positioniert als der Verbindungsabschnitt zwischen der Kathodengasabführleitung 220 und der Bypass-Leitung 230. Das Druckregelventil 270 reguliert den Druck des in die Brennstoffzelle 100 zugeführten Kathodengases. Das abführseitige An-Aus-Ventil 290 riegelt das Kathodenabgas gegenüber der Brennstoffzelle 100 ab. Der abführseitige Drucksensor 280b erfasst den Druck des Gases am Auslass der Kathode der Brennstoffzelle 100. Obzwar in der Zeichnung nicht gezeigt, ist die Kathodengasabführleitung 220 auf der stromabwärtigen Seite mit dem stromabwärtigen Abschnitt der Auslass- und Ablassleitung 390 der Anodengaszufuhreinheit 300 verbunden und führt das verbleibende Gas und das flüssige Wasser, welche aus der Auslass- und Ablassleitung 390 abgeführt werden, zum Äußeren.
Die Kathodengaszufuhreinheit 200 leitet Luft (Kathodengas) anhand des Luftkompressors 240 in das Innere des Systems ein, führt die Luft der Brennstoffzelle 100 zu und führt dann unbenutzte Luft (Kathodenabgas) zum Äußeren des Systems ab. Wie später beschrieben wird, stoppt die Kathodengaszufuhreinheit 200 zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems 10 die Kathodengaszufuhr aus der Kathodengaszufuhreinheit 200 zu der Kathode der Brennstoffzelle 100, indem sie das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 und das abführseitige An-Aus-Ventil 290 schließt, und riegelt das Kathodenabgas gegenüber der Kathode der Brennstoffzelle 100 ab. Diese Konfiguration erlaubt ein Abschotten der Kathode der Brennstoffzelle 100, während das Brennstoffzellensystem 10 gestoppt wird. Der Luftkompressor 240, das Stromteilerventil 250, das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260, das Druckregelventil 270 und das abführseitige An-Aus-Ventil 290 werden von dem FC-Steuergerät 720 gesteuert.
Die FC-Kühleinheit 400 kühlt die Brennstoffzelle 100. Die FC-Kühleinheit 400 beinhaltet eine Kühlmittelzufuhrleitung 410, eine Kühlmittelabführleitung 420, einen Kühler 430, eine Bypass-Leitung 440, ein Drei-Wege-Ventil 450 und eine Kühlmittelpumpe 460. Beispiele für das zu verwendende Kühlmittel beinhalten Wasser, Frostschutzmittel wie etwa Ethylenglycol, und Luft. Die vorliegende Ausführungsform verwendet eine Frostschutzmittellösung. Beispielsweise ist der Kühler 430 am vorderen Ende eines vorderen Raums eines Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem 10 aufgenommen ist, angeordnet und kühlt das von der Abgaswärme der Brennstoffzelle 100 erwärmte und durch die Kühlmittelabführleitung 420 abgeführte Kühlmittel anhand von Kühlluft, die von der Vorderseite eingeholt wird. Die Kühlmittelpumpe 460 ist auf der Kühlmittelzufuhrleitung 410 vorgesehen und führt das von dem Kühler 430 gekühlte Kühlmittel der Brennstoffzelle 100 zu. Das Drei-Wege-Ventil 450 reguliert die Strömungsrate des Kühlmittels zu dem Kühler 430 und der Bypass-Leitung 440. Der Kühler 430, das Drei-Wege-Ventil 450 und die Kühlmittelpumpe 460 werden von dem FC-Steuergerät 720 gesteuert.
Der DC/DC-Wandler 500 erhöht die aus der Brennstoffzelle 100 ausgegebene Spannung unter der Steuerung des DC-Steuergeräts 730 und führt die erhöhte Spannung der PCU 600 zu. Die PCU 600 hat in ihrem Inneren einen Wechselrichter und führt einer Last (nicht gezeigt) unter der Steuerung des LD-Steuergeräts 740 Leistung zu.
Der FC-Spannungssensor 514 erfasst die Ausgangsspannung (nachstehend auch als „FC-Spannung“ bezeichnet) Vfc der Brennstoffzelle 100. Der FC-Stromsensor 512 erfasst den Ausgangsstrom (nachstehend auch als „FC-Strom“ bezeichnet) Ifc der Brennstoffzelle 100. Der Wert der erfassten FC-Spannung Vfc und der Wert des erfassten FC-Stroms Ifc werden von dem FC-Steuergerät 720 erlangt und zum Steuern des FC-Steuergeräts 720 und des DC-Steuergeräts 730 verwendet.
Das SYS-Steuergerät 710 ist ein allgemeines Steuergerät zum allgemeinen Steuern des FC-Steuergeräts 720, des DC-Steuergeräts 730 und des LD-Steuergeräts 740, um den Betrieb der Einheiten in dem Brennstoffzellensystem 10 zu steuern.
Das FC-Steuergerät 720 steuert die Kathodengaszufuhreinheit 200, die Anodengaszufuhreinheit 300 und die FC-Kühleinheit 400 gemäß der Anweisung von dem SYS-Steuergerät 710, um den Betrieb (Leistungserzeugung) und das Stoppen der Brennstoffzelle 100 zu steuern. Insbesondere führt das FC-Steuergerät 720 zum Zeitpunkt des Stoppens der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 durch Stoppen des Brennstoffzellensystems 10 einen später zu beschreibenden Sauerstoffverbrauchsprozess aus.
Das DC-Steuergerät 730 steuert den DC/DC-Wandler 500 gemäß der Anweisung von dem SYS-Steuergerät 710 und dem FC-Steuergerät 720. Das LD-Steuergerät 740 steuert die PCU 600 gemäß der Anweisung von dem SYS-Steuergerät 710.
Das SYS-Steuergerät 710, das FC-Steuergerät 720, das DC-Steuergerät 730 und das LD-Steuergerät 740 sind jeweils als ein Computer konfiguriert, der eine CPU, ein RAM und einen nicht flüchtigen Speicher beinhaltet und als eine elektronische Steuereinheit (ECU) definiert werden kann. Die Steuergeräte führen die jeweiligen oben beschriebenen Funktionen aus, indem sie Software, die in ihrem Speicher gespeichert ist, ausführen.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Sauerstoffverbrauchsprozesses zeigt, der zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt wird. Der Sauerstoffverbrauchsprozess wird von dem FC-Steuergerät 720 ausgeführt.
Das FC-Steuergerät 720 wartet, bis eine Stopp-Anweisung AN-geschaltet wird (Schritt S 110). Das FC-Steuergerät 720 bestimmt beispielsweise folgendermaßen, ob die Stopp-Anweisung AN-geschaltet wird oder nicht. In einem Fall, in dem das SYS-Steuergerät 710 ein Stopp-Signal empfängt, das mittels Benutzeraktivierung eines Schalters zum Stoppen des Systems erzeugt wurde, gibt das SYS-Steuergerät 710 die Stopp-Anweisung an das FC-Steuergerät 720 aus. Das FC-Steuergerät 720 bestimmt, dass die Stopp-Anweisung AN-geschaltet ist, indem es die Stopp-Anweisung empfängt.
In einem Fall, in dem die Stopp-Anweisung AN-geschaltet wird (Schritt S 110: JA), schließt das FC-Steuergerät 720 das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 (Schritt S120) und schließt das abführseitige An-Aus-Ventil 290 (Schritt S130), um die Kathode der Brennstoffzelle 100 abzuschotten. In diesem Fall stoppt auch der Betrieb des Luftkompressors 240. Beim Schließen des zufuhrseitigen An-Aus-Ventils 260 ist es wünschenswert, dass das FC-Steuergerät 720 so eingestellt ist, dass es vorab das Stromteilerventil 250 zu der Seite der Bypass-Leitung 230 vollständig öffnet, so dass das Kathodengas nicht von dem Stromteilerventil 250 in das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 strömt.
Das FC-Steuergerät 720 lässt durch Steuern des DC/DC-Wandlers 500 mittels des DC-Steuergeräts 730 Strom bei dem FC-Strom Ifc = a1 aus der Brennstoffzelle 100 durchlaufen (S140), um den Sauerstoffverbrauchsprozess zu starten. Dabei sind die Betriebsbedingungen der Anodengaspumpe 370, des Injektors 360 und des Druckregelventils 350 in der Anodengaszufuhreinheit 300 derart eingestellt, dass die Anodengaszufuhreinheit 300 das zum Durchlaufen des Stroms bei dem FC-Strom Ifc = a1 aus der Brennstoffzelle 100 benötigte Anodengas zuführt. Der Ausdruck „Stromdurchlauf bzw. Durchlaufen von/des Strom(s)“ bedeutet, dass eine vorbestimmte Menge Strom aus der Brennstoffzelle 100 zum Durchlaufen veranlasst wird.
Dann misst das FC-Steuergerät 720 den Kathodendruck Pca und bestimmt, ob der Kathodendruck Pca um mehr als einen Bestimmungsschwellenwert Pth größer geworden ist als der geschätzte Druckwert Pox oder nicht (Schritt S 150). Konkret bestimmt das FC-Steuergerät 720, ob die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer geworden ist als der Bestimmungsschwellenwert Pth oder nicht. Der Kathodendruck Pca wird durch Mitteln des von dem zufuhrseitigen Drucksensor 280a gemessenen Druckwerts P1 und des von dem abführseitigen Drucksensor 280b gemessenen Druckwerts P2 erhalten. Der von dem zufuhrseitigen Drucksensor 280a gemessene Druckwert P1 und der von dem abführseitigen Drucksensor 280b gemessene Druckwert P2 sind prinzipiell gleich. Da jedoch im Zuge der Sauerstoffverbrauchsreaktion eine gewisse Abweichung und Messfehler auftreten können, kann ein Mitteln der jeweiligen Werte die Messgenauigkeit verbessern.
Sofern die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox kleiner oder gleich dem Bestimmungsschwellenwert Pth ist (Schritt S150: NEIN), lässt das FC-Steuergerät 720 in Schritt S140 weiterhin den Strom durchlaufen. Hingegen stoppt das FC-Steuergerät 720 das Durchlaufen des FC-Stroms (Schritt S160) und beendet den Sauerstoffverbrauchsprozess an dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer wird als der Bestimmungsschwellenwert Pth, mit anderen Worten an dem Zeitpunkt, an dem der Kathodendruck Pca um mehr als den Bestimmungsschwellenwert Pth größer wird als der geschätzte Druckwert Pox (Schritt S150: JA).
3 ist ein Graph, der zeigt, wie sich die FC-Spannung Vfc und der Kathodendruck Pca in dem Sauerstoffverbrauchsprozess verändern. 3 zeigt die FC-Spannung Vfc (dicke unterbrochene Linie in 3) und den Kathodendruck (Ca-Druck) Pca (dicke durchgezogene Linie in 3), welche unter der Bedingung gemessen wurden, dass mit dem Durchlaufen des Stroms bei dem FC-Strom Ifc = a1 begonnen wird, während die Kathode abgeschottet ist, und der Strom kontinuierlich durchgefahren wird, bis sich die entsprechend abgesenkte FC-Spannung Vfc einem Wert nahe 0 V (beispielsweise einem Wert von 0,1 V oder weniger), der getrost als 0 V gelten kann, nähert. Die Messung der FC-Spannung Vfc und des Kathodendrucks Pca wird in einem vorbestimmten Messintervall wiederholt.
Die Reaktionsformel, wenn in der Kathode eingeschlossener Sauerstoff als Reaktion auf den Stromdurchlauf verbraucht wird, ist in der folgenden Formel (1) gezeigt, und 1 Mol Sauerstoff wird für 4 Mol elektrische Ladung verbraucht. $O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$
Die Reaktionsformel, wenn durch die Reaktion an der Kathode der Pumpwasserstoff erzeugt wird, ist wie in der folgenden Formel (2) gezeigt, und 1 Mol Wasserstoff wird für 2 Mol elektrische Ladung verbraucht. $2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}$
Die Menge des Sauerstoffverbrauchs und der durch den Stromdurchlauf bedingten Wasserstofferzeugung kann aus dem FC-Strom = Ifc, bei dem der Strom durchgefahren wird, und den Reaktionsformeln (1) und (2) geschätzt werden. Da das Volumen der abgeschotteten Kathode und der anfängliche Kathodendruck bereits bekannt sind, können die Sauerstoffverbrauchsmenge und die Wasserstofferzeugungsmenge in Druck umgewandelt werden. Unter der Annahme, dass alle elektrischen Ladungen zum Verbrauch des Sauerstoffs verwendet werden, verändert sich der durch den Sauerstoffverbrauch bedingte geschätzte Druckwert der Kathode (nachstehend auch als „Sauerstoffverbrauchsdruck“ bezeichnet) Pox wie durch die Kettenlinie in 3 gezeigt. Unter der Annahme, dass alle elektrischen Ladungen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden, verändert sich der durch die Wasserstofferzeugung bedingte geschätzte Druckwert der Kathode (nachstehend auch als „Wasserstofferzeugungsdruck“ bezeichnet) Phg wie durch die Zwei-Punkt-Kettenlinie in 3 gezeigt.
Der gemessene Kathodendruck Pca zeigt in dem Graphen eine konvexe Tendenz nach rechts unten. Der Zustand des Kathodendrucks Pca lässt sich in drei Zustände einteilen, einen Druckabfallzustand in der ersten Phase des Prozesses, einen Druckgleichgewichtszustand in der mittleren Phase des Prozesses und einen Druckerhöhungszustand in der letzten Phase des Prozesses. Der Druckabfallzustand ist ein Zustand, in dem der Druck abnimmt, wenn die Zahl von Sauerstoffmolekülen bedingt durch die Sauerstoffverbrauchsreaktion abnimmt, und der Kathodendruck Pca im Wesentlichen mit dem Sauerstoffverbrauchsdruck Pox übereinstimmt. In dem Druckgleichgewichtszustand nimmt die Erzeugungsmenge des Pumpwasserstoffs zu, wohingegen die Sauerstoffverbrauchsreaktionsrate abnimmt, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt. Dies führt zu einer Druckabnahme mit einem sanften Gradienten. Der Druckerhöhungszustand ist ein Zustand, in dem die Erzeugung des Pumpwasserstoffs dominant wird, was den Druck veranlasst anzusteigen, und der Kathodendruck Pca im Wesentlichen mit dem Wasserstofferzeugungsdruck Phg übereinstimmt.
Daher ist es durch Erfassen der Grenze zwischen dem Druckabfallzustand und dem Druckgleichgewichtszustand möglich, den Zeitpunkt zu erfassen, an dem die Sauerstoffkonzentration der Kathode ein niedriges Niveau erreicht und die Erzeugung des Pumpwasserstoffs beginnt. Wenn der Sauerstoffverbrauchsprozess bis zu diesem Zeitpunkt ausgeführt wird, kann der Sauerstoffverbrauchsprozess wirksam ausgeführt werden, während die Erzeugung des Pumpwasserstoffs unterdrückt wird. Die Erfassung der Grenze zwischen dem Druckabfallzustand und dem Druckgleichgewichtszustand kann beispielsweise durch Erfassen desjenigen Zeitpunkts ausgeführt werden, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem Sauerstoffverbrauchsdruck (geschätzten Druckwert) Pox größer wird als der Bestimmungsschwellenwert Pth.
In dem Sauerstoffverbrauchsprozess (Schritt S150) wird die Grenze zwischen dem Druckabfallzustand und dem Druckgleichgewichtszustand (als dem Zeitpunkt, an dem die Sauerstoffkonzentration ein niedriges Niveau erreicht und die Erzeugung des Pumpwasserstoffs beginnt) durch Erfassen desjenigen Zeitpunkts (des Zeitpunkts tn in 3), an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert (Sauerstoffverbrauchsdruck) Pox größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert Pth, erfasst. Der Bestimmungsschwellenwert Pth kann als ein Wert eingestellt werden, der größer ist als der Messfehler ε eines Drucksensors, der zum Messen des Kathodendrucks Pca verwendet wird, das heißt, des zufuhrseitigen Drucksensors 280a und des abführseitigen Drucksensors 280b in der vorliegenden Ausführungsform, und kann unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors Sp auf Pth = ε · Sp eingestellt werden. Es ist wünschenswert, dass der Sicherheitsfaktor Sp in dem Bereich von 1 < Sp ≤ 2, bevorzugter in dem Bereich von 1 < Sp ≤ 1,5, und noch stärker bevorzugt in dem Bereich von 1 < Sp ≤ 1,2 liegt. Der Bestimmungsschwellenwert Pth kann in dem nicht flüchtigen Speicher des FC-Steuergeräts 720 gespeichert werden.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform der Sauerstoffverbrauchsprozess zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt, bis der Kathodendruck Pca an der abgeschotteten Kathode um mehr als den Bestimmungsschwellenwert Pth größer wird als der geschätzte Druckwert Pox. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass der Sauerstoffverbrauchsprozess ausreichend ausgeführt wird, bis die in der abgeschotteten Kathode verbleibende Sauerstoffkonzentration ein niedriges Niveau erreicht, und die Erzeugung des Pumpwasserstoffs weiter unterdrückt wird, indem der Sauerstoffverbrauchsprozess zum Zeitpunkt der Erzeugung des Pumpwasserstoffs aufgrund der niedrigen Sauerstoffkonzentration (Anfangsphase der Erzeugung) beendet wird.
B. Zweite Ausführungsform
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10B in der zweiten Ausführungsform zeigt. In dem Brennstoffzellensystem 10B ist die Kathodengaszufuhreinheit 200 (1) des Brennstoffzellensystems 10 durch eine Kathodengaszufuhreinheit 200B ersetzt, die nicht den zufuhrseitigen Drucksensor 280a und den abführseitigen Drucksensor 280b aufweist, und der Sauerstoffverbrauchsprozess durch das FC-Steuergerät 720 wird anders ausgeführt, wie später beschrieben wird. Die übrige Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10B ist gleich jener des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform.
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Sauerstoffverbrauchsprozesses zeigt, der zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems 10B ausgeführt wird. Die Verarbeitung wird von dem FC-Steuergerät 720 ausgeführt.
Analog zu dem Sauerstoffverbrauchsprozess (2) der ersten Ausführungsform schließt in einem Fall, in dem die Stopp-Anweisung AN-geschaltet wird (Schritt S110: JA), das FC-Steuergerät 720 das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 und das abführseitige An-Aus-Aus-Ventil 290 (Schritt S120, S130), schottet die Kathode der Brennstoffzelle 100 ab und startet den Sauerstoffverbrauchsprozess durch Veranlassen des Durchlaufens des Stroms aus der Brennstoffzelle 100 bei dem FC-Strom Ifc = a1 (Schritt S140).
Dann misst das FC-Steuergerät 720 die FC-Spannung Vfc und bestimmt, ob die FC-Spannung Vfc kleiner geworden ist als ein vorbestimmter Spannungsschwellenwert Vth oder nicht (Schritt S150b). Die FC-Spannung Vfc wird durch den FC-Spannungssensor 514 gemessen (4). Sofern die FC-Spannung Vfc kleiner oder gleich dem Spannungsschwellenwert Vth ist (Schritt S150b: NEIN), setzt das FC-Steuergerät 720 den Stromdurchlauf in Schritt S140 fort. Hingegen stoppt das FC-Steuergerät 720 zu dem Zeitpunkt, an dem die FC-Spannung Vfc größer wird als der Spannungsschwellenwert Vth (Schritt S150b: JA), das Durchlaufen des FC-Stroms (Schritt S160) und beendet den Sauerstoffverbrauchsprozess.
6 ist ein Graph, der zeigt, wie sich der Kathodendruck Pca und die FC-Spannung Vfc in dem Sauerstoffverbrauchsprozess verändern. In 6 sind die FC-Spannung Vfc, der Kathodendruck Pca, der Sauerstoffverbrauchsdruck Pox und der Wasserstofferzeugungsdruck Phg gleich jenen in 3, mit Ausnahme einer später beschriebenen FC-Spannung Vfcv.
Wie in 4 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 10B der zweiten Ausführungsform nicht mit dem zufuhrseitigen Drucksensor 280a und dem abfuhrseitigen Drucksensor 280b zum Messen des Kathodendrucks Pca versehen. Daher kann das Brennstoffzellensystem 10B der zweiten Ausführungsform die Grenze zwischen dem Druckabfallzustand und dem Druckgleichgewichtszustand, die durch Messen des Kathodendrucks Pca erhalten wird, das heißt, den Zeitpunkt, an dem der Sauerstoff der abgeschotteten Kathode ein niedriges Niveau erreicht und die Erzeugung des Pumpwasserstoffs beginnt, anders als in der ersten Ausführungsform nicht erfassen.
Bei schwerpunktmäßiger Betrachtung der FC-Spannung Vfc, wie in 6 gezeigt, nimmt die FC-Spannung Vfc in Entsprechung zu der durch den Sauerstoffverbrauch bedingten Abnahme des Kathodendrucks Pca monoton ab. In Schritt S150b von 5 wird, wie in 6 gezeigt, der Spannungswert Vfc1 der FC-Spannung Vfc an einem Zeitpunkt tn, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer oder gleich dem Bestimmungsschwellenwert Pth wird, als der Spannungsschwellenwert Vth eingestellt, und das FC-Steuergerät 720 erfasst den Zeitpunkt, an dem die FC-Spannung Vfc geringer wird als der Spannungsschwellenwert Vth. Diese Konfiguration ermöglicht es dem FC-Steuergerät 720, den Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer wird als der Bestimmungsschwellenwert Pth, indirekt zu erfassen.
Der Spannungsschwellenwert Vth kann, wie nachstehend beschrieben, vorab erlangt und in dem nicht flüchtigen Speicher des FC-Steuergeräts 720 gespeichert werden. Zuerst wird mindestens einer aus dem zufuhrseitigen Drucksensor 280a und dem abführseitigen Drucksensor 280b, welche gleich jenen des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform sind, in dem Brennstoffzellensystem 10B der zweiten Ausführungsform angeordnet (1). Dann, analog zu dem Sauerstoffverbrauchsprozess (2) in der ersten Ausführungsform, führt das FC-Steuergerät 720, während das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 und das abführseitige An-Aus-Ventil 290 geschlossen sind, um die Kathode abzuschotten, den Sauerstoffverbrauchsprozess aus, um die Veränderungen der FC-Spannung Vfc und des Kathodendrucks Pca zu messen und den entsprechenden Sauerstoffverbrauchsdruck Pox zu erhalten (siehe 6). Dann erlangt das FC-Steuergerät 720 den Wert Vfc1 der FC-Spannung Vfc an dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer oder gleich dem Bestimmungsschwellenwert Pth wird (siehe 6) und stellt den Wert als den Spannungsschwellenwert Vth ein. Diese Konfiguration ermöglicht es dem FC-Steuergerät 720, den Spannungsschwellenwert Vth vorab zu erhalten.
Wie oben beschrieben, wird in der zweiten Ausführungsform der Sauerstoffverbrauchsprozess zum Zeitpunkt des Stoppens des Brennstoffzellensystems 10B bis zu dem Zeitpunkt ausgeführt, an dem die FC-Spannung Vfc geringer wird als der Spannungsschwellenwert Vth. Diese Konfiguration ermöglicht es dem FC-Steuergerät 720, den Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer als ein Bestimmungsschwellenwert Pth in der abgeschotteten Kathode wird, zu erfassen und so den Sauerstoffverbrauchsprozess bis zu diesem Zeitpunkt auszuführen. Infolgedessen wird es dem FC-Steuergerät 720 wie im Fall der ersten Ausführungsform ermöglicht, den Sauerstoffverbrauchsprozess ausreichend auszuführen, bis die in der abgeschotteten Kathode verbleibende Sauerstoffkonzentration ein niedriges Niveau erreicht, und den Sauerstoffverbrauchsprozess an einem Zeitpunkt zu beenden, an dem die Erzeugung des Pumpwasserstoffs bedingt durch das Erreichen einer niedrigen Sauerstoffkonzentration beginnt (Anfangsphase der Erzeugung), wodurch eine weitere Unterdrückung der Erzeugung des Pumpwasserstoffs erreicht wird.
Es gibt Fälle, in denen die Spannungsänderung in den Einheitszellen durch eine charakteristische Variation in der Mehrzahl von Einheitszellen, welche die Brennstoffzelle 100 bilden, verursacht wird, die folglich in einer Veränderung der FC-Spannung Vfc resultiert. Beispielsweise wird in einem Fall, in dem die Spannung der Brennstoffzelle 100 schneller abnimmt als die FC-Spannung Vfc, wie als die FC-Spannung Vfcv (lange unterbrochene Linie) in 6 gezeigt, die FC-Spannung Vfcv der Spannungswert Vfc2, der geringer ist als der Spannungswert Vfcl, der dem Zeitpunkt tn entspricht, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer oder gleich dem Bestimmungsschwellenwert Pth wird. In diesem Fall kann in einem Fall, in dem die Bestimmung in Schritt S150b von 5 gemäß dem auf den Spannungswert Vfc1 eingestellten Spannungsschwellenwert Vth durchgeführt wird, der Sauerstoffverbrauchsprozess an dem Zeitpunkt enden, der früher ist als der ursprüngliche Zeitpunkt tn, und die Prozesszeit verkürzen, was folglich die Sauerstoffverbrauchsmenge verringern kann. Umgekehrt, obzwar nicht in Zeichnungen gezeigt, kann in einem Fall, in dem der Gradient der Spannungsabnahme sanft wird, die Behandlungszeit verlängert und somit die erzeugte Menge Pumpwasserstoff erhöht werden.
Wie oben beschrieben, kann in dem Sauerstoffverbrauchsprozess der zweiten Ausführungsform eine Schwankung der Behandlungszeit auftreten, und somit kann die Wirkung des Sauerstoffverbrauchsprozesses, die unter dem Gesichtspunkt des ausreichenden Sauerstoffverbrauchsprozesses und einer Unterdrückung der Erzeugung des Pumpwasserstoffs erhalten wird, im Vergleich zu dem Sauerstoffverbrauchsprozess der ersten Ausführungsform abgeschwächt werden. Jedoch ermöglicht der Sauerstoffverbrauchsprozess der zweiten Ausführungsform, anders als die erste Ausführungsform, eine Erfassung des Zeitpunkts zum Beenden des Sauerstoffverbrauchsprozesses und zum Beenden des Sauerstoffverbrauchsprozesses durch Überwachen der FC-Spannung, ohne dass es erforderlich ist, den Kathodendruck zu messen, um den Sauerstoffverbrauchsdruck (geschätzter Druckwert bedingt durch Sauerstoffverbrauch) zu erhalten. Daher wird selbst in dem Brennstoffzellensystem, das den zufuhrseitigen Drucksensor 280a und den abführseitigen Drucksensor 280b nicht aufweist, wie in der zweiten Ausführungsform, eine leichte Erfassung des Zeitpunkts zum Beenden des Sauerstoffverbrauchsprozesses realisiert.
In der obigen Beschreibung wird der Wert Vfc1 der FC-Spannung Vfc zu dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Kathodendruck Pca und dem geschätzten Druckwert Pox größer oder gleich dem Bestimmungsschwellenwert Pth wird, als der Spannungsschwellenwert Vth eingestellt. Unter Berücksichtigung der Variationen der FC-Spannung Vfc kann der Spannungsschwellenwert unter Verwendung des Sicherheitsfaktors Sv als Vth = Vfc1 · Sv eingestellt werden. Der Sicherheitsfaktor Sv wird unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen der Sauerstoffverbrauchsmenge und der Pumpwasserstofferzeugungsmenge wünschenswerterweise in dem Bereich von 0 < Sv ≤ 1 eingestellt.
C. Andere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und ist in verschiedenen Modi implementierbar, ohne dass von ihrem Kern abgewichen wird, und ist beispielsweise in den folgenden Formen implementierbar.

(1) In den obigen Ausführungsformen kann in der Kathodengaszufuhrleitung 210 in einem Fall, in dem das Stromteilerventil 250 den Strom des Kathodengases von dem Stromteilerventil 250 zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle 100 sperren kann, das Stromteilerventil 250 als ein zufuhrseitiges An-Aus-Ventil verwendet werden, und das zufuhrseitige An-Aus-Ventil 260 kann entfallen. Analog kann in der Kathodengasabführleitung 220 in einem Fall, in dem das Druckregelventil 270 den Strom des Kathodenabgases zu einer stromabwärtigen Seite des Druckregelventils 270 sperren kann, das Druckregelventil 270 auch als ein abführseitiges An-Aus-Ventil verwendet werden, und das abführseitige An-Aus-Ventil 290 kann entfallen.
(2) Die beschriebenen obigen Ausführungsformen besaßen eine Konfiguration, bei der das FC-Steuergerät 720 zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle 100, das DC-Steuergerät 730 zum Steuern des Betriebs des DC/DC-Wandlers 500, das LD-Steuergerät 740 zum Steuern des Betriebs der PCU 600 und das SYS-Steuergerät 710 zum allgemeinen Steuern der oben beschriebenen Steuergeräte 720, 730, 740 separat vorgesehen sind. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch eine Konfiguration einsetzen, in der das SYS-Steuergerät die Steuergeräte 720, 730, 740 beinhaltet.
(3) In der ersten Ausführungsform wurde beschrieben, dass der Kathodendruck Pca durch Mitteln des durch den zufuhrseitigen Drucksensor 280a gemessenen Druckwerts P1 und des durch den abfuhrseitigen Drucksensor 280b gemessenen Druckwerts P2 erhalten werden kann. Wie oben beschrieben, sind der durch den zufuhrseitigen Drucksensor 280a gemessene Druckwert P1 und der durch den abfuhrseitigen Drucksensor 280b gemessene Druckwert P2 prinzipiell gleich. Als der Kathodendruck Pca kann der durch den abfuhrseitigen Drucksensor 280b gemessene Druckwert P2 oder der durch den zufuhrseitigen Drucksensor 280a gemessene Druckwert P1 eingestellt werden. Der nicht zum Messen des Kathodendrucks Pca verwendete Sensor kann entfallen.
(4) In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein an dem Fahrzeug montiertes Brennstoffzellensystem beispielhaft beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt und ist auch auf ein Brennstoffzellensystem anwendbar, das an verschiedenen beweglichen Objekten, wie etwa einem Schiff und einem Flugzeug, welche elektrische Leistung als eine Leistungsquelle einer Leistungserzeugungsvorrichtung (eines Antriebsmotors) verwenden, montiert ist. Die vorliegende Erfindung ist auf ein Brennstoffzellensystem anwendbar, das an einem beweglichen Objekt montiert ist, und auch auf ein ortsfestes Brennstoffzellensystem.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und modifizierten Beispiele beschränkt und ist in verschiedenen Konfigurationen realisierbar, ohne dass von ihrem Kern abgewichen wird. Beispielsweise kann gegebenenfalls eine Ersetzung, Kombination oder dergleichen vorgenommen werden, um einige oder alle der obengenannten Probleme zu lösen oder um alle oder einige der obengenannten Wirkungen zu erzielen, wobei die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, Beispielen und Modifikationsbeispielen den technischen Merkmalen in jeder Ausführungsform entsprechen, die in der Kurzfassung der Erfindung beschrieben ist. Sofern technische Merkmale nicht in der Beschreibung als unerlässlich beschrieben sind, können sie gegebenenfalls gestrichen werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle (100), die anhand einer Reaktion zwischen einem Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und einem Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird, Leistung erzeugt; eine Anodengaszufuhreinheit (300), die konfiguriert ist, um das Brenngas der Anode zuzuführen; eine Kathodengaszufuhreinheit (200), die konfiguriert ist, um das Oxidationsgas der Kathode zuzuführen; ein zufuhrseitiges An-Aus-Ventil (260), das konfiguriert ist, um die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Kathode durch die Kathodengaszufuhreinheit (200) zu stoppen; ein abführseitiges An-Aus-Ventil (290), das konfiguriert ist, um Kathodenabgas, das aus der Kathode abgeführt wird, abzuriegeln; und ein Steuergerät (720), das konfiguriert ist, um die Anodengaszufuhreinheit (300), die Kathodengaszufuhreinheit (200), das zufuhrseitige An-Aus-Ventil (260) und das abführseitige An-Aus-Ventil (290) zu steuern, um die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (100) zu steuern, wobei das Steuergerät (720) konfiguriert ist, um zum Stoppen des Brennstoffzellensystems (a) einen Oxidationsgasverbrauchsprozess auszuführen durch Zuführen des Brenngases zu der Anode und Veranlassen von Strom aus der Brennstoffzelle (100) durchzulaufen, während das zufuhrseitige An-Aus-Ventil (260) und das abführseitige An-Aus-Ventil (290) geschlossen sind, um das verbleibende Oxidationsgas in der Kathode einzuschließen, und (b) das Durchlaufen des Stroms an einem Zeitpunkt zu stoppen, an dem eine Differenz zwischen einem Druck der Kathode, der als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, und einem geschätzten Druckwert der Kathode, der durch Verbrauch des in der Kathode verbleibenden Oxidationsgases als Reaktion auf das Durchlaufen des Stroms abnimmt, größer wird als ein vorbestimmter Bestimmungsschwellenwert, um den Oxidationsgasverbrauchsprozess zu beenden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (720) konfiguriert ist, um als einen Spannungsschwellenwert eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle entsprechend dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Druck der Kathode, der als Reaktion auf das Durchlaufenlassen des Stroms abnimmt, und dem geschätzten Druckwert der Kathode größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert, vorab zu speichern, und den Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen dem Druck der Kathode und dem geschätzten Druckwert der Kathode größer wird als der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert, durch Erfassen eines Zeitpunkts, an dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) geringer wird als der Spannungsschwellenwert, zu erfassen, um das Durchlaufen des Stroms zu stoppen.