DE102019105797B4

DE102019105797B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102019105797B4
Application number: DE102019105797.3A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Watanabe; Norihiro FUKAYA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: US11108062B2; JP6996361B2; JP2019160501A; DE102019105797A1; US20190280315A1; CN110265689A; CN110265689B

Abstract

Brennstoffzellensystem (110), aufweisend:eine Brennstoffzelle (10), die konfiguriert ist, um elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas zu erzeugen;einen Kathodengaszufuhrströmungskanal (22), der konfiguriert ist, um das Kathodengas der Brennstoffzelle (10) zuzuführen;einen Kathodengasauslassströmungskanal (24), der konfiguriert ist, um das Kathodengas aus der Brennstoffzelle (10) auszutragen;einen Turbokompressor (42), der im Kathodengaszufuhrströmungskanal (22) angeordnet ist;ein Druckeinstellventil (46), das im Kathodengasauslassströmungskanal (24) angeordnet ist;eine Außenluftdruckerfassungseinheit (81), die konfiguriert ist, um außenluftdruckbezogene Informationen zu erfassen, die einem Außenluftdruck zugeordnet sind;eine Wassermengenerfassungseinheit (83), die konfiguriert ist, um wassermengenbezogene Informationen zu erfassen, die einer Wassermenge in der Brennstoffzelle (10) zugeordnet sind; undeine Steuereinheit (80), die konfiguriert ist, um eine Druckminderungssteuerung zum Erhöhen einer Durchflussmenge des der Brennstoffzelle (10) vom Turbokompressor (42) zugeführten Kathodengases durchzuführen, indem das Druckeinstellventil (46) so gesteuert wird, dass ein Druck in der Brennstoffzelle (10) niedriger ist, wenn eine Druckminderungsbedingung erfüllt ist, als wenn die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist, wobei die Druckminderungsbedingung eine Bedingung ist, dass der Außenluftdruck, der auf Basis der Informationen über den Außenluftdruck bestimmt wird, niedriger ist als ein im Voraus bestimmter Außenluftdruckschwellenwert (Ah), und dass die Wassermenge, die auf Basis der Informationen über die Wassermenge bestimmt wird, gleich oder größer ist als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert (Wh).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In der japanischen Patentanmeldung JP 2008-91257 A wird ein Verfahren zur Reduzierung der Belastung eines Luftkompressors durch den Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einem Hochland offenbart, wodurch die Temperatur einer Brennstoffzelle bei Überlastung des Luftkompressors erhöht, die Wassermenge in der Brennstoffzelle reduziert und die Menge an überschüssiger Luft reduziert wird, die zum Entleeren des in einer Kathode erzeugten Wassers benötigt wird. Bei diesem Verfahren wird die Ausgabe bzw. Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöht, indem veranlasst wird, dass das Kathodengas in der Brennstoffzelle effizient reagiert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In der japanischen Patentanmeldung JP 2008-91257 A kann das Innere einer Brennstoffzelle 10 aufgrund der erhöhten Temperatur in der Brennstoffzelle 10 trocken werden. Daher muss der Druck in der Brennstoffzelle erhöht werden, um das Innere der Brennstoffzelle vor dem Austrocknen zu schützen. In der japanischen Patentanmeldung JP 2008-91257 A kann die Last eines Roots-Kompressors definitiv reduziert werden, auch wenn der Druck in der Brennstoffzelle erhöht wird, wenn dieser Kompressor als Luftkompressor eingesetzt wird.
Der Erfinder der vorliegenden Anwendung hat jedoch herausgefunden, dass die Last eines Turbokompressors im Gegensatz dazu durch den Druckanstieg in der Brennstoffzelle steigen kann, wenn der Turbokompressor als Luftkompressor eingesetzt wird, und dass es ein Problem gibt, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht ausreichend gesteigert werden kann. Daher wurde in dem mit dem Turbokompressor ausgestatteten Brennstoffzellensystem eine weitere Technik zur Steigerung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Hochland gewünscht.
Die Erfindung wird auf die folgende Art und Weise realisiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Dieses Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle, die konfiguriert ist, um elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas zu erzeugen, einen Kathodengaszufuhrströmungskanal, der konfiguriert ist, um das Kathodengas der Brennstoffzelle zuzuführen, einen Kathodengasauslassströmungskanal, der konfiguriert ist, um das Kathodengas aus der Brennstoffzelle auszutragen, einen Turbokompressor, der im Kathodengaszufuhrströmungskanal angeordnet ist, ein Druckeinstellventil, das im Kathodengasauslassströmungskanal angeordnet ist, eine Außenlufterfassungseinheit, die konfiguriert ist, um außenluftdruckbezogene Informationen zu erfassen, die einem Außenluftdruck zugeordnet sind, eine Wassermengenerfassungseinheit, die konfiguriert ist, um wassermengenbezogene Informationen zu erfassen, die einer Wassermenge in der Brennstoffzelle zugeordnet sind, und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um eine Druckminderungssteuerung zum Erhöhen einer Durchflussmenge des der Brennstoffzelle vom Turbokompressor zugeführten Kathodengases durchzuführen, indem das Druckeinstellventil so gesteuert wird, dass ein Druck in der Brennstoffzelle niedriger ist, wenn eine Druckminderungsbedingung erfüllt ist, als wenn die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist. Die Druckminderungsbedingung ist eine Bedingung, dass der Außenluftdruck, der auf Basis der Informationen über den Außenluftdruck bestimmt wird, niedriger ist als ein im Voraus bestimmter Außenluftdruckschwellenwert, und dass die Wassermenge, die auf Basis der Informationen über die Wassermenge bestimmt wird, gleich oder größer ist als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert. Gemäß dem Brennstoffzellensystem nach diesem Aspekt kann die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases durch eine Druckreduzierungs- bzw. Druckminderungssteuerung erhöht werden, wenn davon ausgegangen wird, dass das Brennstoffzellensystem in einem Hochland arbeitet. Dadurch kann die Leistung der Brennstoffzelle gesteigert werden.
Bei dem Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um den Druck in der Brennstoffzelle zu reduzieren, wenn der Außenluftdruck bei der Druckminderungssteuerung fällt. Gemäß dem Brennstoffzellensystem nach diesem Aspekt kann die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases durch die Durchführung der Druckminderungssteuerung effizient erhöht werden.
Das Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts kann eine Temperaturmesseinheit beinhalten, die konfiguriert ist, um eine Temperatur der Brennstoffzelle zu messen. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Druckminderungssteuerung zu unterlassen bzw. nicht durchzuführen, wenn die Temperatur gleich oder höher als ein zuvor bestimmter Temperaturschwellenwert ist. Gemäß dem Brennstoffzellensystem nach diesem Aspekt kann verhindert werden, dass das Innere der Brennstoffzelle schnell trocknet.
Bei dem Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um die Druckminderungssteuerung durchzuführen, wenn die Temperatur unter dem im Voraus bestimmten Temperaturschwellenwert liegt.
Das Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts kann eine erste Druckmesseinheit beinhalten, die konfiguriert ist, um den Druck in der Brennstoffzelle zu messen. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Druckminderungssteuerung durchzuführen, wenn der Druck höher ist als ein zuvor bestimmter oberer Druckgrenzwert bzw. Druckobergrenzwert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems angegeben, das eine Brennstoffzelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas zu erzeugen, einen Kathodengaszufuhrströmungskanal, der konfiguriert ist, um das Kathodengas der Brennstoffzelle zuzuführen, einen Kathodengasauslassströmungskanal, der konfiguriert ist, um das Kathodengas aus der Brennstoffzelle auszutragen, einen Turbokompressor, der in dem Kathodengaszufuhrströmungskanal angeordnet ist, und ein Druckeinstellventil, das in dem Kathodengasauslassströmungskanal angeordnet ist. Das Verfahren beinhaltet das Durchführen einer Druckminderungssteuerung zum Erhöhen einer Durchflussmenge des der Brennstoffzelle vom Turbokompressor zugeführten Kathodengases durch Steuern des Druckeinstellventils derart, dass ein Druck in der Brennstoffzelle niedriger ist, wenn eine Druckminderungsbedingung erfüllt ist, als wenn die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist. Die Druckminderungsbedingung ist eine Bedingung, dass ein Außenluftdruck niedriger ist als ein im Voraus bestimmter Außenluftdruckschwellenwert, und dass eine Wassermenge in der Brennstoffzelle gleich oder größer ist als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert.
Die Erfindung kann in verschiedenen Aspekten realisiert werden. So kann die Erfindung beispielsweise in Aspekten wie einem Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems und dergleichen realisiert werden.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems als eine der Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis und der Durchflussmenge des Kathodengases zeigt;
3 eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Druck in einer Brennstoffzelle 10 und der Wassermenge zeigt;
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Druckminderungssteuerung;
5 eine Ansicht, die den Außenluftdruck und den Wert des Drucks in der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung zeigt;
6 ein Flussdiagramm bei der zweiten Ausführungsform;
7 ein Flussdiagramm bei der dritten Ausfuhrungsform; und
8 eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Außenluftdruck und dem Druckobergrenzwert darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 110 als eine der Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 110 ist mit einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden einfach als „Brennstoffzelle“ bezeichnet) 10, einem Kathodengasströmungskanal 20, einem Anodengasströmungskanal 30, einem Kühlströmungskanal 70 und einer Steuereinheit 80 ausgestattet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 110 in einem Fahrzeug montiert.
Die Brennstoffzelle 10 wird beispielsweise durch das Stapeln von Stromerzeugungsmodulen gebildet, von denen jedes mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (einer MEA) ausgestattet ist, die durch das Verbinden beider Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode, mit beiden Seiten einer Elektrolytmembran erhalten wird. Die Brennstoffzelle 10 erzeugt elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoffgas als Anodengas, das von einem Anodengastank 60 zugeführt wird, und Sauerstoff in der Atmosphäre als Kathodengas. Im Übrigen kann beispielsweise auch Alkohol oder Kohlenwasserstoff als Anodengas anstelle von Wasserstoffgas verwendet werden.
Der Kathodengasströmungskanal 20 ist ein Strömungskanal, durch den der Brennstoffzelle 10 Kathodengas zugeführt und aus ihr ausgetragen wird. Der Kathodengasströmungskanal 20 ist mit einem Kathodengaszufuhrströmungskanal 22, durch den das Kathodengas der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, einem Kathodengasauslassströmungskanal 24, durch den das Kathodengas aus der Brennstoffzelle 10 ausgetragen wird, und einem Bypassströmungskanal 26 ausgestattet, der eine Verbindung zwischen dem Kathodengaszufuhrströmungskanal 22 und dem Kathodengasauslassströmungskanal 24 herstellt.
Der Kathodengaszufuhrströmungskanal 22 ist, nacheinander von einer stromaufwärts gelegenen Seite desselben, mit einem Außenluftdruckmesser 41, einem Durchflussmesser 40, einem Turbokompressor 42, einem Versorgungsventil 44 und einem Druckmesser 45 ausgestaltet. Der Außenluftdruckmesser 41 ist ein Gerät, das einen Außenluftdruck misst. Der Durchflussmesser 40 ist ein Gerät, das die Durchflussmenge des in das Brennstoffzellensystem 110 eingeleiteten Kathodengases misst. Der Turbokompressor 42 ist ein Gerät, das das eingeleitete Kathodengas komprimiert und dieses Kathodengas an die Brennstoffzelle 10 abgibt. Das Versorgungsventil 44 ist ein Ventil, das das Vorhandensein/Fehlen von Kathodengas steuert, das vom Turbokompressor 42 in die Brennstoffzelle 10 strömt, und ist im Kathodengaszufuhrströmungskanal 22 stromabwärts von einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem Bypassströmungskanal 26 verbunden ist. Das Manometer bzw. der Druckmesser 45 ist ein Gerät, das einen Druck an einem Kathodengaseinlass der Brennstoffzelle 10 misst. Bei der vorliegenden Ausführungsform misst der Druckmesser 45 einen Druck am Kathodengaseinlass der Brennstoffzelle 10, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann beispielsweise ein Druck an einem Kathodengasauslass der Brennstoffzelle 10 gemessen werden, indem der Druckmesser 45 im Kathodengasauslassströmungskanal 24 angeordnet wird.
Ein Druckeinstellventil 46, das den Druck des Kathodengases auf einer Kathodenauslassseite der Brennstoffzelle 10 einstellt, ist im Kathodengasauslassströmungskanal 24 stromaufwärts von einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem Bypassströmungskanal 26 verbunden ist. Im Bypassströmungskanal 26 ist ein Bypassventil 48 vorgesehen, das die Durchflussmenge von Kathodengas im Bypassströmungskanal 26 einstellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Bypassströmungskanal 26 ein Strömungskanal, der einen Abschnitt des Kathodengaszufuhrströmungskanals 22 zwischen dem Kompressor 42 und dem Versorgungsventil 44 mit einem Abschnitt des Kathodengasauslassströmungskanals 24 stromabwärts des Druckeinstellventils 46 verbindet.
Der Anodengasströmungskanal 30 ist ein Strömungskanal, durch den der Brennstoffzelle 10 Anodengas zugeführt und aus ihr ausgetragen wird. Der Anodengasströmungskanal 30 ist mit einem Anodengaszufuhrströmungskanal 32, durch den Anodengas der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, einem Anodengasauslassströmungskanal 34, durch den Anodengas aus der Brennstoffzelle 10 ausgetragen wird, und einem Anodengaszirkulationsströmungskanal 36, der eine Verbindung zwischen dem Anodengaszufuhrströmungskanal 32 und dem Anodengasauslassströmungskanal 34 herstellt, ausgestattet.
Der Anodengaszufuhrströmungskanal 32 ist mit dem Anodengastank 60 verbunden. Der Anodengaszufuhrströmungskanal 32 ist nacheinander von einer stromaufwärts gelegenen Seite desselben, mit einem Auf/Zu-Ventil 52, einem Regler 54, einer stromaufwärts gelegenen Druckmesseinheit 53, einem Injektor 56 und einer Druckmesseinheit 55 ausgestaltet. Das Auf/Zu-Ventil 52 ist ein Ventil, das das Vorhandensein/Fehlen von Anodengas steuert, das aus dem Anodengastank 60 in die stromaufwärtige Seite des Injektors 56 strömt. Der Regler 54 ist ein Ventil zum Einstellen des Drucks des Anodengases vor dem Injektor 56. Der Injektor 56 ist ein Ventil, das das Einströmen von Anodengas in die Brennstoffzelle 10 steuert. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Injektor 56 im Anodengaszufuhrströmungskanal 32 stromaufwärts von einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem Anodengaszirkulationsströmungskanal 36 verbunden ist. Die stromaufwärts gelegene Druckmesseinheit 53 ist ein Gerät, das einen Druck an einem Eingang des Injektors 56 misst. Die Druckmesseinheit 55 ist ein Gerät, das einen Druck an einem Anodengaseinlass der Brennstoffzelle 10 misst. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Druckmesseinheit 55 im Anodengaszufuhrströmungskanal 32 von einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem Anodengaszirkulationsströmungskanal 36 verbunden ist.
Der Anodengasauslassströmungskanal 34 ist mit einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58 verbunden. Der Anodengasauslassströmungskanal 34 führt nicht reagierte Gase (Anodengas, Stickstoffgas und dergleichen), die nicht für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 verwendet wurden, und das in der Brennstoffzelle 10 erzeugte Wasser zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58.
Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58 trennt das aus der Anode der Brennstoffzelle 10 abgeführte Gas und die Flüssigkeit voneinander. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58 ist mit dem Anodengaszirkulationsströmungskanal 36 und einer Auslassleitung 38 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58 führt das nicht reagierte Anodengas, das nicht für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 verwendet wurde, zum Anodengaszirkulationsströmungskanal 36 und leitet das in der Brennstoffzelle 10 erzeugte Wasser und Stickstoffgas zur Auslassleitung 38.
Im Anodengaszirkulationsströmungskanal 36 ist eine Pumpe 50 vorgesehen. Die Pumpe 50 fördert die Gase einschließlich des Anodengases, das durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 58 abgeschieden wurde, in den Anodengaszufuhrströmungskanal 32. Das Brennstoffzellensystem 110 erhöht den Nutzungsgrad des Anodengases, indem es Anodengas zirkuliert und dieses Anodengas wieder der Brennstoffzelle 10 zuführt.
Die Auslassleitung 38 ist eine Rohrleitung zum Ausstoßen der durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 voneinander getrennten Flüssigkeit und des Gases aus dem Brennstoffzellensystem 110 nach außen. Die Auslassleitung 38 ist, nacheinander von einer stromaufwärts gelegenen Seite derselben, mit einem Abgasablassventil 57, das Gas ableitet und Wasser austrägt, und einem Schalldämpfer 59 versehen, der den beim Ableiten von Gas und Austragen von Wasser entstehenden Lärm reduziert.
Der Kühlströmungskanal 70 ist ein Strömungskanal, der zum Kühlen der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist, und ist ein Strömungskanal, der einen Kühler 74 zum Kühlen eines Kühlmediums im Kühlströmungskanal 70 mit einem Kühlmittelströmungskanal in der Brennstoffzelle 10 verbindet. Eine Temperaturmesseinheit 72 ist im Kühlströmungskanal 70 stromaufwärts bzw. vor dem Kühler 74 vorgesehen. Eine Pumpe 76 ist im Kühlströmungskanal 70 stromabwärts bzw. nach dem Kühler 74 vorgesehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit der Temperaturmesseinheit 72 gemessen werden.
Der DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler 94 erhöht eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10, liefert die erhöhte Ausgangsspannung an eine PCU 95 und ist ebenfalls an eine Sekundärbatterie 96 angeschlossen. Die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Leistung wird einer Last, wie beispielsweise einem Antriebsmotor zum Antreiben von Rädern oder dergleichen, dem oben genannten Turbokompressor 42, der oben genannten Pumpe 50 und verschiedenen Ventilen über eine elektrische Stromversorgungsschaltung mit der PCU 95 zugeführt. Die PCU 95 begrenzt den Strom der Brennstoffzelle 10 durch die Steuerung durch die Steuereinheit 80. Im Übrigen sind zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Gleichstromwandler 94 eine Strommesseinheit 91, die einen Strom der Brennstoffzelle 10 misst, und eine Spannungsmesseinheit 92, die eine Spannung der Brennstoffzelle 10 misst, sowie eine Impedanzmesseinheit 93, die eine Impedanz der Brennstoffzelle 10 misst, vorgesehen. Außerdem ist die Steuereinheit 80 mit einem GNSS-Empfänger 84 verbunden, der GNSS-Informationen empfängt.
Die Steuereinheit 80 ist als Computer konfiguriert, der mit einer CPU, einem Speicher und einer Schnittstellenschaltung ausgestattet ist, an die die oben genannten jeweiligen Komponenten angeschlossen sind. Die Steuereinheit 80 gibt ein Signal zum Steuern der Aktivierung und des Stopps der Komponenten im Brennstoffzellensystem 110 gemäß einem Befehl einer elektronischen Steuereinheit (eine ECU) 82 aus. Die ECU 82 ist eine Steuereinheit, die das gesamte Fahrzeug einschließlich des Brennstoffzellensystems 110 steuert. So führt beispielsweise die ECU 82 die Steuerung des Fahrzeugs gemäß eines Niederdrückbetrags eines Gaspedals, eines Niederdrückbetrags eines Bremspedals, einer Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen durch. Im Übrigen kann die ECU 82 in einem Teil der Funktion der Steuereinheit 80 enthalten sein. Die CPU übernimmt die Steuerung der Erzeugung elektrischer Leistung durch das Brennstoffzellensystem 110, indem sie ein im Speicher gespeichertes Steuerprogramm ausführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung durch, um die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle 10 vom Turbokompressor 42 zugeführten Kathodengases zu erhöhen, indem sie das Druckeinstellventil 46 so steuert, dass der Druck in der Brennstoffzelle 10, wenn eine im Voraus bestimmte Druckminderungsbedingung erfüllt ist, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist, reduziert wird. Dieser Mechanismus wird im Folgenden beschrieben.
2 ist eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis und der Durchflussmenge (NL/Minute) des vom Turbokompressor 42 gelieferten Kathodengases zeigt. Das Druckverhältnis ist ein Wert, der durch Division eines Ausgangsdrucks des Turbokompressors 42 durch einen Eingangsdruck desselben erhalten wird. Der Eingangsdruck kann als gleich einem Außenluftdruck angesehen werden. Daher steigt das Druckverhältnis bei unverändertem Ausgangsdruck des Turbokompressors 42 mit sinkendem Außenluftdruck an.
Jede einer Mehrzahl von Kurven in 2 zeigt eine Beziehung zwischen dem Druckverhältnis und der Durchflussmenge von Kathodengas zu dem Zeitpunkt an, zu dem der Turbokompressor 42 mit der gleichen Drehzahl gedreht wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Turbokompressor 42 als Kompressor bzw. Verdichter eingesetzt. Selbst wenn Kathodengas mit gleicher Drehzahl zur Brennstoffzelle 10 geleitet wird, unterscheidet sich die Durchflussmenge des Kathodengases daher abhängig vom Druckverhältnis erheblich. Eine Kurve SM zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis und der Durchflussmenge des Kathodengases zu dem Zeitpunkt, zu dem die Drehzahl des Turbokompressors 42 maximiert wird.
Es sei hierbei angemerkt, dass davon ausgegangen wird, dass der Turbokompressor 42 Kathodengas mit einer Durchflussmenge FA liefert, um eine von der ECU 82 geforderte Leistung der Brennstoffzelle 10 zu erfüllen. Zu diesem Zeitpunkt ist, wenn sich das Brennstoffzellensystem 110 in einem Flachland befindet, der Außenluftdruck höher und damit ist das Druckverhältnis kleiner als in einem Fall, bei dem das Brennstoffzellensystem 110 in einem Hochland ist. Dadurch kann die Steuereinheit 80 der Brennstoffzelle 10 Kathodengas mit der Durchflussmenge FA zuführen, auch wenn die Drehzahl des Turbokompressors 42 nicht maximiert ist.
Andererseits ist, wenn sich das Brennstoffzellensystem 110 in dem Hochland befindet, der Außenluftdruck niedriger und damit ist das Druckverhältnis größer als in einem Fall, bei dem sich das Brennstoffzellensystem 110 in dem Tiefland befindet. Infolgedessen wird in einigen Fällen die Durchflussmenge FA des Kathodengases auch bei maximierter Drehzahl des Turbokompressors 42 nicht erreicht. In einem solchen Fall kann der Turbokompressor 42 nur Kathodengas bis zu einer Durchflussmenge FB zu dem Zeitpunkt liefern, zu dem seine Drehzahl maximiert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform steuert die Steuereinheit 80 jedoch das Druckeinstellventil 46 so, dass der Druck in der Brennstoffzelle 10 reduziert wird, wenn die zuvor bestimmte Druckminderungsbedingung erfüllt ist. Wenn der Druck in der Brennstoffzelle 10 sinkt, sinkt der Ausgangsdruck des Turbokompressors 42, so dass das Druckverhältnis kleiner ist als bei Nichterfüllung der Druckminderungsbedingung. Dadurch kann die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle 10 vom Turbokompressor 42 zugeführten Kathodengases unter Beibehaltung der Drehzahl des Turbokompressors 42 erhöht werden. Übrigens wird in diesem Beispiel, um das Verständnis der Inhalte zu erleichtern, die Drehzahl des Turbokompressors 42 maximiert. Dieser Mechanismus ist jedoch auch dann gültig, wenn die Drehzahl des Turbokompressors 42 nicht maximiert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuereinheit eine Druckminderungssteuerung durch, wenn die Druckminderungsbedingung erfüllt ist, dass der Außenluftdruck niedriger ist als ein vorher bestimmter Außenluftdruckschwellenwert und dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer ist als ein vorher bestimmter Wassermengenschwellenwert. Es sei erwähnt, dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 aufgrund der Druckminderungssteuerung abnimmt, was der Grund dafür ist, dass die Druckminderungssteuerung durchgeführt wird, wenn die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert ist. Nachfolgend wird ein Mechanismus beschrieben, nach dem die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 aufgrund einer Druckminderungssteuerung abnimmt.
3 ist eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Druck in der Brennstoffzelle 10 und der Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 zeigt. Der Wasserdampfdruck in der Brennstoffzelle 10 ist unabhängig vom Gesamtdruck der Gase in der Brennstoffzelle 10 konstant. Daher ist das Verhältnis des Partialdrucks anderer Gase als Wasserdampf größer, wenn der Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10 hoch ist, als wenn der Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10 niedrig ist. In dem Fall, dass die Gase in der Brennstoffzelle 10 in den Kathodengasauslassströmungskanal 24 geleitet werden, ist das Verhältnis des in den ausgetragenen Gasen enthaltenen Wasserdampfes daher größer, wenn der Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10 niedrig ist, als wenn der Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10 hoch ist. Infolgedessen nimmt die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 bei niedrigem Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10 stärker ab als bei hohem Gesamtdruck in der Brennstoffzelle 10. Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuereinheit 80 daher eine Druckminderungssteuerung durch, wenn die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert ist.
4 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Druckminderungssteuerung, die von der Steuereinheit 80 durchgeführt wird. Dieser Prozess wird von der Steuereinheit 80 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 110 konstant und wiederholt durchgeführt.
Zunächst bestimmt die Steuereinheit 80, ob der Außenluftdruck niedriger ist als ein vorher bestimmter Außenluftdruckschwellenwert Ah (Prozess P100). Die Steuereinheit 80 ist mit einer Außenluftdruckerfassungseinheit 81 ausgestattet, die außenluftdruckbezogene Informationen bzw. Informationen über den Außenluftdruck erfasst, die dem Außenluftdruck zugeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Außenluftdruckerfassungseinheit 81 einen vom Außenluftdruckmesser 41 gemessenen Außenluftdruck als die dem Außenluftdruck zugeordnete Information, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann beispielsweise die Außenluftdruckerfassungseinheit 81 im Voraus eine Nachschlagetabelle speichern, die eine Position mit dem Außenluftdruck an der Position verknüpft, anhand der vom GNSS-Empfänger 84 erfassten GNSS-Informationen eine Position bestimmen, an der sich das Brennstoffzellensystem 110 befindet, und durch Verwendung dieser Nachschlagetabelle einen Außenluftdruck an der Position erfassen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Außenluftdruckschwellenwert Ah gleich dem Standard-Luftdruck bzw. Normaldruck (1 atm; = 1,01325 bar), aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann der Außenluftdruckschwellenwert Ah beispielsweise gleich 0,9 atm (= 0,911925 bar) oder 0,8 atm (= 0,8106 bar) sein. Mit anderen Worten, der Außenluftdruckschwellenwert Ah ist vorzugsweise gleich einem Wert, der durch Multiplikation des Standard-Luftdrucks bzw. Normaldrucks mit einem Koeffizienten gleich oder kleiner als 1 erhalten wird, und dieser Koeffizient wird vorzugsweise auf einen Wert kleiner als 1 eingestellt.
Wenn bestimmt wird, dass der Außenluftdruck niedriger als der Außenluftdruckschwellenwert Ah ist (JA in Prozess P100), bestimmt die Steuereinheit 80, ob die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert Wh (Prozess P110) ist oder nicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Wassermengenschwellenwert Wh eine Menge (L), die 30% des Volumens in der Brennstoffzelle 10 entspricht, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann der Wassermengenschwellenwert Wh beispielsweise eine Menge (L) sein, die 35% oder 40% des Volumens in der Brennstoffzelle 10 entspricht.
Die Steuereinheit 80 ist mit einer Wassermengenerfassungseinheit 83 ausgestattet, die wassermengenbezogene Informationen bzw. Informationen über die Wassermenge erfasst, die einer Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 zugeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform leitet die Wassermengenerfassungseinheit 83 aus einer von der Impedanzmesseinheit 93 gemessenen Impedanz eine Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 ab. Konkret speichert die Steuereinheit 80 im Voraus eine Nachschlagetabelle, die den Wert eines Realteils der Impedanz mit der Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 verknüpft, und die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 wird aus dieser Nachschlagetabelle und dem Wert des Realteils der gemessenen Impedanz bestimmt. Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt. So kann beispielsweise ein Hygrometer im Kathodengasauslassströmungskanal 24 vorgesehen werden, ein mit diesem Hygrometer gemessener Wert kann als Information über die Wassermenge übernommen werden, und die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 kann aus diesem Messwert bestimmt werden.
Wenn bestimmt wird, dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert Wh ist (JA im Prozess P110), führt die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung durch (Prozess P 120). Konkret erhöht die Steuereinheit 80 die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle 10 vom Turbokompressor 42 zugeführten Kathodengases, indem sie das Druckeinstellventil 46 so steuert, dass, wenn die Druckminderungsbedingung erfüllt ist, der Druck in der Brennstoffzelle 10 im Vergleich zu dem Fall verringert wird, in dem die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung durch, bis die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 kleiner als der Wassermengenschwellenwert Wh wird, und beendet dann den Ablauf. Die Druckminderungssteuerung muss jedoch nicht unbedingt zu diesem Zeitpunkt beendet werden. So kann beispielsweise die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung durchführen, bis die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder kleiner als ein unterer Wassermengenschwellenwert wird, der kleiner als der Wassermengenschwellenwert Wh ist (z.B. eine Menge (L), die 20% des Volumens in der Brennstoffzelle 10 entspricht), oder kann eine Druckminderungssteuerung durchführen, bis die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 die erforderliche Ausgangsleistung erfüllt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform senkt die Steuereinheit 80 den Druck in der Brennstoffzelle 10, wenn der Außenluftdruck bei der Druckminderungssteuerung sinkt.
5 ist eine Ansicht, die den Außenluftdruck und einen Druckwert Sv in der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung anzeigt. Ist der Außenluftdruck niedriger als der Außenluftdruckschwellenwert Ah, sinkt der Druckwert Sv in der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung mit sinkendem Außenluftdruck. Daher kann die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle 10 zugeführten Kathodengases durch eine Druckminderungssteuerung effektiv erhöht werden, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann beispielsweise der Druckwert in der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung unabhängig vom Außenluftdruck konstant sein.
Wird dagegen bestimmt, dass der Außenluftdruck gleich oder höher als der Außenluftdruckschwellenwert Ah ist (NEIN in Prozess P100 (4)), und dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 kleiner als der Wassermengenschwellenwert Wh ist (NEIN in Prozess P110), beendet die Steuereinheit 80 den Ablauf, ohne eine Druckminderungssteuerung durchzuführen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Druckminderungssteuerung durchgeführt, wenn die Druckminderungsbedingung, dass der Außenluftdruck niedriger als der Außenluftdruckschwellenwert Ah ist, und dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert Wh ist, erfüllt ist. Daher kann mit dem Brennstoffzellensystem 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle 10 zugeführten Kathodengases unter Beibehaltung der Drehzahl des Turbokompressors 42 erhöht werden, indem der Druck in der Brennstoffzelle 10 gesenkt wird, wenn angenommen wird, dass das Brennstoffzellensystem 110 im Hochland betrieben wird. Dadurch kann die Leistung der Brennstoffzelle 10 gesteigert werden. Übrigens sind in der vorliegenden Ausführungsform der Prozess P100 und der Prozess P110 in dieser Reihenfolge vorgesehen, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Diese Prozesse können vertauscht werden.
B. Zweite Ausführungsform
6 ist ein Flussdiagramm bei der zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Prozess P115 zwischen dem Prozess P110 und dem Prozess P 120 vorgesehen ist, ist aber in den übrigen Details identisch. Im Übrigen sind bei der vorliegenden Ausführungsform der Prozess P100, der Prozess P110 und der Prozess P115 in dieser Reihenfolge vorgesehen, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Diese Prozesse können vertauscht werden.
Wenn bei der zweiten Ausführungsform bestimmt wird, dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert Wh ist (JA im Prozess P110), bestimmt die Steuereinheit 80, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gleich oder niedriger als ein zuvor bestimmter Temperaturschwellenwert Th ist oder nicht (Prozess P1 15). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur in der Brennstoffzelle 10 durch eine Temperaturmesseinheit 72 gemessen, die im Kühlströmungskanal 70 auf einer Auslassseite der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist. Hierbei braucht die Temperatur der Brennstoffzelle 10 nicht unbedingt nach diesem Verfahren gemessen werden. So ist es beispielsweise möglich, ein Verfahren zu erwähnen, nach dem an einem Kathodenauslass oder einem Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 ein Temperaturmessgerät vorgesehen ist und die Temperatur in der Brennstoffzelle 10 mit diesem Temperaturmessgerät gemessen wird. Außerdem ist in der vorliegenden Ausführungsform der Temperaturschwellenwert Th gleich 90°C, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann der Temperaturschwellenwert Th beispielsweise gleich 80°C oder 95°C sein.
Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher als der Temperaturschwellenwert Th ist (JA im Prozess P115), beendet die Steuereinheit 80 den Ablauf, ohne eine Druckminderungssteuerung durchzuführen. Wird dagegen bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger ist als der Temperaturschwellenwert Th (NEIN im Prozess P115), führt die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung (Prozess P120) durch und beendet den Ablauf.
Im Allgemeinen ist bei hoher Temperatur der Brennstoffzelle 10 der Wasserdampfdruck in der Brennstoffzelle 10 höher als bei niedriger Temperatur der Brennstoffzelle 10. Daher kann bei der Druckminderungssteuerung die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 schnell abnehmen. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird jedoch keine Druckminderungssteuerung durchgeführt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher als der Temperaturschwellenwert Th ist. Dadurch kann verhindert werden, dass das Innere der Brennstoffzelle 10 schnell austrocknet.
C. Dritte Ausführungsform
7 ist ein Flussdiagramm bei der dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Prozess P115A anstelle des Prozesses P115 vorgesehen ist, ist aber in den übrigen Details identisch. Im Übrigen sind bei der vorliegenden Ausführungsform der Prozess P100, der Prozess P110 und der Prozess P115A in dieser Reihenfolge vorgesehen, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Diese Prozesse können vertauscht werden.
Wenn bei der dritten Ausführungsform bestimmt wird, dass die Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 gleich oder größer als der Wassermengenschwellenwert Wh ist (JA im Prozess P110), bestimmt die Steuereinheit 80, ob der Druck in der Brennstoffzelle 10 gleich oder niedriger als ein Druckobergrenzwert Pu ist oder nicht (Prozess P115A). Der Druck in der Brennstoffzelle 10 wird durch eine erste Druckmesseinheit gemessen, die im Brennstoffzellensystem 110 vorgesehen ist.
Wenn bestimmt wird, dass der Druck in der Brennstoffzelle 10 gleich oder niedriger als der Druckobergrenzwert Pu ist (JA in P115A), beendet die Steuereinheit 80 den Ablauf, ohne eine Druckminderungssteuerung durchzuführen. Wird dagegen festgestellt, dass der Druck in der Brennstoffzelle 10 höher ist als der Druckobergrenzwert Pu (NEIN im Prozess P115A), führt die Steuereinheit 80 eine Druckminderungssteuerung durch (Prozess P120) und beendet den Ablauf. Auf diese Weise wird die Durchführung einer unnötigen Steuerung vermieden.
8 ist eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen dem Außenluftdruck und dem Druckobergrenzwert Pu zeigt. Bei dem Fall, dass der Außenluftdruck niedriger als der Außenluftdruckschwellenwert Ah ist, fällt bei der vorliegenden Ausführungsform der Druckobergrenzwert Pu in der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung mit dem Absinken des Außenluftdrucks. Daher kann die Druckminderungssteuerung nur im Bedarfsfall durchgeführt werden, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann beispielsweise der Druckobergrenzwert Pu in der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt der Druckminderungssteuerung unabhängig vom Au-ßenluftdruck konstant sein.

Claims

Brennstoffzellensystem (110), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), die konfiguriert ist, um elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas zu erzeugen; einen Kathodengaszufuhrströmungskanal (22), der konfiguriert ist, um das Kathodengas der Brennstoffzelle (10) zuzuführen; einen Kathodengasauslassströmungskanal (24), der konfiguriert ist, um das Kathodengas aus der Brennstoffzelle (10) auszutragen; einen Turbokompressor (42), der im Kathodengaszufuhrströmungskanal (22) angeordnet ist; ein Druckeinstellventil (46), das im Kathodengasauslassströmungskanal (24) angeordnet ist; eine Außenluftdruckerfassungseinheit (81), die konfiguriert ist, um außenluftdruckbezogene Informationen zu erfassen, die einem Außenluftdruck zugeordnet sind; eine Wassermengenerfassungseinheit (83), die konfiguriert ist, um wassermengenbezogene Informationen zu erfassen, die einer Wassermenge in der Brennstoffzelle (10) zugeordnet sind; und eine Steuereinheit (80), die konfiguriert ist, um eine Druckminderungssteuerung zum Erhöhen einer Durchflussmenge des der Brennstoffzelle (10) vom Turbokompressor (42) zugeführten Kathodengases durchzuführen, indem das Druckeinstellventil (46) so gesteuert wird, dass ein Druck in der Brennstoffzelle (10) niedriger ist, wenn eine Druckminderungsbedingung erfüllt ist, als wenn die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist, wobei die Druckminderungsbedingung eine Bedingung ist, dass der Außenluftdruck, der auf Basis der Informationen über den Außenluftdruck bestimmt wird, niedriger ist als ein im Voraus bestimmter Außenluftdruckschwellenwert (Ah), und dass die Wassermenge, die auf Basis der Informationen über die Wassermenge bestimmt wird, gleich oder größer ist als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert (Wh).
Brennstoffzellensystem (110) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (80) konfiguriert ist, um den Druck in der Brennstoffzelle (10) zu reduzieren, wenn der Außenluftdruck bei der Druckminderungssteuerung fällt.
Brennstoffzellensystem (110) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Temperaturmesseinheit (72), die konfiguriert ist, um eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) zu messen, wobei die Steuereinheit (80) konfiguriert ist, um die Druckminderungssteuerung nicht durchzuführen, wenn die Temperatur gleich oder höher als ein im Voraus bestimmter Temperaturschwellenwert (Th) ist.
Brennstoffzellensystem (110) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (80) konfiguriert ist, um die Druckminderungssteuerung durchzuführen, wenn die Temperatur niedriger ist als der im Voraus bestimmte Temperaturschwellenwert (Th).
Brennstoffzellensystem (110) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine erste Druckmesseinheit, die konfiguriert ist, um den Druck in der Brennstoffzelle (10) zu messen, wobei die Steuereinheit (80) konfiguriert ist, um die Druckminderungssteuerung durchzuführen, wenn der Druck höher ist als ein vorher bestimmter Druckobergrenzwert (Pu).
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (110), das eine Brennstoffzelle (10) beinhaltet, die konfiguriert ist, um elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas zu erzeugen, einen Kathodengaszufuhrströmungskanal (22), der konfiguriert ist, um das Kathodengas der Brennstoffzelle (10) zuzuführen, einen Kathodengasauslassströmungskanal (24), der konfiguriert ist, um das Kathodengas aus der Brennstoffzelle (10) auszutragen, einen Turbokompressor (42), der in dem Kathodengaszufuhrströmungskanal (22) angeordnet ist, und ein Druckeinstellventil (46), das in dem Kathodengasauslassströmungskanal (24) angeordnet ist, aufweisend: Durchführen einer Druckminderungssteuerung zum Erhöhen einer Durchflussmenge des der Brennstoffzelle (10) vom Turboverdichter (42) zugeführten Kathodengases durch Steuern des Druckeinstellventils (46) derart, dass ein Druck in der Brennstoffzelle (10) niedriger ist, wenn eine Druckminderungsbedingung erfüllt ist, als wenn die Druckminderungsbedingung nicht erfüllt ist, wobei die Druckminderungsbedingung eine Bedingung ist, dass ein Außenluftdruck niedriger ist als ein im Voraus bestimmter Außenluftdruckschwellenwert (Ah), und dass eine Wassermenge in der Brennstoffzelle (10) gleich oder größer ist als ein im Voraus bestimmter Wassermengenschwellenwert (Wh).