DE102021102320A1 - Brennstoffzellensystem und zugehöriges Steuerungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist eine Steuerungseinrichtung auf, die Betriebe eines Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystems und eines Brennstoffgaszufuhr-/- ausstoßsystems steuert, und eine Leistungserzeugung eines Brennstoffzellenstapels steuert, wobei, wenn eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, bei der eine Brennstoffgaskonzentration in einem Abgas einen zulässigen Wert während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels überschreitet, die Steuerungseinrichtung eine Strömungsrate von Luft, die durch einen Luftverdichter zugeführt wird, erhöht, und eine Öffnung eines Umgehungsventils zur Ausführung einer Abgasverdünnungssteuerung steuert, um ein Verhältnis der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung zu einer Abgasrohrleitung ausströmt, in Bezug auf die Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, zu erhöhen.

Description

  • Hintergrund
  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein zugehöriges Steuerungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Es gibt einen Fall, in dem, wenn ein Oxidationsgas in einer Kathode unzureichend ist, ein Brennstoffgas in der Kathode in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird. Wenn Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, wird das auf diese Weise in der Kathode erzeugte Brennstoffgas auch als „pumpender Wasserstoff“ bezeichnet. Die Erzeugung einer großen Menge des Brennstoffgases in der Kathode verursacht eine Erhöhung in der Brennstoffgaskonzentration in einem Abgas eines Brennstoffzellenstapels, das in die Atmosphäre auszustoßen ist. Wenn beispielsweise die Erzeugung von pumpenden Wasserstoff während der Ausführung eines Aufwärmbetriebs erfasst wird, erhöht ein Brennstoffzellensystem gemäß der nachfolgend beschriebenen Japanischen Patentanmeldung Nr. 2 1010-61960 eine Zufuhrmenge von Luft zu einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels, reduziert den pumpenden Wasserstoff und löst dadurch eine Erhöhung einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas auf.
  • Patentliteratur 1: JP 2010 - 61 960 A
  • Wenn jedoch eine Zufuhrmenge eines Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel ungeachtet einer angeforderten Leistung für den Brennstoffzellenstapel zum Auflösen einer Erhöhung der Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas erhöht wird, ist es wahrscheinlich, dass ein Leistungserzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels signifikant zu einem unerwünschten Ausmaß fluktuiert. Somit gibt es immer noch Verbesserungspotenzial für eine Gegenmaßnahme zum Auflösen der Erhöhung der Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas in dem Brennstoffzellenstapel.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Offenbarung kann durch die nachfolgenden Ausgestaltungen verwirklicht werden.
  • (1) Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung weist auf: einen Brennstoffzellenstapel, der eine Kathode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, und eine Anode aufweist, der Brennstoffgas zugeführt wird; ein Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem, das konfiguriert ist, eine Zufuhrsteuerung des Oxidationsgases zu der Kathode auszuführen, und eine Kathodenzufuhrrohrleitung, die mit einem Einlass der Kathode verbunden ist, und eine Abgasrohrleitung, die mit einem Auslass der Kathode verbunden ist, und ein Abgas, das ein von der Kathode ausgestoßenes Kathoden-Abgas enthält, in eine Atmosphäre ausstößt, eine Umgehungsrohrleitung, die die Kathodenzufuhrrohrleitung und die Abgasrohrleitung verbindet, einen Luftverdichter, der konfiguriert ist, Luft, die das Oxidationsgas enthält, zum Zuführen zu der Kathodenzufuhrrohrleitung zu verdichten, und ein Umgehungsventil aufweist, das konfiguriert ist, eine Strömungsrate der in der Umgehungsrohrleitung strömenden Luft zu justieren; ein Brennstoffgaszufuhr-/- ausstoßsystem, das konfiguriert ist, eine Zufuhrsteuerung des Brennstoffgases zu der Anode auszuführen; einen Brennstoffgassensor, der in der Abgasrohrleitung vorgesehen ist und konfiguriert ist, eine Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu erfassen; und eine Steuerungseinrichtung, die konfiguriert ist, Betriebe des Oxidationsgaszufuhr-/- ausstoßsystems und des Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystems zu steuern, und eine Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels zu steuern; wobei, wenn eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, bei der die Brennstoffgaskonzentration einen vorbestimmten zulässigen Wert während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels überschreitet, die Steuerungseinrichtung eine Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft erhöht und eine Öffnung des Umgehungsventils zur Ausführung einer Abgasverdünnungssteuerung steuert, um ein Verhältnis einer Strömungsrate der aus der Umgehungsrohrleitung zu der Abgasrohrleitung herausströmenden Luft in Bezug auf eine Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, zu erhöhen.
  • Wenn die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas den zulässigen Wert überschreitet, kann das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung die Strömungsrate von Luft, die zu der Abgasrohrleitung durch die Umgehungsrohrleitung ausströmende Strömungsrate der Luft durch die Abgasverdünnungssteuerung erhöhen, während die Erhöhung in der Zufuhrströmungsrate von Luft zu den Brennstoffzellenstapel unterdrückt wird. Folglich ist es möglich, die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu reduzieren, während eine Änderung in einem Leistungserzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels unterdrückt wird.
  • (2) In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung einen Aufwärmbetrieb des Anhebens einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels bei Aktivierung des Brennstoffzellenstapels ausführen, und die Abgasverdünnungssteuerung ausführen, wenn die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität während der Ausführung des Aufwärmbetriebs erfasst wird.
  • Wenn die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas sich während der Ausführung des Aufwärmbetriebs erhöht, kann das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas durch die Abgasverdünnungssteuerung reduzieren. Weiterhin ist es, wie es vorstehend beschrieben worden ist, entsprechend der Abgasverdünnungssteuerung möglich, die Abgaskonzentration in dem Abgas zu unterdrücken, während die Änderung in dem Leistungserzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels unterdrückt wird. Folglich ist es möglich, ein Fluktuieren des Leistungserzeugungszustands des Brennstoffzellenstapels zu unterdrücken, und ein Absenken einer Temperaturerhöhungsrate des Brennstoffzellenstapels während des Aufwärmbetriebs durch die Abgasverdünnungssteuerung zu unterdrücken.
  • (3) Während der Abgasverdünnungssteuerung kann die Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellensystems gemäß der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung eine derartige Steuerung durchführen, dass eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der aus der Umgehungsrohrleitung ausströmenden Luft und eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft gleich werden.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung unterdrückt die Fluktuation der Zufuhrströmungsrate von Luft für die Kathode des Brennstoffzellenstapels durch die Abgasverdünnungssteuerung weiter. Folglich ist es möglich, ein Ändern des Leistungserzeugungszustands des Brennstoffzellenstapels durch Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung weiter zu unterdrücken.
  • (4) In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung kann der Luftverdichter konfiguriert sein, die Strömungsrate der Luft, die zuzuführen ist, zu ändern, während der Leistungsverbrauch beibehalten wird, kann der Luftverdichter durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetrieben werden, und kann die Steuerungseinrichtung während der Abgasverdünnungssteuerung die Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft erhöhen, während Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel dem Luftverdichter zuzuführen ist, konstant beibehalten wird.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Erhöhung des Leistungsverbrauchs in dem Luftverdichter unterdrücken, und kann eine Notwendigkeit zur Erhöhung einer Leistungserzeugungsgröße des Brennstoffzellenstapels durch die Abgasverbindungsteuerung unterdrücken. Folglich ist es möglich, ein Fluktuieren des Leistungserzeugungszustands des Brennstoffzellenstapels durch Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung weiter zu unterdrücken.
  • (5) In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung kann, wenn der Luftverdichter mit dem gleichen Leistungsverbrauch angetrieben wird, ein Druckverhältnis eines Drucks der Luft, die in den Luftverdichter strömt, in Bezug auf einen Druck der durch den Luftverdichter zugeführten Luft und die Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft eineindeutig verknüpft werden, kann eine Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf eine Erhöhung in der Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft in einer Region niedriger Strömungsrate kleiner als die Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf die Erhöhung in der Strömungsrate der durch Verdichter zugeführten Luft in einer Region hoher Strömungsrate sein, in der die Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft größer als die Strömungsrate der durch den Luftverdichter zugeführten Luft in der Region niedriger Strömungsrate ist, und kann die Steuerungseinrichtung vor Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung den Luftverdichter mit einer Sollströmungsrate antreiben, die in der Region niedriger Strömungsrate enthalten ist, und den Luftverdichter während der Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung mit einer Sollströmungsrate antreibt, die in der Region hoher Strömungsrate enthalten ist.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung kann die Strömungsrate von Luft, die durch den Luftverdichter zugeführt wird, durch die Abgasverdünnungssteuerung signifikant erhöhen, während der Leistungsverbrauch beibehalten wird. Folglich ist es möglich, die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas effektiv zu erhöhen.
  • Die vorliegende Offenbarung kann als verschiedene Ausgestaltungen verwirklicht werden, und kann als Ausgestaltungen wie als ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems, ein Computerprogramm, das einen Computer veranlasst, der Steuerungsverfahren auszuführen, und als ein greifbares Aufzeichnungsmedium, das das Computerprogramm darauf aufgezeichnet aufweist, zusätzlich zu dem Brennstoffzellensystem verwirklicht werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht,
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine ausführlichere Konfiguration des Brennstoffzellensystems veranschaulicht,
    • 3 zeigt eine schematische Darstellung, die eine elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems veranschaulicht,
    • 4 zeigt ein schematisches internes Blockschaltbild einer Steuerugsvorrichtung,
    • 5 zeigt eine erläuternde Darstellung, die Temperatureigenschaften (Temperaturkennlinien) einer Sekundärbatterie veranschaulicht,
    • 6 zeigt eine erläuternde Darstellung, die einen Ablauf einer Startverarbeitung in dem Brennstoffzellensystem veranschaulicht,
    • 7 zeigt eine erläuternde Darstellung, die einen Ablauf einer Abgasverdünnungssteuerung veranschaulicht, und
    • 8 zeigt eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Steuerungskennfeld eines Luftverdichters veranschaulicht.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Ausführungsbeispiel:
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert und gibt Leistung, die durch eine nachstehend beschriebene Last angefordert wird, oder angeforderte Leistung für eine externe Leistungsversorgung aus. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 20, ein Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem 30, ein Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50 und ein Kühlmittelumwälzungssystem 70 auf.
  • Der Brennstoffzellenstapel 20 weist eine Vielzahl von Brennstoffbatteriezellen 21 und ein Paar von Endanschlüssen 22 und 23 auf. Jede aus der Vielzahl der Brennstoffzellen 21 weist eine Plattenform auf und ist in einer Stapelrichtung SD, die eine Dickenrichtung ist, gestapelt. Die Brennstoffzellenbatteriezelle 21 ist ein Leistungserzeugungselement, das Leistung selbst alleine erzeugen kann. Die Brennstoffbatteriezelle 21 empfängt eine Zufuhr eines Oxidationsgases und eines Brennstoffgases, die reaktive Gase sind, und erzeugt Leistung als Ergebnis einer elektrochemischen Reaktion dieser Gase. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffbatteriezelle 21 als eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle konfiguriert. Weiterhin wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Sauerstoff als das Oxidationsgas verwendet, und wird Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet.
  • Die Brennstoffbatteriezelle 21 weist eine Membranelektrodenanordnung auf, an der eine Anode und eine Kathode, die elektrodenführende Katalysatoren sind, an beiden Oberflächen von Elektrolytmembranen, die als Polymerharzmembranen mit einer ionischen Leitfähigkeit konfiguriert sind, angeordnet sind. Die Brennstoffbatteriezelle 21 weist weiterhin zwei Trenner auf, die die Membranelektrodenanordnung sandwichartig umgeben. Eine Veranschaulichung der Membranelektrodenanordnung und der Trenner entfällt. Ein Öffnungsabschnitt (deren Veranschaulichung entfällt), der Verteiler Mfa und Mfb formt, die bewirken, dass das reaktive Gas und ein reaktives Abgas, das durch einen Leistungsversorgungsabschnitt der Membranelektrodenanordnung durchlaufen hat, umlaufen (umgewälzt werden), ist an einem äußeren umlaufenden Endabschnitt jeder Brennstoffzellenbatterie 21 vorgesehen. Die Verteiler Mfa und Mfb sind mittels einer Mehrpunktverbindung mit dem Leistungserzeugungsabschnitt der Membranelektrodenanordnung verbunden. Der Verteiler Mfa ist mit der Kathode verbunden, und der Verteiler Mfb ist mit der Anode verbunden. Weiterhin ist ein Öffnungsabschnitt (dessen Veranschaulichung entfällt), der einen Verteiler Mfc formt, der bewirkt, dass ein Kühlmittel umläuft (umgewälzt wird), an dem äußeren umlaufenden Endabschnitt jeder Brennstoffbatteriezelle 21 vorgesehen. Der Verteiler Mfc ist mit einem Kühlmittelströmungspfad verbunden, der zwischen benachbarten Trennern geformt ist.
  • Ein Paar Endanschlüsse 22 und 23 sind an beiden Endabschnitten in der Stapelrichtung SD einer Vielzahl der Brennstoffbatteriezellen 21 angeordnet. Genauer ist der erste Endanschluss 22 an einem Endabschnitt des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet und ist der zweite Endanschluss 23 an dem anderen Endabschnitt angeordnet. Öffnungsabschnitte 25, die Durchgangsöffnungen zum Formen der Verteiler Mfa, Mfb und Mfc sind, sind in dem ersten Endanschluss 22 geformt. Demgegenüber sind diese Öffnungsabschnitte 25 in dem zweiten Endanschluss 23 nicht geformt. In dem Brennstoffzellenstapel 20 werden das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel 20 von der Seite des ersten Endanschlusses 22 zugeführt und werden ausgestoßen.
  • Das Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem 30 weist eine Oxidationsgaszufuhrfunktion, eine Oxidationsgasausströmungsfunktion und eine Oxidationsgasumgehungsfunktion auf. Die Oxidationsgaszufuhrfunktion ist eine Funktion des Zuführens von Luft, das das Oxidationsgas enthält, zu der Kathode der Brennstoffbatteriezelle 21. Die Oxidationsgasausstoßfunktion ist eine Funktion des Ausstoßens des Oxidationsgases, das aus der Kathode der Brennstoffbatteriezelle 21 ausgestoßen wird, eines Edelgases und eines Abgases (das nachstehend ebenfalls als „Kathoden-Abgas“ bezeichnet ist), das Abwasser enthält, nach außerhalb. Zusätzlich gibt es einen Fall, in dem das Kathoden-Abgas weiterhin ein Brennstoffgas enthält, das in der Kathode erzeugt wird, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Oxidationsgasumgehungsfunktion ist eine Funktion des Ausstoßens eines Teils von Luft, der das Oxidationsgas enthält, nach außerhalb, ohne dass er der Brennstoffbatteriezelle 21 zuzuführen ist.
  • Das Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50 weist weiterhin eine Brennstoffgaszufuhrfunktion, eine Brennstoffgasausstoßfunktion und eine Brennstoffgasumwälzfunktion auf. Die Brennstoffgaszufuhrfunktion ist eine Funktion des Zuführens des Brennstoffgas zu der Anode der Brennstoffbatteriezelle 21. Die Brennstoffgasausstoßfunktion ist eine Funktion des Ausstoßens des Brennstoffgases, das aus der Anode der Brennstoffbatteriezelle 21 ausgestoßen wird, eines Edelgases und eines Abgases (das nachstehend ebenfalls als „Anoden-Abgas“ bezeichnet ist), das Abwasser enthält, nach außen. Die Brennstoffgasumwälzfunktion ist eine Funktion des Umwälzens des Anoden-Abgases in dem Brennstoffzellensystems 10.
  • Das Kühlmittelumwälzsystem 70 weist eine Funktion des Umwälzens des Kühlmittels zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und des Justierens der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 auf. Beispielsweise werden eine Anti-Frost-Lösung wie Ethylen-Glykol und eine Flüssigkeit wie Wasser als das Kühlmittel verwendet.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine ausführliche Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Steuerungsvorrichtung 60 zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel 20, dem Oxidationsgaszufuhr-/- ausstoßsystem 30, dem Gaszufuhr-/ausstoßsystem 50 und dem Kühlmittelumwälzsystem 70 auf. Die Steuerungsvorrichtung 60 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10.Einzelheiten der Steuerungsvorrichtung 60 sind später beschrieben.
  • Das Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem 30 weist ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30A und ein Oxidationsgasausstoßsystem 30B auf. Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30A führt Luft, die das Oxidationsgas enthält, der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zu. Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30A weist eine Kathodenzufuhrrohrleitung 302, einen Außentemperatursensor 38, eine Luftreinigungseinrichtung 31, einen Luftverdichter 33, einen Zwischenkühler 35 und ein Einlassventil 36 auf.
  • Die Kathodenzufuhrrohrleitung 302 ist mit einem Einlass der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden, um einen Zufuhrströmungspfad von Luft zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zu formen. Der Außentemperatursensor 38 misst die Temperatur der Luft, die in den Luftreiniger 31 aufzunehmen ist, als eine Außentemperatur. Das Messergebnis des Außentemperatursensors 38 wird zu der Steuerungsvorrichtung 60 gesendet. Der Luftreiniger 31 ist an einer stromaufwärtigen Seite des Luftfahrtdichters 33 in der Kathodenzufuhrrohrleitung 302 vorgesehen und entfernt Fremdmaterialien in der dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführenden Luft.
  • Der Luftverdichter 33 ist in der Kathodenzufuhrrohrleitung 302 vorgesehen, die sich auf einer stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 befindet, und führt der Kathode Luft zu, die bei einem Druck entsprechend einem Befehl aus der Steuerungsvorrichtung 60 verdichtet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Luftverdichter 33 Betriebseigenschaften auf, die eine Strömungsrate der zuzuführenden Luft ändern kann, während der Leistungsverbrauch konstant beibehalten wird. Die Betriebseigenschaften können verwirklicht werden, indem der Luftverdichter 33 beispielsweise als Turboverdichter (Turbokompressor) konfiguriert wird. Weiterhin sind die Betriebseigenschaften auf der Grundlage einer Konfiguration eines Flügelrads des Luftverdichters 33 bestimmt. Die Steuerungsvorrichtung 60 befiehlt ein Druckverhältnis und den Leistungsverbrauch des Luftverdichters 33 durch Verwendung der Betriebseigenschaften, um eine Strömungsrate der durch den Luftverdichter 33 zugeführten Luft zu steuern. Das „Druckverhältnis“ bedeutet ein Verhältnis des Drucks der Luft, die in den Luftverdichter 33 strömt, in Bezug auf den Druck der Luft, die aus dem Luftverdichter 33 zugeführt wird. Einzelheiten der Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 und der Steuerung, die die Betriebseigenschaften verwendet, sind nachstehend besch rieben.
  • Der Zwischenkühler 35 ist auf einer stromabwärtigen Seite des Luftverdichters 33 in der Kathodenzufuhrrohrleitung 302 vorgesehen. Der Zwischenkühler 35 kühlt Luft, die durch den Luftverdichter 33 derart verdichtet ist, dass sie eine hohe Temperatur aufweist. Das Einlassventil 36 justiert den Druck von Luft auf der Kathodeneinlassseite des Brennstoffzellenstapels 20. Das Einlassventil 36 ist als ein elektromagnetisches Ventil oder als ein motorbetriebenes Ventil konfiguriert, dessen Öffnung durch die Steuerungsvorrichtung 60 gesteuert wird. Das Einlassventil 36 kann als ein Ein-Aus-Ventil konfiguriert sein, das mechanisch öffnet, wenn Luft eines vorbestimmten Drucks hineinströmt.
  • Das Oxidationsgasausstoßsystem 30B stößt ein Kathoden-Abgas nach außerhalb des Brennstoffzellenfahrzeugs aus. Das Oxidationsgasausstoßsystem 30B weist eine Abgasrohrleitung 306 und eine Umgehungsrohrleitung 308 auf.
  • Die Abgasrohrleitung 306 ist mit einem Auslass der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden, um einen Ausstoßströmungspfad eines Kathoden-Abgases zu formen. Die Abgasrohrleitung 306 weist eine Funktion des Ausstoßens des Abgases des Brennstoffzellenstapels 20, das das Kathoden-Abgas enthält, in die Atmosphäre auf. Das Abgas, das aus der Abgasrohrleitung 306 in die Atmosphäre ausgestoßen wird, enthält ein Anoden-Abgas und Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmen, zusätzlich zu dem Kathoden-Abgas auf. Ein Schalldämpfer 310, der einen Abgasschall des Abgases reduziert, ist an einem stromabwärtigen Endabschnitt der Abgasrohrleitung 306 vorgesehen.
  • Die Abgasrohrleitung 306 ist mit einem Auslassventil 37 versehen. Das Auslassventil 37 ist auf einer stromaufwärtigen Seite eines Punkts angeordnet, an dem die Umgehungsrohrleitung 308 mit der Abgasrohrleitung 306 verbunden ist. Das Auslassventil 37 ist als ein elektromagnetisches Ventil oder als ein motorbetriebenes Ventil konfiguriert. Die Öffnung wird durch die Steuerungsvorrichtung 60 derart justiert, dass das Auslassventil 37 einen Gegendruck der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 justiert.
  • Die Umgehungsrohrleitung 308 verbindet die Kathodenzufuhrrohrleitung 302 und die Abgasrohrleitung 306 ohne Durchlaufen des Brennstoffzellenstapels 20. Die Umgehungsrohrleitung 308 ist mit einem Umgehungsventil 39 versehen. Das Umgehungsventil 39 ist als ein elektromagnetisches Ventil oder als ein motorbetriebenes Ventil konfiguriert. Wenn das Umgehungsventil 39 geöffnet wird, strömt ein Teil von Luft, die in der Kathodenzufuhrrohrleitung 302 strömt, in die Abgasrohrleitung 306 durch die Umgehungsrohrleitung 308. Die Steuerungsvorrichtung 60 justiert die Strömungsrate von Luft, die in die Umgebungsrohrleitung 308 strömt, durch Justieren einer Öffnung des Umgehungsventils 39.
  • Die Abgasrohrleitung 306 ist mit einem Brennstoffgassensor 311 versehen. Der Brennstoffgassensor 311 erfasst eine Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas, das in der Abgasrohrleitung 306 strömt, und sendet ein Erfassungsergebnis der Brennstoffgaskonzentration zu der Steuerungsvorrichtung 60. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffgassensor 311 als ein Wasserstoffkonzentrationssensor konfiguriert. Weiterhin ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Brennstoffgassensor 311 auf einer stromaufwärtigen Seite eines Verbindungspunkts der Abgasrohrleitung 306 und einer Anodenausstoßrohrleitung 504 vorgesehen. Folglich kann der Brennstoffgassensor 311 eine Brennstoffgaskonzentration in einem Kathoden-Abgas als die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas erfassen. Die Brennstoffgaskonzentration in dem Kathoden-Abgas gibt die Menge von Kraftstoffgas an, die in der Kathode erzeugt wird und aus der Kathode ausgestoßen wird.
  • Das Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50 weist ein Brennstoffgaszufuhrsystem 50A, ein Brennstoffgasumwälzsystem 50B und ein Brennstoffgasausstoßsystem 50C auf.
  • Das Brennstoffgaszufuhrsystem 50A führt der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 das Brennstoffgas zu. Das Brennstoffgaszufuhrsystem 50A weist eine Anodenzufuhrrohrleitung 501, einen Brennstoffgastank 51, ein Ein-Aus-Ventil 52, eine Reguliereinrichtung 53, eine Einspritzeinrichtung 54 und einen Drucksensor 59 auf.
  • Die Anodenzufuhrrohrleitung 501 ist mit dem Brennstoffgastank 51, der eine Brennstoffgaszufuhrquelle ist, und einem Einlass der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden, um einen Zufuhrströmungspfad des Brennstoffgases zu der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 zu formen. Der Brennstoffgastank 51 speichert beispielsweise ein Wasserstoffgas mit einem hohen Druck. Das Ein-Aus-Ventil 52 ist vor dem Brennstoffgastank 51 in der Anodenzufuhrrohrleitung 501 vorgesehen. Das Ein-Aus-Ventil 52 wälzt in einem Ventilöffnungszustand das Brennstoffgas des Brennstoffgastanks 51 zu einer stromabwärtigen Seite um. Die Reguliereinrichtung 53 ist auf der stromabwärtigen Seite des Ein-Aus-Ventils 52 in der Anodenzufuhrrohrleitung 501 vorgesehen. Die Reguliereinrichtung 53 justiert den Druck des Brennstoffgases auf der stromaufwärtigen Seite der Einspritzeinrichtung 54 unter der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 60.
  • Die Einspritzeinrichtung 54 ist auf der stromabwärtigen Seite der Reguliereinrichtung 53 in der Anodenzufuhrrohrleitung 501 vorgesehen. Die Einspritzeinrichtung 54 ist auf einer stromaufwärtigen Seite eines Verbindungspunkts einer nachstehend beschriebenen Anodenumwälzrohrleitung 502 in der Anodenzufuhrrohrleitung 501 angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 54 ist ein Ein-Aus-Ventil, das elektromagnetisch entsprechend einem Antriebszyklus und einer Ventilöffnungszeit angetrieben wird, die durch die Steuerungsvorrichtung 60 eingestellt werden. Die Steuerungsvorrichtung 60 justiert durch Steuerung der Einspritzeinrichtung 54 die Zufuhrmenge des Brennstoffgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist. Der Drucksensor 59 misst einen Innendruck, d.h. einen Zufuhrdruck des Brennstoffgases auf der stromabwärtigen Seite der Einspritzeinrichtung 54 in der Anodenzufuhrrohrleitung 501. Das Messergebnis wird zu der Steuerungsvorrichtung 60 gesendet.
  • Das Brennstoffgasumwälzsystem 50B trennt ein aus der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 ausgestoßenes Anoden-Abgas aus einer Flüssigkeitskomponente und wälzt dann das Anoden-Abgas zu der Anodenzufuhrrohrleitung 501 um. Das Brennstoffgasumwälzsystem 50B weist die Anodenumwälzrohrleitung 502, eine Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57, eine Umwälzpumpe 55 und einen Motor 56 auf.
  • Die Anodenumwälzrohrleitung 502 ist mit einem Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 20 und der Anodenzufuhrrohrleitung 501 verbunden, um einen Umwälzpfad des Brennstoffgases zu formen, der das aus der Anode ausgestoßene Anoden-Abgas zu der Anodenzufuhrrohrleitung 501 führt. Die Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 ist in der Anodenumwälzrohrleitung 502 vorgesehen, und trennt eine Flüssigkeitskomponente, die Dampf enthält, aus dem Anoden-Abgas und speichert die Flüssigkeitskomponente in einem Zustand von flüssigem Wasser. Die Umwälzpumpe 55 ist auf der stromabwärtigen Seite der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 in der Anodenumwälzrohrleitung 502 vorgesehen. Die Umwälzpumpe 55 transportiert ein Brennstoff-Abgas, das in die Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 strömt, zu der Anodenzufuhrrohrleitung 501 durch Antrieb des Motors 56.
  • Das Brennstoffgasausstoßsystem 50C stößt das Anoden-Abgas und das flüssige Wasser, das in der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 gespeichert ist, zu der Abgasrohrleitung 306 aus. Das Brennstoffgasausstoßsystem 50C weist die Anodenausstoßrohrleitung 504 und ein Anodenabflussventil 58 auf. Die Anodenausstoßrohrleitung 504 ist mit einem Ausstoßauslass der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 und der Abgasrohrleitung 306 verbunden, um einen Ausstoßabflusspfad zu formen, der aus dem Brennstoffgaszufuhr-/- ausstoßsystem 50 Abflusswasser, das aus dem Ausstoßauslass der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 ausgestoßen wird, und einen Teil des Anoden-Abgases, das in der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 durchläuft, ausstößt. Das Ausstoßabflussventil 58 ist in der Anodenausstoßrohrleitung 504 vorgesehen, und öffnet und schließt die Anodenausstoßrohrleitung 504. Beispielsweise wird ein Membranventil als das Ausstoßabflussventil 58 verwendet. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 Leistung erzeugt, erstellt die Steuerungsvorrichtung 60 eine Ventilöffnungsanweisung für das Ausstoßabflussventil 58 zu einer vorbestimmten Zeitsteuerung. Wenn das Ausstoßabflussventil 58 geöffnet wird, werden Feuchtigkeit und das Anoden-Abgas, die in der Gasflüssigkeitstrenneinrichtung 57 gespeichert sind, in die Atmosphäre durch die Abgasrohrleitung 306 ausgestoßen.
  • Das Kühlmittelumwälzsystem 70 weist einen Kühlmittelumwälzpfad 79, eine Kühlmittelumwälzpumpe 74, einen Motor 75, einen Kühler 71, einen Kühlerventilator 72 und einen Stapeltemperatursensor 73 auf.
  • Der Kühlmittelumwälzpfad 79 weist einen Kühlmittelzufuhrpfad 79A und einen Kühlmittelausstoßpfad 79B auf. Der Kühlmittelzufuhrpfad 79A ist eine Rohrleitung, die dem Brennstoffzellenstapel 20 ein Kühlmittel zuführt. Der Kühlmittelausstoßpfad 79B ist eine Rohrleitung, die das Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausstößt. Die Kühlmittelumwälzpumpe 74 transportiert das Kühlmittel des Kühlmittelzufuhrpfads 79A zu dem Brennstoffzellenstapel 20 durch Antrieb des Motors 75. Der Kühler 71 wird mit Wind durch den Kühlerventilator 72 angeblasen und strahlt Wärme aus, um das innen umlaufende Kühlmittel zu kühlen. Der Stapeltemperatursensor 73 misst die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelausstoßpfad 79B. Das Messergebnis der Temperatur des Kühlmittels wird zu der Steuerungsvorrichtung 60 gesendet. Die Steuerungsvorrichtung 60 erfasst eine gemessene Temperatur des Stapeltemperatursensors 73 als die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zur Verwendung zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 10.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung, die eine elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen FC-Wandler 95, einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 98, einen Spannungssensor 91 und einen Stromsensor 92 auf.
  • Der Spannungssensor 91 wird zur Messung einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 20 verwendet. Der Spannungssensor 91 ist mit allen Brennstoffbatteriezellen 21 des Brennstoffzellenstapels 20 jeweils verbunden, und misst die Spannung, die jeweils an allen Brennstoffbatteriezellen 21 vorgegeben ist. Der Spannungssensor 91 sendet das Messergebnis der Spannung zu der Steuerungsvorrichtung 60. Die gemessenen Spannungen aller Brennstoffbatteriezellen 21, die durch den Spannungssensor 91 gemessen werden, werden aufsummiert, um eine Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen. Zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem 10 anstelle des Spannungssensors 91 einen Spannungssensor aufweisen, der Spannungen an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 20 misst. In diesem Fall sind die gemessenen Spannungswerte an beiden Enden die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 20. Der Stromsensor 92 misst einen Ausgangsstromwert des Brennstoffzellenstapels 20 und sendet den Ausgangsstromwert zu der Steuerungsvorrichtung 60.
  • Der FC-Wandler 95 ist beispielsweise als ein Gleichstromwandler konfiguriert und fungiert als eine Schaltung, die den Strom des Brennstoffzellenstapels 20 steuert. Der FC-Wandler 95 steuert den aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenen Strom auf der Grundlage eines Strombefehlswerts, der aus der Steuerungsvorrichtung 60 gesendet wird. Der Strombefehlswert ist ein Wert, der einen Sollwert eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 angibt und wird durch die Steuerungsvorrichtung 60 eingestellt.
  • Der Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 98 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 20 und einer Last 200 verbunden. Die Last 200 weist einen Antriebsmotor, der eine Antriebskraftquelle ist, und andere Hilfsmaschinen und elektrische Maschinen in dem Brennstoffzellenstapel auf. Der Luftverdichter 33 des vorstehend beschriebenen Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystems 30 ist in der Last 200 enthalten. Der Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 98 wandelt Gleichstromleistung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 oder einer Sekundärbatterie 96 ausgegeben wird, in Wechselstromleistung zur Zufuhr zu der Last 200 um. Weiterhin wandelt, wenn der in der Last 200 enthaltende Antriebsmotor regenerative Leistung erzeugt, der Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 98 die regenerative Leistung in die Gleichstromleistung um. Die durch den Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 98 in Gleichstromleistung umgewandelte regenerative Leistung wird in der Sekundärbatterie 96 über einen Batteriewandler 97 gespeichert.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 weist weiterhin die Sekundärbatterie 96 und den Batteriewandler 97 auf. Die Sekundärbatterie 96 fungiert zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel 20 als eine Leistungsquelle des Brennstoffzellensystems 10. Die Sekundärbatterie 96 wird durch Leistung, die durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder der vorstehend beschriebenen regenerativen Leistung geladen. Zusätzlich ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sekundärbatterie 96 als eine Lithiumionenbatterie konfiguriert und weist Temperatureigenschaften dahingehend auf, dass ein zulässiger Bereich einer Lade-/Endladegröße sich unterhalb des Gefrierpunkts deutlich einengt. Die Temperatureigenschaften der Sekundärbatterie 96 sind nachstehend beschrieben.
  • Der Batteriewandler 97 ist als ein Gleichstromwandler konfiguriert und steuert das Laden/Entladen der Sekundärbatterie 96 entsprechend einer Anweisung der Steuerungsvorrichtung 60. Weiterhin misst der Batteriewandler 97 einen Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 96, um diesen zu der Steuerungsvorrichtung 60 zu senden.
  • 4 zeigt ein internes Blockschaltbild der Steuerungsvorrichtung 60. Die Steuerungsvorrichtung 60 wird ebenfalls als eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) bezeichnet und weist eine Steuerungseinrichtung 92 sowie einen Speicher 68 auf, der als externe Speichervorrichtung wie ein ROM oder eine Festplatte konfiguriert ist. Die Steuerungseinrichtung 62 weist zumindest einen Prozessor und eine Hauptspeichervorrichtung auf. Der Prozessor führt Programme oder Befehle, die aus dem Speicher 68 auf der Hauptspeichervorrichtung gelesen werden, aus, so dass die Steuerungseinrichtung 92 verschiedene Funktionen zur Steuerung der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt. Es sei bemerkt, dass zumindest ein Teil der Funktionen der Steuerungseinrichtung 62 als Hardware-Schaltungen konfiguriert sein können.
  • Der Speicher 68 speichert verschiedene Programme, die durch die Steuerungseinrichtung 62 ausgeführt werden, Parameter, die zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 10 verwendet werden, und verschiedene Kennfelder, die ein nachstehend beschriebenes Steuerungskennfeld CM aufweisen, in einer flüchtigen Weise. Die „flüchtige Weise“ bedeutet, dass Informationen in einer Speichervorrichtung gehalten werden können, ohne dass sie verloren gehen, selbst wenn ein Leistungsverteilungszustand der Speichervorrichtung ausgeschaltet wird. Die Steuerungseinrichtung 62 fungiert als eine Betriebssteuerungseinrichtung 64 und eine Überwachungseinrichtung 66 durch Ausführung der verschiedenen Programme in dem Speicher 68. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 führt einen normalen Betrieb, bei dem bewirkt wird, dass der Brennstoffzellenstapel 20 Leistung erzeugt, in Reaktion auf eine Ausgangsanforderung aus der Last 200 an dem Brennstoffzellensystem 10 aus.
  • Weiterhin führt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 einen Aufwärmbetrieb zum schnellen Anheben der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 aus. Der Aufwärmbetrieb wird ausgeführt, wenn eine vorbestimmte Aufwärmbedingung während einer Startverarbeitung erfüllt wird, die nachstehend beschrieben ist und durch die Betriebssteuerungseinrichtung 64 bei Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aufwärmbedingung erfüllt, wenn ein Messwert des Außentemperatursensors 38 eine vorbestimmte Temperatur oder weniger ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Aufwärmbedingung erfüllt sein, wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem 10 unverändert in einem Stoppzustand für eine gegebene Zeit oder länger im Winter belassen wird. Im Gegensatz zu dem normalen Betrieb stellt während des Aufwärmbetriebs die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Sollwärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 20 ein, und steuert den Brennstoffzellenstapel 20 zur Erzeugung von Leistung mit der Sollwärmeerzeugungsgröße ungeachtet der Ausgangsanforderung aus der Last 200.
  • Während des Aufwärmbetriebs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Betriebssteuerungseinrichtung 64 das Oxidationsgaszufuhr-/- ausstoßsystem 30 und das Kraftstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50 derart, dass ein stöchiometrisches Verhältnis eines Oxidationsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, kleiner als ein stöchiometrisches Verhältnis während des normalen Betriebs ist. Das „stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases“ bedeutet ein Verhältnis einer Menge des Oxidationsgases, die tatsächlich zuzuführen ist, in Bezug auf eine Menge eines Oxidationsgases, die theoretisch zur Erzeugung der angeforderten Erzeugungsleistung notwendig ist. Diese Steuerung erhöht eine Konzentrationsüberspannung der Kathode und senkt einen Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 ab, so dass die Wärmeerzeugungsgröße des Brennstoffzellenstapels 20 sich im Vergleich zu der Wärmeerzeugungsgröße während des normalen Betriebs erhöht, und es ist möglich, eine Temperaturerhöhungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhöhen. Das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases während des Aufwärmbetriebs kann beispielsweise angenähert 1,0 sein. Es sei bemerkt, dass während des Aufwärmbetriebs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Betriebssteuerungseinrichtung 64 Zufuhrmengen des Oxidationsgases und des Brennstoffgases für den Brennstoffzellenstapel 20 auf vorbestimmte Zufuhrmengen beibehält.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt während der Ausführung des Aufwärmbetriebs die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine derartige Steuerung durch, dass Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben wird, eine vorbestimmte konstante Leistung wird, indem nachstehend beschriebene Eigenschaften der Sekundärbatterie 96 in Betracht gezogen werden. Diese konstante Leistung ist wünschenswerterweise auf einen Wert eingestellt, der gleich wie oder größer als Leistung ist, von der erwartet wird, dass sie durch die Last 200 während des Aufwärmbetriebs verbraucht wird. Die konstante Leistung ist beispielsweise auf 5 bis 15 kW eingestellt.
  • Die Überwachungseinrichtung 66 überwacht das Auftreten einer Brennstoffgaskonzentrationsanomalität, bei der eine Brennstoffgaskonzentration in einem Abgas, das aus der Abgasrohrleitung 306 ausgestoßen wird, einen vorbestimmten zulässigen Wert überschreitet, auf der Grundlage eines Messergebnisses des Brennstoffgassensors 311 während einer Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20. Die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität wird beispielsweise erfasst, wenn eine große Menge des Brennstoffgases in der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 erzeugt wird. Wenn ein Brennstoffgas, das in der Anode ionisiert ist, sich zu der Kathode über die Elektrolytmembran bewegt und mit einem Elektron in dem Brennstoffzellenstapel 20 rekombiniert wird, wird das Brennstoffgas in der Kathode erzeugt. Diese Produktion des Brennstoffgases in der Kathode tritt leicht auf, wenn eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases für die Kathode unzureichend ist. Wenn das Brennstoffgas Wasserstoff ist, wie gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wird dieses Brennstoffgas, das in der Kathode produziert wird, auch als „pumpender Wasserstoff“ bezeichnet. Das „Brennstoffgas, das in der Kathode produziert wird“, in der Beschreibung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, kann als „pumpender Wasserstoff“ umschrieben werden.
  • Wenn die Überwachungseinrichtung 66 die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 während des Aufwärmbetriebs erfasst, führt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Abgasverdünnungssteuerung zum Reduzieren der Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas aus. Die Abgasverdünnungssteuerung ist nachstehend beschrieben.
  • 5 zeigt eine erläuternde Darstellung, die Temperatureigenschaften der Sekundärbatterie 96 veranschaulicht. Wenn eine Sekundärbatterie wie eine Lithiumionenbatterie auf unterhalb des Gefrierpunkts gelangt und, genauer, -20°C (Celsius) oder weniger erreicht, verengt sich ein Bereich aufladbarer/entladbarer Leistung schnell. Somit kann, wenn unterhalb des Gefrierpunkts eine Erzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 zu hoch wird oder im Vergleich zu angeforderter Leistung unzureichend wird, es einen Fall geben, in dem es schwierig ist, Leistung einer überschüssigen Größe in der Sekundärbatterie 96 zu speichern oder Leistung einer unzureichenden Größe aus der Sekundärbatterie 96 zu entladen. Somit wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel während des Aufwärmbetriebs die Erzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die vorstehend beschriebene konstante Leistung derart gesteuert, dass die Lade-/Entladegröße der Sekundärbatterie 96 in einen vorbestimmten Bereich fällt. Folglich wird ein Fluktuieren der Leistung des Brennstoffzellenstapels 20 während der Ausführung des Aufwärmbetriebs unterdrückt, so dass unterdrückt wird, dass eine Last an die Sekundärbatterie 96 angelegt wird, deren zulässiger Bereich der Lade-/Entladegröße aufgrund einer niedrigen Temperatur verengt ist. Folglich wird eine Verschlechterung der Sekundärbatterie 96 wie eine Elution von Lithium der Sekundärbatterie 96 aufgrund einer übermäßigen Last unterdrückt.
  • 6 zeigt eine erläuternde Darstellung, die einen Ablauf einer Startverarbeitung veranschaulicht, die durch die Betriebssteuerungseinrichtung 64 der Steuerungseinrichtung 62 ausgeführt wird. Die Startverarbeitung wird durch die Betriebssteuerungseinrichtung 64 ausgeführt, wenn ein Aktivierungsbetrieb an dem Brennstoffzellenfahrzeug durchgeführt wird, und ein Betriebsstart des Brennstoffzellensystems 10 befohlen wird.
  • In Schritt S10 bewirkt die Betriebssteuerungseinrichtung 64, dass der Brennstoffzellenstapel 20 eine Leistungserzeugung startet. Genauer startet die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Steuerung eines reaktiven Gases für den Brennstoffzellenstapel 20 durch das Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem 30 und das Brennstoffgasgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50. Weiterhin startet zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen reaktiven Gaszufuhrsteuerung die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Temperatursteuerung zur Steuerung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 durch das Kühlmittelumwälzsystem 70.
  • In Schritt S20 bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64, ob die Aufwärmbedingung, die eine Aufwärmbetriebsstartbedingung ist, erfüllt ist oder nicht. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bestimmt, dass die Aufwärmbedingung erfüllt ist, wenn der Messwert des Außentemperatursensors 38 die vorbestimmte Temperatur oder weniger ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schwellenwerttemperatur der Aufwärmbedingung der Gefrierpunkt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Schwellenwerttemperatur der Aufwärmbedingung eine Temperatur niedriger als der Gefrierpunkt sein, oder kann eine Temperatur sein, die höher als der Gefrierpunkt ist und nahe dem Gefrierpunkt ist. Wenn die Aufwärmbedingung nicht erfüllt ist, beendet die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Startverarbeitung ohne Ausführung des Aufwärmbetriebs und startet den normalen Betrieb.
  • Wenn die Aufwärmbedingung erfüllt ist, führt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 den Aufwärmbetrieb in Schritt S30 aus. Wenn der Aufwärmbetrieb gestartet wird, stellt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Sollwärmeerzeugungsgröße ein, die ein Sollwert einer Wärmeerzeugungsgröße des Brennstoffzellenstapels 20 ist. Wenn eine gegenwärtige Außentemperatur oder eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 niedriger ist, kann die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Sollwärmeerzeugungsgröße auf einen größeren Wert einstellen. In diesem Fall kann die Betriebssteuerungseinrichtung 64 bei Einstellung der Sollwärmeerzeugungsgröße ein Kennfeld verwenden, das vorab vorbereitet ist und in dem Speicher 68 gespeichert ist.
  • Weiterhin steuert, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Betriebssteuerungseinrichtung 64 das Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem 30 und das Brennstoffgasgaszufuhr-/-ausstoßsystem 50 während des Aufwärmbetriebs derart, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, das vorbestimmte stöchiometrische Verhältnis wird, das kleiner als das stöchiometrische Verhältnis des normalen Betriebs ist. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 steuert den Strom des Brennstoffzellenstapels 20 durch den FC-Wandler 95 derart, dass der Brennstoffzellenstapel 20 Leistung erzeugt, während er Wärme mit der Sollwärmeerzeugungsgröße in einem Zustand erzeugt, in dem ein reaktives Gas mit dem stöchiometrischen Verhältnis für den Aufwärmbetrieb zugeführt wird.
  • Zusätzlich treibt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 den Luftverdichter 33 derart an, dass das Oxidationsgas den Brennstoffzellenstapel 20 mit dem vorstehend beschriebenen stöchiometrischen Verhältnis zugeführt wird. In diesem Fall verwendet die Betriebssteuerungseinrichtung 64 das Steuerungskennfeld CM, das nachstehend beschrieben ist und in 8 veranschaulicht ist. Jedoch erfolgt eine Beschreibung von Einzelheiten des Steuerungskennfelds CM zusammen mit der Beschreibung der Abgasverdünnungssteuerung.
  • Während der Aufwärmbetrieb ausgeführt wird, bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 in Schritt S40, ob die Überwachungseinrichtung 66 eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst oder nicht. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, erfasst gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Überwachungseinrichtung 66 die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität, wenn die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas, die durch den Brennstoffgassensor 311 gemessen wird, den vorbestimmten zulässigen Wert überschreitet. Wenn die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, führt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Abgasverdünnungssteuerung zum Reduzieren der Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas in Schritt S50 aus. Die Abgasverdünnungssteuerung ist später beschrieben.
  • Wenn in Schritt S40 die Abgaskonzentrationsanomalität nicht erfasst wird, oder nachdem die Abgasverdünnungssteuerung in Schritt S50 ausgeführt wird, bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 in Schritt S60, ob der Aufwärmbetrieb zu beenden ist oder nicht. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 bestimmt, ob eine vorbestimmte Aufwärmbeendigungsbedingung erfüllt ist oder nicht. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aufwärmbeendigungsbedingung erfüllt, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorbestimmte Schwellenwerttemperatur oder höher ist. Es sei bemerkt, dass gemäß anderen Ausführungsbeispielen die Aufwärmbeendigungsbedingung erfüllt sein kann, wenn beispielsweise Temperaturen von Systemhilfsmaschinen außer dem Brennstoffzellenstapel 20 die Schwellenwerttemperatur oder mehr werden. Weiterhin kann die Aufwärmbeendigungsbedingung erfüllt sein, wenn eine auf der Grundlage der Sollwärmeerzeugungsgröße berechneten Aufwärmendzeit verstrichen ist.
  • Wenn die Aufwärmendbedingung erfüllt ist, beendet die Betriebssteuerungseinrichtung 64 den Aufwärmbetrieb und beendet die Startverarbeitung. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 startet den normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 nach Beendigung der Startverarbeitung. Wenn demgegenüber die Aufwärmbeendigungsbedingung nicht erfüllt ist, kehrt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 zu Schritt S30 zurück und setzt den Aufwärmbetrieb fort, bei dem veranlasst wird, dass der Brennstoffzellenstapel 20 Wärme mit der Sollwärmeerzeugungsgröße erzeugt. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 führt wiederholt eine Brennstoffgaskonzentrationsbestimmung durch die Überwachungseinrichtung 66 in Schritt S40 zu einem vorbestimmten Steuerungszyklus aus, bis die Aufwärmbeendigungsbedingung in Schritt S60 erfüllt ist.
  • 7 zeigt eine erläuternde Darstellung, die einen Ablauf einer Abgasverdünnungssteuerung veranschaulicht. Gemäß der Abgasverdünnungssteuerung erhöht die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Strömungsrate von Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird. Weiterhin steuert die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Öffnung des Umgehungsventils 39 derart, dass ein Verhältnis der Strömungsrate von Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 zu der Abgasrohrleitung 306 herausströmt, in Bezug auf die Strömungsrate von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, sich erhöht. Folglich wird eine Brennstoffgaskonzentration in Abgas, das aus der Abgasrohrleitung 306 ausgestoßen wird, reduziert.
  • In Schritt S100 bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, deren Herausströmen aus der Abgasrohrleitung 306 durch die Umgehungsrohrleitung 308 bewirkt wird. Diese Erhöhungsgröße der Strömungsrate wird als „Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt“ bezeichnet. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 bestimmt die Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt für einen Messwert des Brennstoffgassensors 311 durch Verwendung eines Kennfeldes, das eine Beziehung derart definiert, dass bei Höherwerden der Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas die Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt größer wird, und das vorab vorbereitet ist.
  • In Schritt S110 bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 durch Verwendung der in Schritt S100 bestimmten Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt ein dem Luftverdichter 33 anzuweisendes Solldruckverhältnis. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bestimmt die Betriebssteuerungseinrichtung 64, das Solldruckverhältnis des Luftverdichters 33 derart, dass eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmende Luft und eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der durch den Luftverdichter 33 zugeführten Luft gleich werden. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 verwendet das Steuerungskennfeld CM, das die Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 verwendet und nachstehend beschrieben ist, um das Solldruckverhältnis zu bestimmen.
  • 8 zeigt eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für das Steuerungskennfeld CM des Luftverdichters 33 veranschaulicht. Die Beziehung, die auf den Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 beruht, ist für das Steuerungskennfeld CM definiert. Die Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 sind durch eine Beziehung von jedem Leistungsverbrauch derart angegeben, dass das Druckverhältnis und die Strömungsrate, bei denen der Luftverdichter 33 angetrieben wird, mit identischem Leistungsverbrauch auf einer eineindeutigen Basis verknüpft sind. Ein Graph von jedem Leistungsverbrauch, der diese Beziehung angibt, ist ebenfalls als „Linie gleicher Leistung EPL“ bezeichnet. Eine Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf eine Erhöhung in der Strömungsrate ist klein, und das Druckverhältnis wird im Wesentlichen konstant in einer Region mit niedriger Strömungsrate QL beibehalten, in der eine Strömungsrate jeder Leitung gleicher Leistung EPL relativ klein ist. Der Ausdruck „im Wesentlichen konstant“, wie er hier beschrieben ist, umfasst einen Fluktuationsbereich von angenähert ±5%. Eine Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf die Erhöhung in der Strömungsrate ist in einer Region hoher Strömungsrate QH, in der die Strömungsrate von jeder Linie gleicher Leistung EPL relativ groß ist, größer als in der Region niedriger Strömungsrate QL. Genauer verringert sich das Druckverhältnis wie eine quadratische Funktion, wenn die Strömungsrate sich in der Region hoher Strömungsrate QH jeder Linie gleicher Leistung EPL erhöht. Es sei bemerkt, dass die Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter zugeführt wird, in der Region mit niedriger Strömungsrate größer als die Strömungsrate der Luft ist, die durch den Luftverdichter in der Region mit niedriger Strömungsrate zugeführt wird. Je höher der Leistungsverbrauch der Linie gleicher Leistung EPL ist, umso größer ist das Druckverhältnis, das für dieselbe Strömungsrate bestimmt wird. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 steuert den Antrieb des Luftverdichters 33 durch Verwendung des Steuerungskennfeld CM, das die Beziehung definiert, die die Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 angibt. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 verwendet dieses Steuerungskennfeld CM, wenn der Luftverdichter 33 angetrieben wird, während der Brennstoffzellenstapel 20 Leistung erzeugt, nicht nur während des Aufwärmbetriebs, sondern ebenfalls während des Normalbetriebs.
  • Eine Betriebssteuerung des Luftverdichters 33 zu einer Zeit, zu der der Aufwärmbetrieb in Schritt S30 in 6 gestartet wird, ist zunächst beschrieben, und dann ist die Betriebssteuerung des Luftverdichters 33, während der Abgasverdünnungssteuerung beschrieben. Zu der Zeit des Starts des Aufwärmbetriebs wählt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 einen Leistungsverbrauch des Luftverdichters 33 für den Aufwärmbetrieb aus. Der Leistungsverbrauch des Luftverdichters 33 für den Aufwärmbetrieb wird vorab entsprechend einer Leistung bestimmt, zu deren Erzeugung der Brennstoffzellenstapel 20 während des Aufwärmbetriebs veranlasst wird. Die Leistung, zu deren Erzeugung während des Aufwärmbetriebs der Brennstoffzellenstapel 20 veranlasst wird, und der Leistungsverbrauch des Luftverdichters 33 können entsprechend einer gegenwärtigen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 geändert werden. Wie es in 8 veranschaulicht ist, erhält die Betriebssteuerungseinrichtung 64 ein Solldruckverhältnis PPa in Bezug auf eine Sollströmungsrate Qa von Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, auf einer Linie gleicher Leistung EPLa des ausgewählten Leistungsverbrauchs. Diese Sollströmungsrate Qa wird auf der Grundlage des stöchiometrischen Verhältnisses eines Oxidationsgases während des Aufwärmbetriebs bestimmt. Die Sollströmungsrate Qa ist ein Wert, der in der Region niedriger Strömungsrate QL enthalten ist. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 befiehlt dem Luftverdichter 33, Luft zuzuführen, die durch den Luftverdichter 33 entsprechend dem Solldruckverhältnis PPa mit einem Leistungsverbrauch für den Aufwärmbetrieb verdichtet wird.
  • In Schritt S110 der Abgasverdünnungssteuerung gemäß 7 berechnet die Betriebssteuerungseinrichtung 64 eine neue Sollströmungsrate Qb des Luftverdichters 33 derart, dass die Strömungsrate der durch den Luftverdichter 33 zugeführten Luft sich um die in Schritt S100 berechnete Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt erhöht. Die Sollströmungsrate Qb wird als ein Wert berechnet, der durch Addieren der Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt zu der gegenwärtigen Sollströmungsrate Qa des Luftverdichters 33 erhalten wird. Die Betriebssteuerungseinrichtung 64 verwendet das in 8 veranschaulichte Steuerungskennfeld CM zum Erhalten des Solldruckverhältnisses PPb für die berechnete neue Sollströmungsrate Qb auf der Linie gleicher Leistung EPLa, die mit dem Leistungsverbrauch für den Aufwärmbetrieb verknüpft ist. Die Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt wird als ein derartiger Wert bestimmt, dass die neue Sollströmungsrate Qb in der Region hoher Strömungsrate QH enthalten ist, und das Solldruckverhältnis PPb wird als ein Wert erhalten, der kleiner als das Solldruckverhältnis PPa ist, bei dem die Abgasverdünnungssteuerung gestartet worden ist.
  • In Schritt S120 steuert die Betriebssteuerungseinrichtung 64 das Umgehungsventil 39 und den Luftverdichter 33. Genauer erhöht die Betriebssteuerungseinrichtung 64 das Öffnen des Umgehungsventils 39 entsprechend der Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt derart, dass die Menge von Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 zu der Abgasrohrleitung 306 hereinströmt, sich um die Soll-Umgehungserhöhungsströmungsrate ΔQt erhöht. Im Wesentlichen zu der gleichen Zeit treibt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 den Luftverdichter 33 derart an, dass der Luftverdichter 33 Luft zuführt, die entsprechend dem in Schritt S110 berechneten neuen Solldruckverhältnis PPb mit dem Leistungsverbrauch für den Aufwärmbetrieb verdichtet wird.
  • Durch Steuerung des Luftverdichters 33 und des Umgehungsventils 39 in Schritt S120 werden die Strömungsrate von Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, und die Strömungsrate der Luft, die zu der Abgasrohrleitung 306 durch die Umgehungsrohrleitung 308 herausströmt, erhöht. Genauer wird ein Verhältnis der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 zu der Abgasrohrleitung 306 herausströmt, in Bezug auf die Strömungsrate der Luft, die den Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, erhöht. Folglich ist es möglich, die Menge von Luft, die in einem Abgas enthalten ist, die in die Atmosphäre durch die Abgasrohrleitung 306 ausgestoßen wird, zu erhöhen, während eine Verringerung der Menge von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, unterdrückt wird. Folglich ist es möglich, eine Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu reduzieren, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird, während eine Änderung in einem Leistungserzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels 20 unterdrückt wird.
  • Bei Beendigung der Abgasverdünnungssteuerung kehrt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 zu der Startverarbeitung gemäß 6 zurück und setzt den Aufwärmbetrieb fort, bis in Schritt S60, die Aufwärmbeendigungsbedingung erfüllt ist. Es sei bemerkt, dass, während die Abgaskonzentrationsanomalität in Schritt S40 nach Ausführung der Abgasverbindungsteuerung erfasst wird, die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Strömungsrate der Luft, die durch die Abgasverdünnungssteuerung eingestellt worden ist und durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, und die Strömungsrate der Luft, die durch die Umgehungsrohrleitung 308 umgeleitet wird, beibehält. Wenn nach Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung in Schritt S40 eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität nicht weiter erfasst wird, setzt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, und die Strömungsrate, die durch die Umgehungsrohrleitung 308 umgeleitet wird, auf die Strömungsrate zu einer Zeit des normalen Aufwärmbetriebs zurück.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, führt, wenn die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität während des Aufwärmbetriebs erfasst wird, das Brennstoffzellensystem 10 eine Abgasverdünnungssteuerung zur Erhöhung des Verhältnisses der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmt, in Bezug auf die Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist, aus. Folglich ist es möglich, die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu reduzieren, während eine Verringerung der Zufuhrmenge von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 20 unterdrückt wird.
  • Weiterhin wird entsprechend der Abgasverdünnungssteuerung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuerung derart durchgeführt, dass die Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmt, und die Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, gleich werden. Folglich wird, selbst wenn die Öffnung des Umgehungsventils 39 durch die Abgasverdünnungssteuerung erhöht wird, ein Fluktuieren der Zufuhrströmungsrate von Luft für die Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 unterdrückt. Folglich ist es möglich, eine Änderung des Zufuhrströmungsrates des Brennstoffzellenstapels 20 zu unterdrücken, um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel 20 eine Leistungserzeugung stabil fortsetzt. Insbesondere wenn der Aufwärmbetrieb mit dem reduzierten stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases wie gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, beeinflusst die Fluktuation der Zufuhrströmungsrate der Luft für den Brennstoffzellenstapel 20 signifikant den Leistungserzeugungszustand und eine Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 20. Somit ist im Hinblick auf ein stabiles Fortsetzen des Aufwärmbetriebs eine Wirkung, die aus der Unterdrückung der Fluktuation der Zufuhrströmungsrate der Luft für den Brennstoffzellenstapel 20 durch die Abgasverdünnungssteuerung resultiert, signifikant.
  • Entsprechend der Abgasverdünnungssteuerung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, während der Leistungsverbrauch des Luftverdichters 33 durch Verwendung der Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 konstant beibehalten wird, die Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, erhöht. Folglich wird eine Erhöhung der von dem Brennstoffzellensystem 10 für die Abgasverdünnungssteuerung verbrauchten Leistung unterdrückt, und wird eine Verringerung in dem Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10 unterdrückt. Weiterhin ist es möglich, die Abgasverdünnungssteuerung ohne Erhöhung der Leistungserzeugungsgröße des Brennstoffzellenstapels 20 auszuführen, so dass es möglich ist, den Aufwärmbetrieb stabil fortzusetzen, während der Leistungserzeugungszustand des Brennstoffzellenstapels 20 beibehalten wird.
  • Weiterhin ist es, wenn die Abgasverdünnungssteuerung während des Aufwärmbetriebs ausgeführt wird, bei dem der Brennstoffzellenstapel 20 lediglich begrenzte Leistung ausgibt, falls die Fluktuation des Leistungserzeugungszustands des Brennstoffzellenstapels 20, wie vorstehend beschrieben unterdrückt wird, möglich, zu unterdrücken, dass die Sekundärbatterie 96 mit einer großen Last beaufschlagt wird. Wenn Eigenschaften dahingehend bereitgestellt sind, dass ein zulässiger Bereich des Ladens-/Entladens sich unter einer niedrigen Temperaturumgebung verengt, ähnlich wie bei der Sekundärbatterie 96 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, kann eine derartige Wirkung als eine besonders deutliche Wirkung erhalten werden, und ist es möglich, die Sekundärbatterie 96 effektiv zu schützen.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel treibt die Betriebssteuerungseinrichtung 64 den Luftverdichter 33 mit der Strömungsrate in der Region niedriger Strömungsrate QL in dem Steuerungskennfeld CM vor Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung an, und treibt den Luftverdichter 33 mit der Strömungsrate in der Region mit hoher Strömungsrate QH in dem Steuerungskennfeld CM während der Abgasverdünnungssteuerung an. Folglich ist es möglich, die Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, zu steuern, während ein Druckverhältnis des Luftverdichters 33 außerhalb der Abgasverdünnungssteuerung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Demgegenüber ist es entsprechend der Abgasverdünnungssteuerung möglich, die Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, signifikant im Vergleich zu der Strömungsrate vor Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung zu erhöhen. Folglich ist es möglich, effektiver die Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu reduzieren.
  • Andere Ausführungsbeispiele:
  • Verschiedene Konfigurationen, die in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, können beispielsweise wie nachstehend beschrieben modifiziert werden. Jedes der anderen Ausführungsbeispiele, die nachstehend beschrieben sind, ist als ein Beispiel für ein Ausführungsbeispiel zur Ausführung der Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung zu betrachten, ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Anderes Ausführungsbeispiel 1:
  • Die Abgasverdünnungssteuerung kann während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 außerhalb des Aufwärmbetriebs ausgeführt werden. Die Abgasverdünnungssteuerung kann ausgeführt werden, wenn die Überwachungseinrichtung 66 eine Abgaskonzentrationsanomalität während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 erfasst. Folglich ist es möglich, eine Brennstoffgaskonzentration in einem Abgas zu reduzieren, während ein Fluktuieren des Leistungserzeugungszustands des Brennstoffzellenstapels 20 während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 unterdrückt wird. In dieser Hinsicht wird angenommen, dass ein Grund dafür, dass die Abgaskonzentrationsanomalität während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 auftritt, ist, dass ein Zufuhrfehler des Oxidationsgases zu der Kathode die Produktion einer großen Menge von Brennstoffgas in der Kathode verursacht.
  • Anderes Ausführungsbeispiel 2:
  • Entsprechend der Abgasverdünnungssteuerung muss eine Steuerung nicht derart durchgeführt werden, dass die Erhöhungsgröße der Strömungsrate von Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmt, und die Erhöhungsgröße der Strömungsrate von Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, gleich werden. Das heißt, dass bei der Abgasverdünnungssteuerung die Strömungsrate der Luft, die durch die Umgehungsrohrleitung 308 umgeleitet wird, auf eine Erhöhungsgröße erhöht werden kann, die sich von der Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, unterscheidet. In diesem Fall ist eine Differenz zwischen der Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung 308 herausströmt, und der Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter 33 zugeführt wird, eine derartige Differenz, dass eine Fluktuation des Leistungserzeugungszustands in dem Brennstoffzellenstapel 20, die durch diese Differenz verursacht wird, wünschenswerterweise in einen zulässigen Bereich fällt.
  • Anderes Ausführungsbeispiel 3:
  • Der Luftverdichter 33 muss nicht als ein Verdichter einer Bauart konfiguriert sein, die Betriebseigenschaften aufweist, die die Strömungsrate von zuzuführender Luft ändern kann, während der Leistungsverbrauch beibehalten wird. In diesem Fall kann der Luftverdichter 33 beispielsweise als ein Roots-Verdichter konfiguriert sein, der derart konfiguriert ist, dass er kein Flügelrad aufweist. Bei dem Roots-Verdichter besteht allgemein eine Schwierigkeit bei der Durchführung einer Steuerung zur Änderung der Strömungsrate der zuzuführenden Luft, während der Leistungsverbrauch beibehalten wird. Daher kann, wenn der Luftverdichter 33 als der Roots-Verdichter konfiguriert ist, Leistung, die dem Verdichter zuzuführen ist, während der Abgasverdünnungssteuerung nicht konstant beibehalten werden.
  • Anderes Ausführungsbeispiel 4:
  • Während der Abgasverdünnungssteuerung kann die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Strömungsrate von durch den Luftverdichter 33 zugeführten Luft erhöhen, während ein im Wesentlichen konstantes Druckverhältnis gehalten wird, indem die Region niedriger Strömungsrate QL in dem Steuerungskennfeld CM verwendet wird. Während der Abgasverdünnungssteuerung kann die Betriebssteuerungseinrichtung 64 die Strömungsrate der durch den Luftverdichter 33 zugeführten Luft ohne Verwendung des Steuerungskennfeldes CM steuern, das eine Beziehung definiert, die Betriebseigenschaften des Luftverdichters 33 angibt.
  • Weiteres:
  • Ein Teil oder alle der Funktionen und der Verarbeitungen, die durch Software gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwirklicht sind, können durch Hardware verwirklicht werden. Weiterhin können ein Teil oder alle Funktionen und Verarbeitungen, die durch Hardware verwirklicht werden, durch Software verwirklicht werden. Verschiedene Schaltungen, wie integrierte Schaltungen, diskrete Schaltungen oder Schaltungsmodule, die durch Kombinieren dieser Schaltungen geformt sind, können als Hardware verwendet werden.
  • Die Offenbarung ist nicht auf irgendeines der Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen, die vorstehend beschrieben worden sind, begrenzt, und kann durch verschiedene Konfigurationen ohne Abweichen von dem Umfang der Offenbarung implementiert werden. Beispielsweise können die technischen Merkmale von irgendeinem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und deren Modifikationen, die den technischen Merkmalen von jedem der Ausgestaltungen entsprechen, die in der Zusammenfassung beschrieben sind, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle Probleme, die vorstehend beschrieben worden sind, zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Beliebige der technischen Merkmale können in geeigneter Weise weggelassen werden, solange das technische Merkmal nicht als wesentlich in der Beschreibung davon beschrieben ist.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist ein Brennstoffzellensystem eine Steuerungseinrichtung auf, die Betriebe eines Oxidationsgaszufuhr-/- ausstoßsystems und eines Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystems steuert, und eine Leistungserzeugung eines Brennstoffzellenstapels steuert, wobei, wenn eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, bei der eine Brennstoffgaskonzentration in einem Abgas einen zulässigen Wert während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels überschreitet, die Steuerungseinrichtung eine Strömungsrate von Luft, die durch einen Luftverdichter zugeführt wird, erhöht, und eine Öffnung eines Umgehungsventils zur Ausführung einer Abgasverdünnungssteuerung steuert, um ein Verhältnis der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung zu einer Abgasrohrleitung ausströmt, in Bezug auf die Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, zu erhöhen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2101061960 [0002]
    • JP 2010061960 A [0003]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem (10), mit: einem Brennstoffzellenstapel (20), der eine Kathode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, und eine Anode aufweist, der Brennstoffgas zugeführt wird, einem Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem (30), das konfiguriert ist, eine Zufuhrsteuerung des Oxidationsgases zu der Kathode auszuführen, wobei das Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystem (30) eine Kathodenzufuhrrohrleitung (302), die mit einem Einlass der Kathode verbunden ist, eine Abgasrohrleitung, die mit einem Auslass der Kathode verbunden ist, und ein Abgas, das ein von der Kathode ausgestoßenes Kathoden-Abgas enthält, in eine Atmosphäre ausstößt, eine Umgehungsrohrleitung (308), die die Kathodenzufuhrrohrleitung (302) und die Abgasrohrleitung (306) verbindet, einen Luftverdichter (33), der konfiguriert ist, Luft, die das Oxidationsgas enthält, zum Zuführen zu der Kathodenzufuhrrohrleitung (302) zu verdichten, und ein Umgehungsventil (39) aufweist, das konfiguriert ist, eine Strömungsrate der in der Umgehungsrohrleitung (308) strömenden Luft zu justieren, einem Brennstoffgaszufuhr-/-ausstoßsystem (50), das konfiguriert ist, eine Zufuhrsteuerung des Brennstoffgases zu der Anode auszuführen, einem Brennstoffgassensor (311), der in der Abgasrohrleitung (306) vorgesehen ist und konfiguriert ist, eine Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas zu erfassen, einer Steuerungseinrichtung (62), die konfiguriert ist, Betriebe des Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystems (30) und des Brennstoffgaszufuhr-/- ausstoßsystems (50) zu steuern, und eine Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels (20) zu steuern, wobei, wenn eine Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, bei der die Brennstoffgaskonzentration einen vorbestimmten zulässigen Wert während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels (20) überschreitet, die Steuerungseinrichtung (62) eine Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft erhöht und eine Öffnung des Umgehungsventils (39) zur Ausführung einer Abgasverdünnungssteuerung steuert, um ein Verhältnis einer Strömungsrate der aus der Umgehungsrohrleitung (308) zu der Abgasrohrleitung (306) herausströmenden Luft in Bezug auf eine Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel (20) zuzuführen ist, zu erhöhen.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinrichtung (62), einen Aufwärmbetrieb des Anhebens einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (20) bei Aktivierung des Brennstoffzellenstapels (20) ausführt, und die Abgasverdünnungssteuerung ausführt, wenn die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität während der Ausführung des Aufwärmbetriebs erfasst wird.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der Abgasverdünnungssteuerung die Steuerungseinrichtung (62) eine Steuerung derart durchführt, dass eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrohrleitung (308) herausströmt, und eine Erhöhungsgröße der Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter (93) zugeführt wird, gleich werden.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Luftverdichter (33) konfiguriert ist, eine Strömungsrate der Luft, die zuzuführen ist, zu ändern, während ein Leistungsverbrauch beibehalten wird, der Luftverdichter (33) durch Leistung des Brennstoffzellenstapels (20) angetrieben wird, und während der Abgasverdünnungssteuerung die Steuerungseinrichtung (62), die Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft erhöht, während eine Leistung, die aus dem Brennstoffzellenstapel (20) dem Luftverdichter (33) zuzuführen ist, konstant beibehalten wird.
  5. Brennstoffzellensystem (10), nach Anspruch 4, wobei, wenn der Luftverdichter (33) mit dem gleichen Leistungsverbrauch angetrieben wird, ein Druckverhältnis eines Drucks der Luft, die in den Luftverdichter (33) strömt, in Bezug auf einen Druck der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft und die Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft eineindeutig verknüpft sind, eine Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf eine Erhöhung in der Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft in einer Region niedriger Strömungsrate kleiner als die Verringerung in dem Druckverhältnis in Bezug auf die Erhöhung in der Strömungsrate der durch Verdichter (33) zugeführten Luft in einer Region hoher Strömungsrate ist, in der die Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft größer als die Strömungsrate der durch den Luftverdichter (33) zugeführten Luft in der Region niedriger Strömungsrate ist, und die Steuerungseinrichtung (62) vor Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung den Luftverdichter (33) mit einer Sollströmungsrate antreibt, die in der Region niedriger Strömungsrate enthalten ist, und den Luftverdichter (33) während der Ausführung der Abgasverdünnungssteuerung mit einer Sollströmungsrate antreibt, die in der Region hoher Strömungsrate enthalten ist.
  6. Steuerungsverfahren eines Brennstoffzellensystems (10), das einen Brennstoffzellenstapel (20) aufweist, wobei der Steuerungsverfahren aufweist: Steuern eines Oxidationsgaszufuhr-/-ausstoßsystems (30), das eine Kathodenzufuhrrohrleitung (302), die mit einem Einlass des Brennstoffzellenstapels (20) verbunden ist, einen Luftverdichter (33), der konfiguriert ist, Luft zu verdichten, die in einem Oxidationsgas enthalten ist, das der Kathodenzufuhrrohrleitung (302) zuzuführen ist, eine Abgasrohrleitung (306), die mit einem Auslass der Kathode verbunden ist und ein Abgas, das ein aus der Kathode ausgestoßenes Kathoden-Abgas enthält, in die Atmosphäre ausstößt, eine Umgehungsrohrleitung (308), die die Kathodenzufuhrrohrleitung (302) und die Abgasrohrleitung (306) verbindet, und ein Umgehungsventil (39) aufweist, das konfiguriert ist, eine Strömungsrate der in der Umgehungsrohrleitung (308) strömenden Strömungsrate zu justieren, wobei das Oxidationsgas der Kathode zugeführt wird, das Brennstoffgaszufuhr-/- ausstoßsystem (50) gesteuert wird und ein Brennstoffgas einer Anode des Brennstoffzellenstapels (20) zugeführt wird, um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel (20) Leistung erzeugt, Überwachen eines Auftretens einer Brennstoffgaskonzentrationsanomalität, bei der eine Brennstoffgaskonzentration in dem Abgas einen vorbestimmten zulässigen Wert während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels (20) überschreitet, und, wenn die Brennstoffgaskonzentrationsanomalität erfasst wird, Erhöhen einer Strömungsrate der Luft, die durch den Luftverdichter (33) zugeführt wird, und Steuern eines Öffnens des Umgehungsventils (39) zur Ausführung einer Abgasverdünnungssteuerung, um ein Verhältnis einer Strömungsrate der Luft, die aus der Umgehungsrate (308) zu der Abgasrohrleitung (306) strömt, in Bezug auf eine Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel (20) zuzuführen ist, zu erhöhen.
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