DE102018131035A1

DE102018131035A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zur steuerung eines brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102018131035A1
Application number: DE102018131035.8A
Authority: DE
Inventors: Shinji Minami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-06-19
Also published as: US11069911B2; US20190190046A1; JP2019110037A; JP6943170B2; CN110034317A; CN110034317B

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (30) umfasst: eine Brennstoffzelle (100); einen Spannungsregler (104), der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) regelt; und ein Steuergerät (200), das ausgelegt ist zum Durchführen eines Auffrischungsprozesses zur Absenkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) auf eine Reduktionsspannung, bei der ein auf der Kathode ausgebildeter Oxidfilm reduziert wird, durch Steuerung des Spannungsreglers (104). Das Steuergerät (200) berechnet vor dem Auffrischungsprozess eine erste Menge, wobei die erste Menge eine Menge ist, um die der Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist. Das Steuergerät (200) bestimmt als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) eine Auffrischspannung, die ein Abtragen der ersten Menge des Oxidfilms innerhalb einer voreingestellten Referenzzeit ermöglicht. Das Steuergerät (200) betreibt den Spannungsregler (104) so, dass bewirkt wird, dass bei Durchführung des Auffrischungsprozesses die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) die Auffrischspannung wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems.
Beschreibung der verwandten Technik
In einem länger laufenden Stromerzeugungsprozess einer Brennstoffzelle kann es zu Fällen kommen, in denen die elektrische Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle allmählich abfällt. Als eine der Ursachen für den oben beschriebenen Abfall der elektrischen Stromerzeugungsleistung ist ein Phänomen bekannt, bei dem infolge der Stromerzeugung in einer Katalysatorschicht, die in einer Kathode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, ein Oxidfilm ausgebildet wird. Als ein Verfahren zum Entfernen des Oxidfilms zur Wiederherstellung der elektrischen Stromerzeugungsleistung ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Prozess zur Verminderung einer Spannung der Brennstoffzelle zur Reduzierung des Oxidfilms (Auffrischungsprozess) durchgeführt wird (siehe zum Beispiel WO 2013/128610 ).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Falls sich im Auffrischungsprozess die Spannung der Brennstoffzelle stark ändert, kann die elektrische Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle in einigen Fällen noch weiter abfallen, so dass eine weitere Optimierung der Bedingungen des Auffrischungsprozesses wünschenswert ist.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine Anode und eine Kathode aufweist; einen Spannungsregler, der ausgelegt ist zum Regeln einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; und ein Steuergerät, das ausgelegt ist zum Durchführen eines Auffrischungsprozesses zur Absenkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine Reduktionsspannung, bei der ein auf der Kathode ausgebildeter Oxidfilm reduziert wird, durch Steuerung des Spannungsreglers. Das Steuergerät ist dazu ausgelegt, vor dem Auffrischungsprozess anhand der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und einer Zeit eine erste Menge zu berechnen. Die erste Menge ist eine Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist. Das Steuergerät ist dazu ausgelegt, vor dem Auffrischungsprozess als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine Auffrischspannung zu bestimmen, die ein Abtragen der ersten Menge des Oxidfilms innerhalb einer voreingestellten Referenzzeit ermöglicht. Das Steuergerät ist ausgelegt zum Betreiben des Spannungsreglers, um zu bewirken, dass bei Durchführung des Auffrischungsprozesses die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zur Auffrischspannung wird. Mit dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Aspekt der Erfindung können die Bedingungen des Auffrischungsprozesses weiter optimiert werden. Im Brennstoffzellensystem nach dem ersten Aspekt der Erfindung bestimmt das Steuergerät bei Durchführung des Auffrischungsprozesses insbesondere die Auffrischspannung dergestalt, dass das Abtragen der vom Steuergerät berechneten ersten Menge innerhalb der voreingestellten Referenzzeit durchgeführt werden kann. Im Vergleich zu dem Fall, dass die erste Menge des Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess über einen längeren Zeitraum als die Referenzzeit entfernt wird, kann deshalb eine auffrischungsbedingte Verschlechterung der Kathode vermindert werden und infolgedessen eine auffrischungsbedingte Verschlechterung der elektrischen Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle vermindert werden.
Das Steuergerät kann ausgelegt sein zum Berechnen der ersten Menge dergestalt, dass eine Menge, die einen vor Durchführung des Auffrischungsprozesses auf der Kathode ausgebildeten Teil des Oxidfilms verursacht, nach Durchführung des Auffrischungsprozesses auf der Kathode verbleibt. Auf die oben beschriebene Weise ist es möglich, eine fortschreitende Verschlechterung der Kathode infolge der durch den Auffrischungsprozess von der Kathode überschüssig entfernten Menge und einen weiteren Abfall der elektrischen Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle zu vermindern.
Das Steuergerät kann ausgelegt sein zum Berechnen einer zweiten Menge, die eine Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms ist, und Berechnen der ersten Menge durch Subtrahieren einer dritten Menge von der zweiten Menge, wobei die dritte Menge im Voraus als eine Menge des Teils des Oxidfilms bestimmt wird, der nach dem Auffrischungsprozess verbleiben soll, um eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu vermindern. Auf die oben beschriebene Weise kann die Wirkung der weiteren Verminderung der auffrischungsbedingten Verschlechterung der Kathode weiter verstärkt werden.
Das Steuergerät kann ausgelegt sein zum Berechnen der dritten Menge, indem eine Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abgetragen wird, wenn der Auffrischungsprozess bei einer vorherbestimmten unteren Grenzspannung und über eine vorherbestimmte untere Grenzzeit durchgeführt wird, von einem Höchstwert einer Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms subtrahiert wird. Auf die oben beschriebene Weise kann die Wirkung der weiteren Verminderung der auffrischungsbedingten Verschlechterung der Kathode weiter verstärkt werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner umfassen: einen Spannungssensor, der ausgelegt ist zum Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; ein Zeitglied, das ausgelegt ist zum Messen einer Haltezeit, über welche die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einem konstanten Wert gehalten wird; einen ersten Speicherbereich, der ausgelegt ist zum Speichern einer ersten Beziehung, die eine Beziehung ist zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, der Haltezeit und einer ausgebildeten Menge des Oxidfilms ist; und einen zweiten Speicherbereich, der ausgelegt ist zum Speichern einer zweiten Beziehung, die eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, der Haltezeit und einer Menge, um die der ausgebildete Oxidfilm abgetragen wird. Das Steuergerät kann ausgelegt sein zum Berechnen der zweiten Menge durch Berechnen und Integrieren der Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms über die Zeit und der Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abgetragen wird, anhand der erfassten Ausgangsspannung, der gemessenen Haltezeit, der ersten Beziehung und der zweiten Beziehung. Auf die oben beschriebene Weise kann die auf der Kathode ausgebildete Menge des Oxidfilms genau berechnet werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen dritten Speicherbereich umfassen, der ausgelegt ist zum Speichern einer dritten Beziehung, die eine Beziehung ist zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bei Durchführung des Auffrischungsprozesses, einer Zeit, während welcher der Auffrischungsprozess durchgeführt wird, und einer Menge, um die der Oxidfilm durch den Auffrischungsprozess abgetragen wird. Das Steuergerät kann ausgelegt sein zum Bestimmen der Auffrischspannung, die ein Entfernen der ersten Menge des Oxidfilms von der Kathode innerhalb der Referenzzeit ermöglicht, anhand der dritten Beziehung. Auf die oben beschriebene Weise kann das Steuergerät die Ausgangsspannung zum Entfernen der Menge des Oxidfilms, die vom Steuergerät als die während der Referenzzeit von der Kathode abzutragende erste Menge des Oxidfilms berechnet wird, zweckmäßig bestimmen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle umfasst, die eine Elektrolytmembran, eine Anode und eine Kathode aufweist. Das Steuerungsverfahren umfasst das Berechnen einer ersten Menge anhand einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und einer Zeit, während der elektrischer Strom von der Brennstoffzelle abgegeben wurde. Die erste Menge ist eine Menge, um die ein Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist. Das Steuerungsverfahren umfasst das Bestimmen einer Auffrischspannung, die eine Reduktion und Abtragung der ersten Menge des Oxidfilms innerhalb einer voreingestellten Referenzzeit ermöglicht, als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, und das Regeln der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die Auffrischspannung.
Die Erfindung kann in verschiedenen Formen abweichend von den oben beschriebenen Formen realisiert werden und kann in Formen realisiert werden wie einem bewegten Körper, in dem das Brennstoffzellensystem als Antriebskraftquelle verbaut ist, einem Computerprogramm, das das Steuerungsverfahren realisiert, und einem nichttransitorischen Aufzeichnungsmedium mit dem darauf aufgezeichneten Computerprogramm.
Figurenliste
In der Folge werden Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung unter Verweis auf die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei gilt:

1 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung einer schematischen Ausgestaltung eines Brennstoffzellenfahrzeugs;
2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Prozessroutine zum Entfernen eines Oxidfilms;
3 ist eine erläuternde Darstellung einer zeitlichen Veränderung einer Ausgangsspannung und einer Menge eines Oxidfilms;
4 ist eine erläuternde Darstellung einer zeitlichen Veränderung der Ausgangsspannung und der Menge des Oxidfilms;
5 ist eine erläuternde Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels einer dritten Beziehung;
6A ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels eines Verfahrens zur Ermittlung einer ersten Beziehung;
6B ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels des Verfahrens zur Ermittlung der ersten Beziehung;
7 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels der ersten Beziehung;
8 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels eines Verfahrens zur Ermittlung einer zweiten und einer dritten Beziehung;
9 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels der dritten Beziehung zusammen mit einem Ergebnis einer Lebensdauerprüfung; und
10 ist eine Ansicht zur Darstellung eines zyklischen Voltammogramms einer Brennstoffzelle.

DETAILBESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Übersicht des Brennstoffzellensystems
1 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung einer schematischen Ausgestaltung eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 gemäß einer Ausführungsform. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 umfasst ein an einer Fahrzeugkarosserie 22 montiertes Brennstoffzellensystem 30. Das Brennstoffzellensystem 30 und ein Antriebsmotor 170 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 sind mit einer Verkabelung 178 verbunden, und über die Verkabelung 178 wird elektrischer Strom zwischen dem Brennstoffzellensystem 30 und dem Motor 170 ausgetauscht.
Das Brennstoffzellensystem 30 umfasst eine Brennstoffzelle 100, einen Brenngaszufuhrabschnitt 120, der einen Wasserstoffbehälter 110 aufweist, einen Oxidationsgaszufuhrabschnitt 140, der einen Verdichter 130 aufweist, eine Sekundärbatterie 172, einen DC/DC-Wandler 104, einen DC/DC-Wandler 174 und ein Steuergerät 200. Das Brennstoffzellensystem 30 umfasst ferner einen Kühlmittelumwälzabschnitt (nicht dargestellt), der dafür sorgt, dass ein Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzelle über die Brennstoffzelle umgewälzt wird, um eine Temperatur der Brennstoffzelle 100 in einem vorherbestimmten Bereich zu halten. Im Brennstoffzellensystem 30 können die Brennstoffzelle 100 und die Sekundärbatterie 172 jeweils unabhängig oder gleichzeitig elektrische Leistung zu einem den Motor 170 umfassenden Verbraucher führen.
Die Brennstoffzelle 100 ist als Stapel (Stack) ausgestaltet, der eine Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen aufweist. Die Brennstoffzelle 100 der Ausführungsform ist eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle. In jeder der die Brennstoffzelle 100 bildenden Einheitszellen sind ein Kanal, durch den Wasserstoff zu einer Anodenseite strömt (nachfolgend auch als „anodenseitiger Kanal“ bezeichnet), und ein Kanal, durch den Sauerstoff zu einer Kathodenseite strömt (nachfolgend auch als „kathodenseitiger Kanal“ bezeichnet), mit einer dazwischen liegenden Elektrolytmembran ausgebildet. Die Brennstoffzelle 100 ist über den DC/DC-Wandler 104 und die Verkabelung 178 mit dem den Motor 170 umfassenden Verbraucher verbunden. Eine Spannung der Brennstoffzelle 100 wird durch einen Spannungssensor 102 erfasst. Ein Erfassungssignal des Spannungssensors 102 wird an das Steuergerät 200 ausgegeben.
Eine Funktion des DC/DC-Wandlers 104 besteht im Ändern einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 durch Empfangen eines Steuersignals des Steuergeräts 200. Eine Funktion des DC/DC-Wandlers 104 ist insbesondere das Einstellen der Ausgangsspannung, wenn die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung erzeugt, durch Ändern eines Schaltzyklus eines internen Schaltstromkreises. Eine Funktion des DC/DC-Wandlers 104 besteht darin, die Ausgangsspannung auf eine gewünschte Spannung zu verstärken, wenn die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte elektrische Leistung dem Verbraucher zugeführt wird. In dieser Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler 104 ein Beispiel für einen „Spannungsregler“.
Der im Brenngaszufuhrabschnitt 120 enthaltene Wasserstoffbehälter 110 ist eine Vorrichtung, die ein wasserstoffhaltiges Brenngas speichert. Insbesondere kann der Wasserstoffbehälter beispielsweise ein Wasserstoffgaszylinder, der Hochdruck-Wasserstoffgas speichert, oder ein Behälter sein, der mit einer darin enthaltenen Wasserstoff-Okklusionslegierung versehen ist und Wasserstoff durch Einlagerung von Wasserstoff über die Wasserstoff-Okklusionslegierung speichert. Der Brenngaszufuhrabschnitt 120 umfasst einen Wasserstoff-Zufuhrkanal 121, der sich vom Wasserstoffbehälter 110 zur Brennstoffzelle 100 erstreckt, einen Umwälzkanal 122, durch den ein Anodenabgas zum Wasserstoff-Zufuhrkanal 121 umgewälzt wird, einen Wasserstoff-Abführkanal 123 zum Austragen des Anodenabgases in die Atmosphäre. Im Brenngaszufuhrabschnitt 120 wird der im Wasserstoffbehälter 110 gespeicherte Wasserstoff über ein Ein-Aus-Ventil 124 und ein Druckreduzierventil 125 des Wasserstoff-Zufuhrkanals 121 von einem Injektor 126, der dem Druckreduzierventil 125 abströmseitig nachgeschaltet ist, zum anodenseitigen Kanal der Brennstoffzelle 100 geführt. Die Durchflussmenge des durch den Umwälzkanal 122 strömenden Wasserstoffs wird durch eine Umwälzpumpe 127 gesteuert. Antriebsmengen des Injektors 126 und der Umwälzpumpe 127 werden durch das Steuergerät 200 entsprechend einem Lastbedarf gesteuert.
Eine Teilmenge des durch den Umwälzkanal 122 strömenden Wasserstoffgases unterliegt einer Öffnungs- und Schließverstellung des Ein-Aus-Ventils 129 des Wasserstoff-Abführkanals 123, der vom Umwälzkanal 122 abzweigt, und wird zu einem vorherbestimmten Zeitpunkt in die Atmosphäre abgegeben. Dementsprechend können wasserstofffremde Bestandteile (Wasserdampf, Stickstoff und dergleichen), die im durch den Umwälzkanal 122 strömenden Wasserstoffgas enthalten sind, aus dem Kanal ausgetragen werden, und eine Erhöhung des Anteils von Fremdbestandteilen in dem der Brennstoffzelle 100 zugeführten Wasserstoffgas kann weitergehend vermindert werden. Der Zeitpunkt für das Öffnen und Schließen des Ein-Aus-Ventils 129 wird vom Steuergerät 200 gesteuert.
Der Oxidationsgaszufuhrabschnitt 140 führt ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas (in dieser Ausführungsform Luft) zur Brennstoffzelle 100. Der Oxidationsgaszufuhrabschnitt 140 umfasst neben dem Verdichter (Kompressor) 141 einen Luftkanal 141 und einen Abluftkanal 142. Die vom Verdichter 130 angesaugte Luft wird aus dem Luftkanal 141 zum kathodenseitigen Kanal in der Brennstoffzelle 100 geführt. Ein aus der Brennstoffzelle 100 ausgetragenes Kathodenabgas wird über den Abluftkanal 142 an die Atmosphäre abgegeben. Der Wasserstoff-Abführkanal 123 ist mit dem Abluftkanal 142 verbunden, und über den Wasserstoff-Abführkanal 123 ausgetragener Wasserstoff wird vor Abgabe in die Atmosphäre mit der durch den Abluftkanal 142 strömenden Luft verdünnt. Eine Antriebsmenge des Verdichters 130 wird durch das Steuergerät 200 gesteuert.
Die Sekundärbatterie 172 ist über den DC/DC-Wandler 174 mit der Verkabelung 178 verbunden, und der DC/DC-Wandler 174 und der DC/DC-Wandler 104 sind mit der Verkabelung 178 parallel verschaltet. Als Sekundärbatterie 172 können verschiedene Energiespeichervorrichtungen wie beispielsweise ein Blei-Akkumulator, ein Nickel-Wasserstoff-Akkumulator und ein Lithium-Ionen-Akkumulator eingesetzt werden. Der DC/DC-Wandler 174 empfängt ein Steuersignal des Steuergeräts 200 und steuert das Laden oder Entladen der Sekundärbatterie 172. Falls kein Laden oder Entladen der Sekundärbatterie 172 erforderlich ist, unterbricht der DC/DC-Wandler 174 die Verbindung zwischen der Sekundärbatterie 172 und der Verkabelung 178.
Das Steuergerät 200 ist als logische Schaltung ausgestaltet, die in erster Linie einen Mikrocomputer umfasst, und umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 210, einen Festwertspeicher (ROM) 220, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 230, einen Eingabe- und Ausgabekanal (nicht dargestellt) und so weiter. Das Steuergerät 200 weist ein Zeitglied 240 auf und kann mit Hilfe des Zeitglieds 240 beispielsweise eine Zeit(dauer) messen, während der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Der ROM 220 ist ein Beispiel für einen „ersten Speicherbereich“, einen „zweiten Speicherbereich“ und einen „dritten Speicherbereich“. Das Steuergerät 200 erfasst Messsignale von verschiedenen im Brenngaszufuhrabschnitt 120, Oxidationsgaszufuhrabschnitt 140 und so weiter enthaltenen Sensoren und führt verschiedene Steuer- und Regelhandlungen in Bezug auf das Brennstoffzellenfahrzeug 20 aus.
In 1 wird das gesamte Brennstoffzellenfahrzeug 20 durch das Steuergerät 200 gesteuert, aber es kann auch eine andere Ausgestaltung gewählt werden. Beispielsweise können ein Steuergerät, das das Brennstoffzellensystem 30 steuert, und ein Steuergerät, das vom Brennstoffzellensystem 30 abweichende Teile im Brennstoffzellenfahrzeug 20 steuert, separat voneinander bereitgestellt werden. Im Steuergerät, das das Brennstoffzellensystem 30 steuert, kann ein Steuergerät für die Ausführung eines später noch beschriebenen Auffrischungsprozesses separat vorgesehen werden.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 dieser Ausführungsform schaltet während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 30 zwischen mehreren Betriebsarten (Modi) um, zu denen eine Normalbetriebsart und eine diskontinuierliche (intermittierende) Betriebsart gehören. Die Normalbetriebsart ist ein Betriebsmodus, der für den Fall ausgewählt wird, dass eine Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 30 einen voreingestellten Referenzwert übersteigt, und ist ein Betriebsmodus, bei dem mindestens ein Teil der Lastanforderung, der eine vom Motor 170 angeforderte elektrische Leistung umfasst, durch die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte elektrische Leistung erstellt wird. Die intermittierende Betriebsart ist ein Betriebsmodus, der ausgewählt wird, wenn die Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 30 gleich dem oder kleiner als der voreingestellte Referenzwert ist. In dieser Ausführungsform wird die intermittierende Betriebsart eingestellt, wenn die vom Motor 170 angeforderte elektrische Leistung null beträgt (zum Beispiel bei Nichtbetätigung eines Beschleunigungspedals).
Oxidfilm-Abtragungssprozess
Jede der die Brennstoffzelle 100 bildenden Einheitszellen umfasst die Elektrolytmembran sowie die Anode und die Kathode, die als Elektroden an der Elektrolytmembran vorgesehen sind. Jede der Elektroden umfasst einen Katalysator. Der Katalysator kann ein Edelmetallkatalysator wie Platin oder eine Platinlegierung sein, oder es kann eine andere Art von Katalysator verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird ein Platinkatalysator verwendet. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 während der elektrischen Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 100 eine Oxidationsspannung erreicht (wenn die Kathode ein Oxidationspotenzial erreicht), wird ein Oxidfilm an dem in der Kathode vorgesehenen Katalysator ausgebildet. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 eine Reduktionsspannung erreicht (wenn die Kathode ein Reduktionspotenzial erreicht), wird der Oxidfilm reduziert und von der Kathode entfernt. Mit Ausbildung des Oxidfilms auf der Kathode verringert sich eine wirksame Fläche des Katalysators, und die elektrische Stromerzeugungsleistung fällt in einigen Fällen weiter ab. Im Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform wird deshalb ein Prozess zum Entfernen des Oxidfilms durchgeführt, bei dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 zwangsvermindert wird (nachfolgend auch bezeichnet als „Auffrischungsprozess“).
2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer von der CPU 210 des Steuergeräts 200 ausgeführten Prozessroutine zum Entfernen des Oxidfilms. Diese Routine stellt Verarbeitungsschritte in Bezug auf den Auffrischungsprozess dar und wird so lange wiederholt ausgeführt, bis nach dem Start des Brennstoffzellensystems 30 ein Benutzer eine Anweisung zum Anhalten des Systems (Systemstopp-Anweisung) eingibt.
Bei Ausführung dieser Routine beginnt die CPU 210 mit dem Berechnen der Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms (nachfolgend auch bezeichnet als „ausgebildete Filmmenge“) (Schritt S100). Während die Brennstoffzelle 100 elektrische Energie erzeugt, wird, wie oben beschrieben, der Oxidfilm ausgebildet oder der Oxidfilm entsprechend einer Verstellung der Ausgangsspannung entfernt, wodurch die ausgebildete Filmmenge variiert. Beim Starten des Brennstoffzellensystems 30 werden in dieser Ausführungsform die Menge des ausgebildeten Oxidfilms und die Menge des entfernten Oxidfilms über die Zeit integriert, wodurch die ausgebildete Filmmenge berechnet wird.
Ein Verfahren zum Berechnen der in der Kathode ausgebildeten Filmmenge unterliegt keiner besonderen Beschränkung und der nachstehend beschriebene Prozess ist ein Beispiel. In dieser Ausführungsform speichert der ROM 220 des Steuergeräts 200 vorab eine erste Beziehung und eine zweite Beziehung in Bezug auf die Berechnung der Menge des Oxidfilms, beispielsweise als Kennfeld. Die erste Beziehung ist eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100, einer Haltezeit, während der die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, und der Menge des ausgebildeten Oxidfilms. Die zweite Beziehung ist eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100, der Haltezeit, während der die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, und der Menge des entfernten Oxidfilms.
In einem Prozess zur Berechnung der Menge des Oxidfilms, der mit Schritt S100 beginnt, erfasst die CPU 210 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 aus dem Spannungssensor 102 unter Bezugnahme auf die erste und zweite Beziehung, die im ROM 220 als ersten Speicherabschnitt und zweiten Speicherabschnitt gespeichert werden, und misst die Haltezeit der erfassten Ausgangsspannung mit Hilfe des Zeitglieds 240. Während die Ausgangsspannung steigt, wird die Menge des ausgebildeten Oxidfilms anhand der Ausgangsspannung, der Haltezeit der Ausgangsspannung und der ersten Beziehung berechnet. Während die Ausgangsspannung sinkt, wird die Menge des entfernten Oxidfilms anhand der Ausgangsspannung, der Haltezeit der Ausgangsspannung und der zweiten Beziehung berechnet. Auf die oben beschriebene Weise werden die Menge des ausgebildeten Oxidfilms und die Menge des entfernten Oxidfilms berechnet und über die Zeit integriert, wodurch die ausgebildete Filmmenge des auf der Kathode ausgebildeten Films berechnet wird.
Wenn das Brennstoffzellensystem 30 gestartet wird und Schritt S100 zuerst ausgeführt wird, kann die Menge des zur Startzeit von Schritt S100 auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms auf null gesetzt werden. Wird Schritt S100 das zweite Mal oder spätere Male nach dem Start des Brennstoffzellensystems 30 gestartet, kann es sich bei der Menge des zur Startzeit von Schritt S100 auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms um die nach Durchführung eines Auffrischungsprozesses verbleibende Menge an Oxidfilm (beispielsweise um die weiter unten beschriebene verschlechterungsmindernde Filmmenge) handeln, wenn die Prozessroutine zum Entfernen des Oxidfilms letztmalig ausgeführt wird. Ein Verfahren zur Ermittlung der ersten Beziehung und der zweiten Beziehung wird weiter unten im Detail beschrieben.
3 und 4 sind erläuternde Darstellungen von Beispielen zur Veranschaulichung von zeitlichen Änderungen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 und der Menge des Oxidfilms während eines Zeitabschnitts vom Starten bis zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 30. In 3 und 4 wird die Menge des Oxidfilms als Ladungsmenge (Einheit Coulomb (C)) ausgedrückt, die einem Reaktionsumfang einer Reaktion zur Bildung des Oxidfilms entspricht. In 3 und 4 ist als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 eine Ausgangsspannung je Einheitszelle dargestellt.
Wie in 3 und 4 zu sehen, ändert sich in einem Normalbetrieb die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 in Abhängigkeit von der Lastanforderung, und die Menge des Oxidfilms schwankt in Abhängigkeit von der Änderung der Ausgangsspannung.
Wie in 3 und 4 dargestellt, wird in dieser Ausführungsform die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 während eines intermittierenden Betriebs konstant gehalten (in dieser Beschreibung umfasst „konstant“ auch „im Wesentlichen konstant“). Die Ausgangsspannung wird auf eine relativ hohe Spannung (zum Beispiel auf 0,6 bis 0,9 V pro Einheitszelle) eingestellt, so dass eine elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 100 ausreichend gering ist und eine Verschlechterung der Kathode durch ein hohes Potenzial vermindert werden kann. Während des intermittierenden Betriebs kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 variiert werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein Prozess durchgeführt werden, um beim Start des intermittierenden Betriebs die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle temporär zu unterbrechen und so die Erzeugung einer geringen elektrischen Leistungsmenge zu ermöglichen, und, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle infolge der elektrischen Stromerzeugung auf eine vorherbestimmte untere Grenze absinkt, die Zufuhr des Brenngases und/oder des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle temporär wieder aufzunehmen und so die Ausgangsspannung wieder zu erhöhen. Während des intermittierenden Betriebs kann die elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle 100 gestoppt werden. Mit Blick auf die Sicherstellung des Ansprechvermögens auf die Last zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs und die Verminderung der Verschlechterung der Kathode infolge eines hohen Potenzials ist es wünschenswert, dass eine benötigte Menge des Brenngases und des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 100 geführt wird, um dafür zu sorgen, dass eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 100 in einem relativ hohen Spannungsbereich (zum Beispiel 0,6 bis 0,9 V) liegt. Während des intermittierenden Betriebs kann die Steuerung ausgeführt werden, um diese Betriebsbedingungen zu kombinieren.
Während der Durchführung des Normalbetriebs und des intermittierenden Betriebs wird im Brennstoffzellensystem 30 eine Berechnung der ausgebildeten Filmmenge beginnend in Schritt S100 durchgeführt.
Nach dem Start der Berechnung der Menge des Oxidfilms in Schritt S100 bestimmt die CPU 210, ob eine Anweisung zum Beenden des intermittierenden Betriebs in das Brennstoffzellenfahrzeug 20 eingegeben wird (Schritt S110). Insbesondere kommt die CPU 210 zum Ergebnis, dass die Anweisung zum Beenden des intermittierenden Betriebs eingegeben wird, wenn beispielsweise ein Gaspedalbetätigungssensor 180 nach dem Beginn des intermittierenden Betriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 das Niederdrücken eines Gaspedals erfasst. In dieser Ausführungsform wird der Auffrischungsprozess zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs ausgeführt und anschließend der Normalbetrieb ausgeführt. In Schritt S110 bestimmt die CPU, ob ein Zeitpunkt erreicht ist, an dem der Auffrischungsprozess ausgeführt werden muss. In 3 und 4 wird der zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs (verstrichene Zeit t₁ nach dem Start) durchgeführte Auffrischungsprozess dargestellt. In dieser Ausführungsform wird Schritt S110 wiederholt, bis die CPU 210 feststellt, dass die Anweisung zum Beenden des intermittierenden Betriebs eingegeben wird.
Bei Eingabe der Anweisung zum Beenden des intermittierenden Betriebs berechnet die CPU 210 die Menge, um die der Oxidfilm durch den Auffrischungsprozess abzutragen ist (Schritt S120). Es ist auch möglich, die gesamte Menge des zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs ausgebildeten Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess zu entfernen. In dieser Ausführungsform wird jedoch die Menge berechnet, um die der Oxidfilm abzutragen ist, um zu bewirken, dass eine Teilmenge des Oxidfilms erhalten bleibt.
Obwohl die Menge des Oxidfilms, die nach dem Auffrischungsprozess verbleiben soll, keiner besonderen Beschränkung unterliegt, wird in dieser Aufführungsform die nach dem Auffrischungsprozess auf der Kathode verbleibende Menge des Oxidfilms auf eine verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) eingestellt, und die Menge, um die der Oxidfilm abzutragen ist, wird so berechnet, dass nach dem Auffrischungsprozess die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) übrig bleibt. Die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) wird bestimmt, um die Verschlechterung der Kathode aufgrund einer übermäßigen Entfernung des Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess zu vermindern. In Schritt S120 berechnet die CPU 210 die Menge, um die der Oxidfilm auf der Kathode abzutragen ist, durch Subtraktion der verschlechterungsmindernden Filmmenge (θ₁ ) von einer zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs ausgebildeten Filmmenge (θ₀ ), die durch den in Schritt S100 gestarteten Prozess der Mengenberechnung des Oxidfilms berechnet wird. Ein Verfahren zur Einstellung der verschlechterungsmindernden Filmmenge (θ₁ ) wird weiter unten im Detail beschrieben.
Wie 3 zeigt, beträgt die ausgebildete Filmmenge (θ₀ ) zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs 10 C, die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) 3 C und die Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist, 7 C. Wie 4 zeigt, beträgt die ausgebildete Filmmenge (θ₀ ) zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs 6 C, die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) 3 C und die Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist, 3 C.
Wenn in Schritt S120 die Menge, um die der Oxidfilm abzutragen ist, berechnet wird, bestimmt die CPU 210, dass während des Auffrischungsprozesses eine Spannung (Auffrischspannung) als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 einzustellen ist (Schritt S130). Die Auffrischspannung wird als eine Spannung bestimmt, bei der die in Schritt S120 berechnete Menge des Oxidfilms innerhalb einer vorherbestimmten Referenzzeit entfernt werden kann.
In dieser Ausführungsform speichert der ROM 220 des Steuergeräts 200 vorab eine dritte Beziehung, die eine Beziehung zwischen der Auffrischspannung, einer Auffrischzeit und der vom Auffrischungsprozess entfernten Menge des Oxidfilms ist, beispielsweise als Kennfeld. In Schritt S130 bestimmt die CPU 210, ob die Auffrischzeit so lang wie oder kürzer als die voreinstellte Referenzzeit ist, und bestimmt die Auffrischspannung unter Bezugnahme auf die dritte Beziehung, so dass die in Schritt S120 berechnete Menge des Oxidfilms innerhalb der Auffrischzeit entfernt werden kann.
5 ist eine erläuternde Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels der dritten Beziehung. In 5 stellt die horizontale Achse die Auffrischzeit dar, und die vertikale Achse stellt die Auffrischspannung je Einheitszelle dar. 5 zeigt mehrere (in 5 fünf repräsentative) Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinien durch die Verbindung von Punkten, an denen die entfernte Menge des Oxidfilms identisch ist. Je länger die Auffrischzeit und je niedriger die Auffrischspannung V₂ , desto größer die entfernte Menge des Oxidfilms, wie in 5 zu sehen.
Auf ein und derselben Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie ist auch bei Durchführung des Auffrischungsprozesses unter jeder Auffrischbedingung (nachfolgend wird auch eine Kombination von Auffrischspannung und Auffrischzeit als „Auffrischbedingung“ bezeichnet) die entfernte Menge des Oxidfilms identisch. Die Auffrischzeit hat auch unter der Auffrischbedingung auf der gleichen Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie einen starken Einfluss auf den vom Auffrischungsprozess verursachten Grad des Batterieleistungsabfalls (Verschlechterung der Kathode). Insbesondere wird mit abnehmender Auffrischzeit die Verschlechterung der Batterieleistung vermindert. In Schritt S130 werden, in Bezug auf die in 5 dargestellte dritte Beziehung, auf der Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie, die der in Schritt S120 berechneten Menge entspricht, um die der Oxidfilm abzutragen ist, die Auffrischzeit und die Auffrischspannung so bestimmt, dass die Auffrischzeit so lang wie oder kürzer als die voreingestellte Referenzzeit ist.
Die Referenzzeit der in Schritt S130 zum Einstellen der Auffrischspannung verwendeten Auffrischzeit unterliegt keiner besonderen Beschränkung, wird aber mit Blick auf die Verminderung des durch den Auffrischungsprozess bewirkten Abfalls der Batterieleistung (Verschlechterung der Kathode) bevorzugt auf 1,0 Sekunden oder kürzer, bevorzugter auf 0,5 Sekunden oder kürzer und noch bevorzugter auf 0,1 Sekunden oder kürzer eingestellt. Ein Verfahren zur Bestimmung der dritten Beziehung und einer Beziehung zwischen der Auffrischzeit und dem Abfall der Batterieleistung wird weiter unten im Detail beschrieben.
Die Auffrischzeit kann auf eine beliebige Zeit eingestellt werden, solange die Auffrischzeit gleich oder kleiner als die oben beschriebene Referenzzeit ist. Im Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform wird vorab eine kürzeste Auffrischzeit bestimmt, die der kleinste Grenzwert ist, auf den die Auffrischzeit eingestellt werden kann. In dieser Ausführungsform wird die kürzeste Auffrischzeit als eine ausgehend von einer Systemausgestaltung bestimmte kürzeste Zeitdauer eingestellt, während welcher der Auffrischungsprozess ausgeführt werden kann. Im Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform ist die kürzeste Auffrischzeit auf 0,1 Sekunden eingestellt. Im Folgenden wird die kürzeste Auffrischzeit auch als „untere Zeitgrenze“ bezeichnet. Mit Blick auf die Verminderung des auffrischungsbedingten Abfalls der Batterieleistung (Verschlechterung der Kathode) wird die Auffrischzeit bevorzugt auf die oben beschriebene kürzeste Auffrischzeit eingestellt.
In 5, einem Beispiel der im Beispiel von 3 dargestellten Auffrischbedingung, wird, wenn die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit (0,1 Sekunden) eingestellt ist, die Auffrischbedingung als Bedingung P1 dargestellt, bei der die Auffrischspannung 0,5 V beträgt (die erforderliche elektrische Größe für das Abtragen des zu entfernenden Oxidfilms beträgt 7 C). In 5, einem Beispiel der im Beispiel von 4 dargestellten Auffrischbedingung, wird, wenn die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit (0,1 Sekunden) eingestellt ist, die Auffrischbedingung als Bedingung P2 dargestellt, bei der die Auffrischspannung 0,6 V beträgt (die erforderliche elektrische Größe für das Abtragen des zu entfernenden Oxidfilms beträgt 3 C).
Beim Bestimmen der Auffrischspannung betreibt die CPU 210 den DC/DC-Wandler 104 (Schritt S140) dergestalt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 die in Schritt S130 bestimmte Auffrischspannung wird und die Auffrischzeit die der Auffrischspannung entsprechende Zeit wird, und diese Routine endet. Dementsprechend wird der Auffrischungsprozess ausgeführt, und die in Schritt S120 berechnete Menge des Oxidfilms wird abgetragen. Bei Ausführung des Auffrischungsprozesses ist das Gaspedal niedergedrückt, so dass eine vom Motor 170 angeforderte elektrische Leistung vorliegt. Normalerweise ist die während des Auffrischungsprozesses erzeugte elektrische Energiemenge für die angeforderte elektrische Leistung nicht ausreichend. Deshalb wird während des Auffrischungsprozesses elektrische Energie von der Sekundärbatterie 172 zum Motor 170 geliefert.
Erste Beziehung
Die für die Berechnung der ausgebildeten Filmmenge in Schritt S110 verwendete erste Beziehung ist, wie oben beschrieben, die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100, der Haltezeit, während der die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, und der Menge des ausgebildeten Oxidfilms. Nachfolgend wird das Verfahren zur Ermittlung der ersten Beziehung beschrieben.
6A und 6B sind erläuternde Darstellungen eines Beispiels des Verfahrens zur Ermittlung der ersten Beziehung, und 7 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels der ersten Beziehung. Zur Bestimmung der ersten Beziehung, wie in 6A dargestellt, wird der Oxidfilm auf der Kathode vollständig entfernt, und anschließend wird das Kathodenpotenzial für eine Weile in einem Zustand eines Zwischenpotenzials gehalten, bei dem weder eine Oxidation noch eine Reduktion des Katalysators fortschreitet (nachfolgend wird der oben beschriebene Zustand auch als „Zwischenzustand“ bezeichnet). Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 wird erhöht, um eine Erhöhung des Kathodenpotenzials vom Zwischenpotenzial auf das Oxidationspotenzial zu bewirken, und wird über eine spezielle Zeit gehalten, um einen Oxidfilm auszubilden. Anschließend wird die gemäß obiger Beschreibung gehaltene Ausgangsspannung allmählich gesenkt und die Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms wird berechnet. Die Ermittlung der ersten Beziehung erfolgt durch Ausführung des oben beschriebenen Prozesses unter Variierungen der Kombination von Ausgangsspannung und Haltezeit.
6A zeigt als ein Beispiel die zeitliche Entwicklung der Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 100, wenn die Ausgangsspannung (die Ausgangsspannung je Einheitszelle, äquivalent zum Kathodenpotenzial) auf 0,85 V eingestellt ist und die Haltezeit während der Ausbildung des Oxidfilms auf 100 Sekunden eingestellt ist. In dieser Ausführungsform wird durch Einstellen der Ausgangsspannung auf einen Spannungswert von 0,1 V oder niedriger ein Prozess zur Verstellung der Ausgangsspannung zwischen einer Spannung von 0,1 V oder niedriger und einer Spannung von 0,85 V oder höher mehrmals ausgeführt, bevor der Prozess zur Entfernung des gesamten Oxidfilms einmal erfolgt. Dementsprechend werden auf der Kathode anhaftende oxidfilmfremde Substanzen (beispielsweise organische Substanzen) beseitigt, wodurch die Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht wird.
6B ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs α, der in 6A mit gestrichelter Linie umrahmt ist, und zeigt ein Verfahren zur Ermittlung der auf der Kathode ausgebildeten Menge des Oxidfilms. Nachdem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 erhöht und über eine bestimmte Zeit in einem Zustand gehalten wird, in dem die Kathode das Oxidationspotenzial erreicht, wird mit allmählicher Senkung der Ausgangsspannung der ausgebildete Oxidfilm reduziert. Bei Absenkung der Ausgangsspannung, wie oben beschrieben, nimmt die Ausgangsspannung bald einen Zustand an, in dem das Kathodenpotenzial zum oben beschriebenen Zwischenpotenzial wird. Die Reduktion des Oxidfilms setzt sich so lange fort, bis die Ausgangsspannung nach dem Start der Absenkung der Ausgangsspannung auf das Zwischenpotenzial fällt. In 6B ist der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 100, wenn das Kathodenpotenzial das Zwischenpotenzial erreicht, als Stromwert A₁ dargestellt, Im Kurvenbild des Ausgangsstroms in 6B stellt die Fläche eines Bereichs (die Fläche des schraffierten Bereichs in 6B), der zwischen einem Teilabschnitt, der sich vom Beginn der Spannungsverringerung bis zum Absinken der Ausgangsspannung auf Zwischenpotenzial erstreckt, und der Geraden, die den Stromwert A₁ darstellt, eingeschlossen ist, eine Ladungsmenge dar, die mit der Reaktion zur Reduzierung des Oxidfilms verbunden ist. Durch Ermittlung der Fläche des schraffierten Bereichs, das heißt durch Integrieren der Differenz zwischen dem Stromwert A₁ und dem Ausgangsstrom ab dem Beginn der Spannungsverringerung bis zum Absinken der Ausgangsspannung auf Zwischenpotenzial, kann die Menge des ausgebildeten Oxidfilms als Lademenge, die dem Reaktionsumfang der während der Ausbildung des Films abgelaufenen Oxidationsreaktion entspricht, ermittelt werden.
7 zeigt die erste Beziehung und zeigt Ergebnisse aus der Ermittlung der Menge des ausgebildeten Oxidfilms durch mehrfaches Ändern der Kombination von Ausgangsspannung und Haltezeit, wie in 6A und 6B dargestellt. In 7 stellt die horizontale Achse die Haltezeit dar, und die vertikale Achse stellt die Menge des ausgebildeten Oxidfilms dar. 7 zeigt als ein Beispiel die Beziehung zwischen der Haltezeit und der Menge des ausgebildeten Oxidfilms bei drei Ausgangsspannungen als Ausgangsspannungen mit gehaltener Spannung. Der erste Speicherbereich speichert als erste Beziehung die Beziehung zwischen der Haltezeit und der Menge des ausgebildeten Oxidfilms über den gesamten als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 normal verwendbaren Wertebereich. Wie in 7 dargestellt, gilt: je höher die Ausgangsspannung zur Haltezeit der Spannung (je höher das Kathodenpotenzial), desto größer die Menge des Oxidfilms bei gesättigter Bildung des Oxidfilms. Aus 7 wird deutlich, dass die Zeit bis zur Sättigung der Menge des Oxidfilms auch dann identisch, wenn die Ausgangsspannung in der Haltezeit der Spannung unterschiedlich ist („identisch“ bedeutet in der vorliegenden Beschreibung „im Wesentlichen identisch“).
Zweite und dritte Beziehung
Die für die Berechnung der ausgebildeten Filmmenge in Schritt S110 verwendete zweite Beziehung ist, wie oben beschrieben, die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100, der Haltezeit, während der die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, und der entfernten Menge des Oxidfilms. Die dritte Beziehung zur Berechnung der Auffrischspannung in Schritt S130 ist die Beziehung zwischen der Auffrischspannung, der Auffrischzeit und der durch den Auffrischungsprozess abgetragenen Menge des Oxidfilms.
Das Abtragen des Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess unterscheidet sich von dem Fall, dass der Oxidfilm auf der Kathode während des Normalbetriebs oder des intermittierenden Betriebs entfernt wird, und läuft durch Zwangsverminderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 ab. Auch für den Fall, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 entsprechend einer Lastanforderung abgesenkt wird, und auch in einem Fall, wo die Ausgangsspannung zwangsvermindert wird, wird die entfernte Menge des Oxidfilms gleichermaßen in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (dem Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100 und von der Haltezeit, über welche die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, bestimmt. Deshalb werden in dieser Ausführungsform die zweite Beziehung und die dritte Beziehung als gemeinsames Kennfeld gespeichert. Das heißt, die zweite Beziehung lässt sich aus der in 5 dargestellten dritten Beziehung verstehen, indem die Auffrischzeit als Reduktionszeit gelesen wird, die Auffrischspannung als Reduktionsspannung gelesen wird und die durch den Auffrischungsprozess abgetragene Menge des Oxidfilms als eine während der elektrischen Stromerzeugung entfernte Menge des Oxidfilms gelesen wird. Da als Auffrischzeit jedoch eine relativ kurze Zeit eingestellt ist, wird ein Teil der zweiten Beziehung als dritte Beziehung verwendet. Nachfolgend wird das Verfahren zur Ermittlung der zweiten und der dritten Beziehung beschrieben.
8 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels des Verfahrens zur Ermittlung der zweiten und der dritten Beziehung. Zur Ermittlung der zweiten und der dritten Beziehung, wie in 8 dargestellt, werden die elektrische Stromerzeugung gemäß einem ersten elektrischen Stromerzeugungsverlauf mit Reduktionsprozess und die elektrische Stromerzeugung gemäß einem zweiten elektrischen Stromerzeugungsverlauf ohne Reduktionsprozess durchgeführt und die Ergebnisse der beiden Verlaufsmuster miteinander verglichen. Insbesondere wird im ersten elektrischen Stromerzeugungsverlauf, nachdem die Ausgangsspannung (Kathodenpotenzial) der Brennstoffzelle 100 auf einer Spannung V₁ gehalten wird, die ein dem Oxidationspotenzial entsprechender konstanter Wert ist, zum Zeitpunkt t₂ ein Prozess ausgeführt, um die Ausgangsspannung auf eine Spannung V₂ zu senken, die ein der Reduktionsspannung entsprechender konstanter Wert ist, und als Reduktionsprozess wird die Spannung bis zum Zeitpunkt t₃ gehalten. Danach wird die Ausgangsspannung wieder auf die Spannung V₁ erhöht und bis zum Zeitpunkt t₄ gehalten, an dem der Stromwert ausreichend stabilisiert ist. Die Zeit t₂ ab dem Start der elektrischen Stromerzeugung bis zum Start des Reduktionsprozesses wird als Zeitpunkt bestimmt, an dem die Menge des auf der Kathode ausgebildeten Films gesättigt ist. Der Zeitpunkt t₄ , bis zu dem der Stromwert nach dem Reduktionsprozess ausreichend stabilisiert ist, kann je nach Ausgestaltung der verwendeten Brennstoffzelle 100 und dergleichen zweckgemäß eingestellt werden. Im ersten elektrischen Stromerzeugungsverlauf mit Reduktionsprozess gemäß 8 wird der Reduktionsprozess 100 Sekunden nach dem Beginn der elektrischen Stromerzeugung gestartet (Zeit t₂ = 100 Sekunden), der Reduktionsprozess wird fünf Sekunden lang ausgeführt (t₃ - t₂ = fünf Sekunden), und anschließend wird die Ausgangsspannung auf Spannung V₁ erhöht und so lange auf V₁ gehalten, bis 200 Sekunden nach Beginn der elektrischen Stromerzeugung verstrichen sind (Zeit t₄ = 200 Sekunden).
Im Gegensatz dazu wird beim zweiten elektrischen Stromerzeugungsverlauf, bei dem die Brennstoffzelle 100 mit der gleichen Ausgestaltung wie beim ersten elektrischen Stromerzeugungsverlauf verwendet wurde, die Ausgangsspannung bis t₄ nach Start der elektrischen Stromerzeugung auf Spannung V₁ gehalten.
In 8 ist im ersten elektrischen Stromerzeugungsverlauf ein Bereich schraffiert, der einem integrierten Wert des Stromwerts nach dem Ende des Reduktionsprozesses vom Zeitpunkt t₃ bis zum Zeitpunkt t₄ entspricht, und als Ladung Q₁ (mit Einheit Coulomb) dargestellt. Im zweiten elektrischen Stromerzeugungsverlauf ist ein Bereich schraffiert, der einem integrierten Wert des Stromwerts ab Zeitpunkt t₃ bis Zeitpunkt t₄ entspricht, und als Ladung Q₀ (mit Einheit Coulomb) dargestellt. ΔQ ist die Differenz aus der Subtraktion der Ladung Q₀ von der Ladung Q₁ und stellt die Menge des Stroms dar, der infolge einer Reaktion fließt, bei welcher der Oxidfilm durch den Reduktionsprozess reduziert wird. Durch Ermittlung von ΔQ kann somit die Oxidfilmmenge, die entfernt wird, wenn der Reduktionsprozess bei Spannung V₂ über die Haltezeit (t₃ - t₂ ) ausgeführt wird, als Ladungsmenge entsprechend dem Reaktionsumfang der während der Entfernung des Oxidfilms abgelaufenen Reduktionsreaktion berechnet werden. Durch das Messen der entfernten Oxidfilmmenge über mehrfaches Ändern der Spannung (V2) des Reduktionsprozesses und der Haltezeit (t₃ - t₂ ) des Reduktionsprozesses gemäß obiger Beschreibung können die zweite und die dritte Beziehung ermittelt werden, wie in 5 dargestellt.
Beziehung zwischen Auffrischzeit und Abfall der Batterieleistung
Im Auffrischungsprozess gemäß obiger Beschreibung gilt: je länger die Auffrischzeit und je niedriger die Auffrischspannung, desto größer die entfernte Menge des Oxidfilms. Selbst unter den Auffrischungsbedingungen der gleichen Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie hat die Auffrischzeit eine große Auswirkung auf die Abnahme der Batterieleistung (Verschlechterung der Kathode).
9 ist eine Darstellung von Ergebnissen (dritte Beziehung) aus der Ermittlung der entfernten Menge des Oxidfilms mit Hilfe des in 8 dargestellten Verfahrens durch mehrfache Änderung von Auffrischzeit und Auffrischspannung. In 9 stellt die horizontale Achse die Auffrischzeit dar, und die vertikale Achse stellt die Auffrischspannung je Einheitszelle dar, so wie in 5. Die horizontale Achse ist logarithmisch skaliert. 9 zeigt zudem Ergebnisse einer Lebensdauerprüfung unter verschiedenen Auffrischbedingungen. In der Lebensdauerprüfung wurde ein Test ausgeführt, bei dem der Auffrischungsprozess 430.000 Mal unter jeder der Auffrischbedingungen wiederholt wurde und ein Maximalleistungsabfallverhältnis nach Lebensdauerprüfung gegenüber dem Zeitpunkt vor der Lebensdauerprüfung geprüft wurde (Verhältnis der Differenz des Höchstwerts der abgegebenen elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 100 zwischen den Zeitpunkten vor der Lebensdauerprüfung und nach der Lebensdauerprüfung zum Höchstwert der vor der Lebensdauerprüfung abgegebenen elektrischen Leistung).
Wie in 9 zu sehen, schwankt das im Ergebnis der Lebensdauerprüfung erhaltene Maximalleistungsabfallverhältnis in Abhängigkeit von der Auffrischbedingung selbst auf der gleichen Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie. Wie in 9 dargestellt, ist es äußerst wirksam, die Auffrischzeit zu verkürzen, um einen Abfall des Maximalleistungsabfallverhältnisses zu vermindern. Es ist wünschenswert, eine Referenzzeit zur Bestimmung der Auffrischzeit so zu bestimmen, dass das Maximalleistungsabfallverhältnis unabhängig von der Auffrischspannung kleiner als 10 % ist. Der Grad der durch Verlängerung der Auffrischzeit bewirkten Erhöhung des Maximalleistungsabfallverhältnisses hängt von der speziellen Ausgestaltung der Brennstoffzelle 100 ab. Um das Maximalleistungsabfallverhältnis auf einen niedrigen Wert zu drücken (obwohl nicht besonders beschränkt, ist eine Verminderung des Maximalleistungsabfallverhältnisses auf unter 10 % wünschenswert), beträgt jedoch die Referenzzeit für die Bestimmung der Auffrischzeit gemäß obiger Beschreibung, obwohl sie keiner besonderen Beschränkung unterliegt, bevorzugt 1,0 Sekunden oder weniger, bevorzugter 0,5 Sekunden oder weniger und noch bevorzugter 0,1 Sekunden oder weniger. Um das Maximalleistungsabfallverhältnis auf einen niedrigen Wert zu drücken, ohne dass hier eine besondere Beschränkung vorliegt, ist die Auffrischzeit am bevorzugtesten die oben beschriebene kürzeste Auffrischzeit.
Beziehung zwischen Auffrischspannung und Abfall der Batterieleistung
Wie in 5 und 9 zu sehen, gilt bei identischer Auffrischzeit: je niedriger die Auffrischspannung, desto größer die entfernte Menge des Oxidfilms. Im Falle einer übermäßig niedrigen Auffrischspannung wird jedoch die Kathode in einigen Fällen in unerwünschtem Maße geschädigt. Zur Verminderung einer Schädigung der Kathode durch ein übermäßiges Absinken der Auffrischspannung wird in dieser Ausführungsform vorab eine untere Auffrisch-Grenzspannung als Referenzspannung in Bezug auf die untere Grenze der Auffrischspannung bestimmt. Die untere Auffrisch-Grenzspannung wird nachfolgend auch als „untere Grenzspannung“ bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird die untere Auffrisch-Grenzspannung basierend auf dem Ergebnis der Lebensdauerprüfung nach 9 eingestellt.
In dieser Ausführungsform wird die untere Auffrisch-Grenzspannung so eingestellt, dass die Verschlechterung der Kathode (Abfall der elektrischen Stromerzeugungsleistung) in einen zulässigen Wertebereich fällt, wenn bei Ausführung der Lebensdauerprüfung unter Wiederholung des Auffrischungsprozesses die Auffrischzeit auf die oben beschriebene kürzeste Auffrischzeit eingestellt wird. Die untere Auffrisch-Grenzspannung wird insbesondere so eingestellt, dass das Maximalleistungsabfallverhältnis kleiner als 10 % ist, wenn bei Ausführung der Lebensdauerprüfung die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit eingestellt ist. 9 zeigt, dass das Maximalleistungsabfallverhältnis einen Wert von 3 % oder weniger für den Fall annimmt, dass die Auffrischspannung auf 0,4 V oder höher eingestellt wird, wenn die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit (0,1 Sekunden) eingestellt ist. Wenn in 9 die Auffrischspannung 0,3 V beträgt, schreitet die Verschlechterung der Kathode so weit voran, dass der Auffrischungsprozess in der Mitte der Lebensdauerprüfung nicht normal wiederholt werden kann. In dieser Ausführungsform wird die untere Auffrisch-Grenzspannung, als ein Beispiel, auf 0,4 V eingestellt.
Wenn die Lebensdauerprüfung unter Einstellung der Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit gemäß obiger Beschreibung bei einer Spannung im Bereich von 0,3 V bis 0,4 V durchgeführt wird, kann es einen Spannungspunkt geben, an dem sich das Ergebnis bei Einstellung der Auffrischspannung erheblich ändert. Wenn die Auffrischspannung auf eine Spannung oberhalb des erwähnten Spannungspunkts eingestellt wird, zeigt sich eine relativ hohe elektrische Stromerzeugungsleistung selbst nach der Lebensdauerprüfung. Wird jedoch die Auffrischspannung auf einen Wert gleich oder kleiner als der Spannungspunkt eingestellt, schreitet die Verschlechterung der Kathode voran, und der Auffrischungsprozess kann in der Mitte der Lebensdauerprüfung nicht normal wiederholt werden. Die untere Auffrisch-Grenzspannung kann auf einen Spannungswert eingestellt werden, der höher ist als der oben erwähnte Spannungspunkt. Bei Ausführung der Lebensdauerprüfung unter Einstellung der kürzesten Auffrischzeit kann in diesem Fall das Maximalleistungsabfallverhältnis 10 % übersteigen.
Verschlechterungsmindernde Filmmenge
Im Folgenden wird die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) beschrieben. Um eine Verschlechterung der Kathode infolge einer übermäßigen Abtragsmenge des Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess zu vermindern, wird die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ) als die Menge des Oxidfilms eingestellt, die nach dem Auffrischungsprozess übrig bleibt.
In dieser Ausführungsform ist die verschlechterungsmindernde Filmmenge (θ₁ ), wie in Formelausdruck (1) dargestellt, ein Wert, der dadurch ermittelt wird, dass ein maximaler Abtragsmengenwert (θ₂ ), das heißt die maximale Menge Oxidfilm, die durch den Auffrischungsprozess entfernt werden kann, von einer maximalen Filmmenge (θ_max ), das heißt vom maximalen Wert der auf der Kathode ausgebildeten Menge des Oxidfilms, subtrahiert wird. In dieser Ausführungsform wird der maximale Abtragsmengenwert (θ₂ ) als die Menge Oxidfilm genommen, die durch den Auffrischungsprozess entfernt wird, wenn die Auffrischspannung auf die oben beschriebene untere Auffrisch-Grenzspannung eingestellt wird und die Auffrischzeit auf die oben beschriebene kürzeste Auffrischzeit eingestellt wird. $θ_{1} = θ_{max} - θ_{2}$
10 ist eine Ansicht zur Darstellung eines zyklischen Voltammogramms der Brennstoffzelle 100. Die maximale Filmmenge (θ_max ) wird nun unter Verweis aufFIG. 10 beschrieben. Im zyklischen Voltammogramm in 10 ist zusätzlich zu einem Bereich, der sowohl der Oxidationsreaktion (Oxidfilm-Bildungsreaktion) des Katalysators (Platin-Katalysator in 10) als auch der Reduktionsreaktion (Oxidfilm-Abtragsreaktion) des Katalysators entspricht, ein schraffierter Bereich zu sehen, der der maximalen Filmmenge θ_max entspricht, Der in 10 dargestellte, der maximalen Filmmenge θ_max entsprechende Bereich stellt eine Wasserstoffadsorption-Elektrizitätsmenge dar und entspricht einer elektrochemisch wirksamen Fläche im Katalysator. Dies ermöglicht die Ermittlung der maximalen Filmmenge θ_max als Lademenge entsprechend dem Reaktionsumfang der Reaktion, bei der die maximale Oxidfilmmenge auf der Kathode gebildet wird, ausgehend von der Fläche des der maximalen Filmmenge θ_max entsprechenden Bereichs.
Mit dem Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform in der oben beschriebenen Ausgestaltung wird bei Ausführung des Auffrischungsprozesses die Auffrischspannung so bestimmt, dass die Abtragung der in Schritt S120 berechneten Menge des Oxidfilms innerhalb der voreingestellten Referenzzeit ausgeführt werden kann. Im Vergleich zu dem Fall, dass die berechnete Menge des Oxidfilms durch den Auffrischungsprozess über einen längeren Zeitraum abgetragen wird, kann deshalb eine auffrischungsbedingte Verschlechterung der Kathode vermindert werden und infolgedessen ein auffrischungsbedingter Abfall der elektrischen Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 vermindert werden.
Wie in 5 und 9 dargestellt, ist es möglich, die Auffrischbedingung an einem beliebigen Punkt auf der Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie entsprechend der vom Oxidfilm abzutragenden Menge einzustellen. Wie in 9 dargestellt, wird das Ergebnis der Lebensdauerprüfung der Brennstoffzelle 100 mit abnehmender Auffrischzeit weiter verbessert, auch wenn die Auffrischbedingung auf der gleichen Filmabtragsmengen-Äquivalenzlinie liegt. Es wird davon ausgegangen, dass der Grund, weshalb die elektrische Stromerzeugungsleistung mit zunehmender Auffrischzeit abnimmt, darin liegt, dass sich mit zunehmender Auffrischzeit der Grad der Reduktion des in der Kathode vorhandenen Oxids des Katalysators und des auf der Oberfläche der Kathode vorhandenen Oxids des Katalysators (Platin oder dergleichen) während des Auffrischungsprozesses erhöht. Es wird davon ausgegangen, dass die Struktur der Kathode durch die Reduktion des in der Kathode vorhandenen Oxids beschädigt wird und somit die elektrische Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 abnimmt.
Für den Fall, dass die durch den Auffrischungsprozess abgetragene Menge identisch ist, nimmt die Auffrischspannung durch Einstellen einer kürzeren Auffrischzeit weiter ab, so dass die während des Auffrischungsprozesses erzeugte elektrische Energiemenge weiter ansteigt. In dieser Ausführungsform wird der Auffrischungsprozess am Ende des intermittierenden Betriebs durchgeführt. Nach dem Ende des intermittierenden Betriebs liegt normalerweise eine elektrische Leistungsanforderung des Motors 170 vor. Da sich die erzeugte elektrische Energiemenge, wie oben beschrieben, während des Auffrischungsprozesses erhöht, kann eine übermäßige Reduzierung der verbleibenden Kapazität der Sekundärbatterie 172 vermindert werden. Aus der oben beschriebenen Sicht ist die Auffrischzeit, obwohl sie keiner besonderen Beschränkung unterliegt, 0,5 Sekunden oder kürzer und bevorzugter 0,1 Sekunden oder kürzer.
In dieser Ausführungsform wird die Menge berechnet, um die der Oxidfilm bei Ausführung des Auffrischungsprozesses von der Kathode abzutragen ist, um dafür zu sorgen, dass eine Teilmenge des Oxidfilms nach der Auffrischung auf der Kathode verbleibt. Eine fortschreitende Verschlechterung der Kathode infolge der durch den Auffrischungsprozess von der Kathode entfernten überschüssigen Menge und der Abfall der elektrischen Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 können dadurch vermindert werden.
Zur Einstellung der nach dem Auffrischungsprozess übrig bleibenden Menge des Oxidfilms (verschlechterungsmindernde Filmmenge) wird in dieser Ausführungsform die Auffrischbedingung verwendet, in der die Auffrischzeit die kürzeste Auffrischzeit im System ist und die Auffrischspannung die untere Auffrisch-Grenzspannung (in dieser Ausführungsform 0,4 V) ist, die zum zulässigen Bereich der Kathodenverschlechterung (Ergebnis der Lebensdauerprüfung) wird, wenn der Auffrischungsprozess innerhalb der kürzesten Auffrischzeit ausgeführt wird. Die nach dem Auffrischungsprozess verbleibende Menge des Oxidfilms (die verschlechterungsmindernde Filmmenge) wird dadurch eingestellt, dass die Menge an Oxidfilm, die bei Ausführung des Auffrischungsprozesses unter Auffrischbedingung abgetragen wird, von der maximalen Filmmenge subtrahiert wird. Wenn für den Fall, dass eine größere Menge des Oxidfilms abgetragen wird, indem der Auffrischungsprozess bei einer Auffrischspannung ausgeführt wird, die auf eine Spannung kleiner als die untere Auffrisch-Grenzspannung eingestellt ist (8 zeigt ein Beispiel, in dem die untere Auffrisch-Grenzspannung 0,3 V beträgt), die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit eingestellt wird, wie in 9 dargestellt, schreitet die Verschlechterung der Kathode fort, und die elektrische Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 sinkt erheblich. Wie oben beschrieben, wird davon ausgegangen, dass selbst im Falle einer übermäßigen Menge an entferntem Oxid, wie in einem Fall mit langer Auffrischzeit, sich der Grad der Reduktion des Oxids des in der Kathode vorhandenen Katalysators erhöht und somit die Verschlechterung der Kathode fortschreitet. Eine vermindernde Wirkung auf die auffrischungsbedingte Verschlechterung der Kathode lässt sich steigern, indem der Auffrischungsprozess so ausgeführt wird, dass die gemäß der obigen Beschreibung eingestellte verschlechterungsmindernde Filmmenge übrig bleibt.
In dieser Ausführungsform wird der Auffrischungsprozess am Ende des intermittierenden Betriebs durchgeführt. Während des intermittierenden Betriebs nimmt das Kathodenpotenzial im Allgemeinen einen hohen Potenzialwert an, und der Oxidfilm bildet sich leicht auf der Kathode aus. Deshalb kann der Oxidfilm auf der Kathode effizient entfernt werden, indem der Auffrischungsprozess zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird. Der Auffrischungsprozess kann beispielsweise in der Mitte eines Betriebszustands ausgeführt werden, in dem eine Lastanforderung des Motors 170 anliegt. Durch Ausführung des Auffrischungsprozesses zum Endzeitpunkt des intermittierenden Betriebs gemäß obiger Beschreibung ist es jedoch möglich, einen übermäßigen Abfall der verbleibenden Kapazität der Sekundärbatterie 172 zu unterdrücken.
Weitere Ausführungsformen
Bei Bestimmung der Auffrischspannung in Schritt S130 in dieser Ausführungsform kann eine minimale Auffrischspannung (V_min ) bereitgestellt werden, um die Auffrischspannung auf einen Wert gleich oder größer als die minimale Auffrischspannung (V_min ) einzustellen. Die minimale Auffrischspannung kann beispielsweise die oben beschriebene untere Auffrisch-Grenzspannung sein, das heißt die untere Auffrischspannungsgrenze (in dieser Ausführungsform 0,4 V), welche die Untergrenze der Ausgangsspannung ist, die zum zulässigen Bereich der Kathodenverschlechterung (Ergebnis der Lebensdauerprüfung) wird, wenn der Auffrischungsprozess innerhalb der kürzesten Auffrischzeit bei Auffrischspannung ausgeführt wird, indem die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit im System eingestellt wird. Wenn beispielsweise, wie in 5 zu sehen, die in Schritt S120 berechnete Menge, um die der Oxidfilm abzutragen ist, 10 C beträgt, kann als Auffrischbedingung an Stelle der Bedingung P4, in der die Auffrischzeit die kürzeste Auffrischzeit (0,1 Sekunden) ist und die Auffrischspannung kleiner als die minimale Auffrischspannung (V_min ) ist, eine Bedingung P3 angesetzt werden, in der die Auffrischspannung den Wert der minimalen Auffrischspannung (V_min ) annimmt. Dementsprechend kann eine durch eine übermäßig niedrige Auffrischspannung verursachte Verschlechterung der Kathode vermindert werden.
Um die Auffrischspannung in Schritt S130 zu bestimmen, wird in dieser Ausführungsform die dritte Beziehung, bei der es sich um die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 bei Ausführung des Auffrischungsprozesses, der Auffrischzeit und der durch den Auffrischungsprozess entfernten Menge des Oxidfilms handelt, gespeichert und als Bezugsbasis verwendet. Es kann jedoch auch eine andere Ausgestaltung verwendet werden. Die Auffrischzeit kann beispielsweise auf die kürzeste Auffrischzeit (zum Beispiel 0,1 Sekunden) festgelegt werden, die Beziehung zwischen der Auffrischspannung während der kürzesten Auffrischzeit und der durch den Auffrischungsprozess entfernten Menge an Oxidfilm kann gespeichert werden, und die Auffrischspannung kann auf dieser Basis bestimmt werden. Wenn die Auffrischzeit auf die kürzeste Auffrischzeit eingestellt ist, kann zu diesem Zeitpunkt beispielsweise die Auffrischspannung als die mit Bezug auf die durch die Auffrischspannung verursachte Oxidfilmmenge minimale Auffrischspannung (V_min ) festgelegt werden, die niedriger als die oben beschriebene minimale Auffrischspannung (V_min ) ist, und die Beziehung zwischen der Auffrischzeit und der Menge an Oxidfilm kann gespeichert werden.
In dieser Ausführungsform wird das Brennstoffzellensystem 30 als Kraftquelle zum Antreiben eines Fahrzeugs verwendet, kann aber in einer anderen Ausgestaltung verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem kann als Kraftquelle zum Antreiben eines bewegten Körpers, der kein Fahrzeug ist, oder auch als stationäre Kraftquelle verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann in verschiedenen Ausgestaltungen realisiert werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technische Merkmale in den Ausführungsformen, die den technischen Merkmalen der in der „KURZFASSUNG DER ERFINDUNG“ beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen entsprechen, auf geeignete Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einige oder alle oben beschriebenen Probleme zu lösen oder um einige oder alle oben beschriebenen Wirkungen zu erzielen. Die technischen Merkmale können zweckmäßig ausgelassen werden, so lange die Merkmale in dieser Schrift nicht als unentbehrlich beschrieben 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

WO 2013/128610 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle (100), die eine Elektrolytmembran, eine Anode und eine Kathode aufweist; einen Spannungsregler (104), der ausgelegt ist zum Regeln einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100); und ein Steuergerät (200), das ausgelegt ist zum Durchführen eines Auffrischungsprozesses zur Absenkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) auf eine Reduktionsspannung, bei der ein auf der Kathode ausgebildeter Oxidfilm reduziert wird, durch Steuerung des Spannungsreglers (104), wobei: das Steuergerät (200) dazu ausgelegt ist, vor dem Auffrischungsprozess anhand der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) und einer Zeit eine erste Menge zu berechnen, wobei die erste Menge eine Menge ist, um die der Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist, das Steuergerät (200) dazu ausgelegt ist, vor dem Auffrischungsprozess als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) eine Auffrischspannung zu bestimmen, die ein Abtragen der ersten Menge des Oxidfilms innerhalb einer voreingestellten Referenzzeit ermöglicht; und das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Betreiben des Spannungsreglers (104), um zu bewirken, dass bei Durchführung des Auffrischungsprozesses die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) die Auffrischspannung wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Berechnen der ersten Menge dergestalt, dass ein vor Durchführung des Auffrischungsprozesses auf der Kathode ausgebildeter Teil des Oxidfilms nach Durchführung des Auffrischungsprozesses auf der Kathode verbleibt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Berechnen einer zweiten Menge, die eine Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms ist, und Berechnen der ersten Menge durch Subtrahieren einer dritten Menge von der zweiten Menge, wobei die dritte Menge im Voraus als eine Menge des Teils des Oxidfilms bestimmt wird, der nach dem Auffrischungsprozess verbleiben soll, um eine Verschlechterung der Brennstoffzelle (100) zu vermindern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Berechnen der dritten Menge, indem eine Menge, um die der Oxidfilm auf der Kathode abgetragen wird, wenn der Auffrischungsprozess bei einer vorherbestimmten unteren Grenzspannung und über eine vorherbestimmte untere Grenzzeit durchgeführt wird, von einem Höchstwert einer Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms subtrahiert wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend: einen Spannungssensor, der ausgelegt ist zum Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100); ein Zeitglied, das ausgelegt ist zum Messen einer Haltezeit, während der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) auf einem konstanten Wert gehalten wird; einen ersten Speicherbereich, der ausgelegt ist zum Speichern einer ersten Beziehung, die eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100), der Haltezeit und einer Menge des ausgebildeten Oxidfilms ist; und einen zweiten Speicherbereich, der ausgelegt ist zum Speichern einer zweiten Beziehung, die eine Beziehung ist zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100), der Haltezeit und einer Menge, um die der ausgebildete Oxidfilm abgetragen wird, wobei das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Berechnen der zweiten Menge durch Berechnen und Integrieren der Menge des auf der Kathode ausgebildeten Oxidfilms und der Menge, um die der Oxidfilm von der Kathode abgetragen wird, über die Zeit anhand der erfassten Ausgangsspannung, der gemessenen Haltezeit, der ersten Beziehung und der zweiten Beziehung.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: einen dritten Speicherbereich, der ausgelegt ist zum Speichern einer dritten Beziehung, die eine Beziehung ist zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) bei Durchführung des Auffrischungsprozesses, einer Haltezeit, während der der Auffrischungsprozess durchgeführt wird, und einer Menge, um die der Oxidfilm durch den Auffrischungsprozess abgetragen wird, wobei das Steuergerät (200) ausgelegt ist zum Bestimmen der Auffrischspannung, die ein Abtragen der ersten Menge des Oxidfilms von der Kathode innerhalb der Referenzzeit ermöglicht, anhand der dritten Beziehung.
Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle umfasst, die eine Elektrolytmembran, eine Anode und eine Kathode aufweist, wobei das Steuerungsverfahren umfasst: Berechnen einer ersten Menge anhand einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) und einer Zeit, während der eine elektrische Leistung von der Brennstoffzelle (100) abgegeben wurde, wobei die erste Menge eine Menge ist, um die ein Oxidfilm von der Kathode abzutragen ist; Bestimmen einer Auffrischspannung, die eine Reduktion und Abtragung der ersten Menge des Oxidfilms innerhalb einer voreingestellten Referenzzeit ermöglicht, als Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100), und Regeln der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (100) auf die Auffrischspannung.