DE102021109882A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Ryouichi NAMBA
Masahiro Ito
Koro FUJIO
Hiroyuki Tsunekawa
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Abstract

Die Steuervorrichtung (200) ist derart eingerichtet, dass, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) zur Startzeit einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (10) kleiner ist als eine Standardtemperatur, sie die Brennstoffzelle (10) veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle (10), die mit dem Leistungserzeugungsverlust einher geht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, und derart, dass, wenn ein kumulativer Stromwert einer Zeitspanne, während der die Brennstoffzelle (10) veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge die erste Wärmeerzeugungsmenge wird, größer gleich einem vorgegebenen kumulativen Wert ist, sie die Brennstoffzelle (10) veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Hintergrund
  • Als herkömmliches Brennstoffzellensystem offenbart die JP 2016 - 096 041 A eines, das zur Zeit eines Systemstarts eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, bei der der Leistungserzeugungsverlust größer wird als bei einer normalen Leistungserzeugung, um so einen schnellen Aufwärmvorgang durchzuführen, um die Menge einer Selbsterwärmungserzeugung der Brennstoffzelle zu erhöhen, um zu veranlassen, dass die Brennstoffzelle schnell aufwärmt.
  • Kurzfassung
  • Ein Widerstand einer Brennstoffzelle (FC) wird tendenziell höher, je niedriger die Temperatur der Brennstoffzelle oder je trockener die elektrolytischen Membranen der Brennstoffzelle ist. Eine Widerstandsüberspannung, eine Ursache für einen Spannungsabfall, wird proportional zu einer Erhöhung des Widerstands der Brennstoffzelle stärker und wird proportional zu einer Erhöhung eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle stärker. Ferner wird zur Zeit einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, falls die erzeugte elektrische Leistung die gleiche ist, der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle größer als während der Zeit einer normalen Leistungserzeugung, sodass, falls eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle in dem Zustand niedrig ist, in dem die Brennstoffzelle trocken ist, die Spannung der Brennstoffzelle zusammen mit dem Anstieg der Widerstandsüberspannung fallen wird und das Risiko besteht, dass sie eine negative Spannung annimmt. Falls die Spannung der Brennstoffzelle eine negative Spannung annimmt, besteht das Risiko, dass diese Brennstoffzelle verschleißt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit Fokus auf einem solchen Problem entwickelt und hat als Aufgabe, zu verhindern, dass die Spannung der Brennstoffzelle zur Zeit einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad eine negative Spannung annimmt.
  • Um dieses technische Problem zu lösen, weist das Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle auf, die eingerichtet ist, durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases mit einem Oxidationsmittelgas elektrische Leistung zu erzeugen, sowie eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung weist einen Abschnitt für eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auf, der eingerichtet ist, eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einem größeren Leistungserzeugungsverlust durchzuführen als bei einer normalen Leistungserzeugung. Der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ist derart eingerichtet, dass, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle zur Startzeit einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle kleiner ist als eine Standardtemperatur, er die Brennstoffzelle veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle, die mit dem Leistungserzeugungsverlust einher geht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, und derart, dass er, wenn ein kumulativer Stromwert einer Zeitspanne, während der die Brennstoffzelle veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge die erste Wärmeerzeugungsmenge wird, größer gleich einem vorgegebenen kumulativen Wert ist, er die Brennstoffzelle veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge.
  • Gemäß diesen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, bei der die Wärmeerzeugungsmenge relativ niedrig gehalten wird, durchgeführt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger ist als die Standardtemperatur. Das heißt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger ist als die Standardtemperatur, wird die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt, bei der der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle relativ niedrig gehalten wird. Selbst falls die Brennstoffzelle ausgetrocknet ist, ist es möglich, die Widerstandsüberspannung dieser Brennstoffzelle niedrig zu halten. Aus diesem Grund kann zur Zeit der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad verhindert werden, dass die Spannung der Brennstoffzelle eine negative Spannung annimmt.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Ansicht, die eine Standard-IV-Charakteristik eines Brennstoffzellenstapels zeigt, wo eine FC-Temperatur eine bestimmte Temperatur ist.
    • 3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung eines stöchiometrischen Luft-Verhältnisses und einer Sauerstoffkonzentrationsüberspannung von einem Faktor eines Leistungserzeugungsverlusts erläutert.
    • 4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung einer Temperatur einer Einheitszelle und einen Widerstand dieser Einheitszelle gemäß einer Menge an Wasser einer elektrolytischen Membran dieser Einheitszelle zeigt.
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung für ein schnelles Aufwärmen des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
    • 6 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung zur Einstellung einer Soll-wärmeerzeugung detailliert erläutert.
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad detailliert erläutert.
    • 8 ist ein IV-Charakteristik-Kennfeld, in dem Gleichleistungslinien und Linien gleicher Wärmeerzeugung zur Berechnung eines Betriebspunkts X2 für ein schnelles Aufwärmen eingezeichnet sind.
    • 9 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Berechnung des Betriebspunkts X2 für ein schnelles Aufwärmen erläutert.
    • 10 ist ein Standard-IV-Merkmalskennfeld zum Berechnen einer Standard-FC-Spannung.
    • 11 ist ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Luft-Verhältnis und der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung zur Berechnung eines standardmäßigen stöchiometrischen Luft-Verhältnisses zeigt.
    • 12A ist eine Ansicht, die den FC-Strom als Abszisse verwendet, die Veränderungen im Laufe der Zeit einer Zellspannung einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand, eine mittlere Zellspannung eines Brennstoffzellenstapels und einen kumulativen Stromwert, wenn eine Steuerung für schnelles Aufwärmen durchgeführt wird, gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
    • 12B ist eine Ansicht, die den kumulativen Stromwert als Abszisse verwendet, die Veränderungen im Laufe der Zeit einer Zellspannung einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand und eine mittlere Zellspannung eines Brennstoffzellenstapels 10, wenn eine Steuerung für schnelles Aufwärmen durchgeführt wird, gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
    • 13 ist, ähnlich wie 4, eine Ansicht, die eine Beziehung einer Temperatur einer Einheitszelle und eines Widerstands dieser Einheitszelle gemäß einer Menge an Wasser einer elektrolytischen Membran der Einheitszelle zeigt.
    • 14 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung für schnelles Aufwärmen des Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
    • 15 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung zum Wechseln einer Standardtemperatur erläutert.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es ist zu beachten, dass in der nachfolgenden Erläuterung ähnliche Komponentenbauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in einem Fahrzeug montiert ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 ist mit einem Brennstoffzellenstapel 10, einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung 20 zum Zuführen von Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 10 als Anodengas (Brenngas), einer Luftzufuhrvorrichtung 30 zum Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel 10 als Kathodengas (Oxidationsmittelgas), einem elektrischen Verbraucherabschnitt 50, der mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 elektrisch verbunden ist, und einer elektronischen Steuereinheit 200 zur Gesamtsteuerung der verschiedenen Steuerabschnitte des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Einheitszellen (nachfolgend als „Einheitszellen“ bezeichnet) auf, die entlang der Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind, wobei die Einheitszellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Einheitszellen sind mit MEA (Membranelektrodenanordnungen) ausgebildet.
  • Jede MEA weist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran auf, die aus einem Feststoffpolymermaterial gebildet ist (nachfolgend als „elektrolytische Membran“ bezeichnet), wobei auf einer Fläche derselben eine Anodenelektrode ausgebildet ist und auf der anderen Fläche eine Kathodenelektrode ausgebildet ist - die allesamt integral verbunden sind. Wenn in dem Brennstoffzellenstapel 10 elektrische Leistung erzeugt wird, finden die folgenden elektrochemischen Reaktionen an der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode statt:
    • Anodenelektrode: 2H2→4H++4e- (1) Kathodenelektrode: 4H++4e-+O2→2H2O (2)
  • Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode sind jeweils mit Katalysatorschichten ausgebildet, die poröse Kohlenstoffmaterialien aufweisen, in denen ein Katalysator gelagert ist. Die Katalysatorschichten enthalten Platin als Katalysator zur Förderung der elektrochemischen Reaktionen zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff (Wasserstoffoxidationsreaktion aus Formel (1) und Sauerstoffreduktionsreaktion aus Formel (2)). Es ist zu beachten, dass die zwei äußeren Seiten der MEA ferner auch mit einer Anodengasdiffusionsschicht und einer Kathodengasdiffusionsschicht ausgebildet sein können.
  • Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 20 ist mit einem Wasserstoffzufuhrrohr 21, einem Hochdruckwasserstofftank 22 als Wasserstoffquelle, einem Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitt 23, einem Anodenabgasrohr 24, einem Gas-Flüssigkeitsabscheider 25, einem Wasserstoffrücklaufrohr 26, einer Wasserstoffumlaufpumpe 27, einem Spülrohr 28 und einem Spülregelventil 29 ausgebildet.
  • Das Wasserstoffzufuhrrohr 21 ist ein Rohr, durch das Wasserstoff strömt, das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. Ein Ende ist mit dem Hochdruckwasserstofftank 22 verbunden, während das andere Ende mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist.
  • Der Hochdruckwasserstofftank 22 speichert den Wasserstoff, der durch das Wasserstoffzufuhrrohr 21 dem Brennstoffzellenstapel 10 und danach den Anodenelektroden der Einheitszellen zugeführt wird.
  • Der Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitt 23 ist mit einem Hauptabsperrventil 231, einem Regler 232 und einem Injektor 233 ausgebildet.
  • Das Hauptabsperrventil 231 ist ein Magnetventil, das durch die elektronische Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird und ist an dem Wasserstoffzufuhrrohr 21 ausgebildet. Falls das Hauptabsperrventil 231 geöffnet wird, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 an das Wasserstoffzufuhrrohr 21. Falls das Hauptabsperrventil 231 geschlossen wird, wird das Herausströmen von Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 gestoppt.
  • Der Regler 232 ist an dem Wasserstoffzufuhrrohr 21 stromabwärts von dem Hauptabsperrventil 231 ausgebildet. Der Regler 232 ist ein Druckregelventil, bei dem es möglich ist, dessen Öffnungsgrad kontinuierlich oder schrittweise anzupassen. Sein Öffnungsgrad wird durch die elektronische Steuereinheit 200 gesteuert. Indem der Öffnungsgrad des Reglers 232 gesteuert wird, wird der Druck des Wasserstoffs auf der Stromabwärtsseite von dem Regler 232 gesteuert, das heißt, der Druck des Wasserstoffs, der von dem Injektor 233 eingespritzt wird, wird gesteuert.
  • Der Injektor 233 ist an dem Wasserstoffzufuhrrohr 21 stromabwärts von dem Regler 232 ausgebildet. Der Injektor 233 ist zum Beispiel ein Nadelventil und ein Öffnen und Schließen wird durch die elektronische Steuereinheit 200 gesteuert. Indem die Öffnungszeitspanne des Injektors 233 gesteuert wird, wird die Durchflussrate des Wasserstoffs gesteuert, der von dem Injektor 233 eingespritzt wird.
  • Auf diese Weise wird durch Verwenden des Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitts 23 die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 an den Brennstoffzellenstapel 10 gesteuert. Das heißt, unter Verwendung des Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitts 23 wird Wasserstoff, das auf den gewünschten Druck und Durchflussrate gesteuert wird, dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt.
  • Das Anodenabgasrohr 24 ist ein Rohr, durch das Anodenabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 geströmt war. Ein Ende ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, während das andere Ende mit einer Gaseinströmungsöffnung 25a des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 verbunden ist. Das Anodenabgas ist Gas, das den überflüssigen Wasserstoff, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Einheitszelle verwendet wurde, und den Stickstoff und anderes Inertgas und Wassergehalt (flüssiges Wasser und Dampf) enthält, der von der Kathodenseite durch die MEA auf die Anodenelektrodenseite gedrungen ist.
  • Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 25 ist mit einer Gaseinströmungsöffnung 25a, einer Gasauströmungsöffnung 25b und einer Ausflussöffnung 25c für flüssiges Wasser ausgebildet. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 25 trennt das Wasser in dem Anodenabgas ab, das von der Gaseinströmungsöffnung 25a in das Innere strömt. Ferner stößt der Gas-Flüssigkeitsabscheider 25 das abgetrennte Wasser aus der Ausflussöffnung 25c für flüssiges Wasser an ein Spülrohr 28 aus, und stößt das Anodenabgas, welches Wasserstoff enthält, aus dem Wasser abgetrennt wurde, aus der Gasauströmungsöffnung 25b an ein Wasserstoffrücklaufrohr 26 aus.
  • Das Wasserstoffrücklaufrohr 26 ist ein Rohr, bei dem ein Ende mit der Gasauströmungsöffnung 25b des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 verbunden ist, und das andere Ende mit dem Wasserstoffzufuhrrohr 21 stromabwärts von dem Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitt 23 verbunden ist. In dem Wasserstoffrücklaufrohr 26 strömt das Anodenabgas, das aus der Gasauströmungsöffnung 25b des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 ausgestoßen wird.
  • Die Wasserstoffumlaufpumpe 27 ist an dem Wasserstoffrücklaufrohr 26 ausgebildet. Die Wasserstoffumlaufpumpe 27 ist eine Pumpe zum Umwälzen des Wasserstoffs, der in dem Anodenabgas enthalten ist, das heißt, des überschüssigen Wasserstoffs, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Zelle verwendet wurde, indem er zu dem Wasserstoffzufuhrrohr 21 zurückgeführt wird. Die Wasserstoffumlaufpumpe 27 setzt das Anodenabgas, das aus der Gasauströmungsöffnung 25b des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 ausgestoßen wurde, unter Druck und pumpt es zu dem Wasserstoffzufuhrrohr 21.
  • Das Spülrohr 28 ist ein Rohr, bei dem ein Ende mit der Ausflussöffnung 25c für flüssiges Wasser des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 verbunden ist, und das andere Ende mit einem später erläuterten Kathodenabgasrohr 38 verbunden ist.
  • Das Spülregelventil 29 ist ein Magnetventil, das durch die elektronische Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird und an dem Spülrohr 28 ausgebildet ist. Das Spülregelventil 29 ist üblicherweise geschlossen und wird in regelmäßigen Abständen für kurze Zeitspannen geöffnet. Falls das Spülregelventil 29 geöffnet wird, wird das Wasser, das innerhalb des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 25 abgetrennt wird, durch das Spülrohr 28 von dem Kathodenabgasrohr 38 nach außen ausgestoßen.
  • Auf diese Art und Weise ist das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Brennstoffzellensystem vom Wasserstoffumwälztyp, welches das Anodenabgas, das aus der Wasserstoffleitung 2 herausströmt, umwälzt, indem es dieses an das Wasserstoffzufuhrrohr 21 zurückführt, aber das Brennstoffzellensystem kann auch von einem Nicht-Wasserstoffumwälztyp sein, bei dem das Anodenabgas, das aus der Wasserstoffleitung 2 herausströmt, nicht an das Wasserstoffzufuhrrohr 21 zurückgeführt wird.
  • Die Luftzufuhrvorrichtung 30 ist mit einem Luftzufuhrrohr 31, einem Luftreiniger 32, einem Kompressor 33, einem Ladeluftkühler 34, einem Kathodeneinlassventil 35, einem Bypass-Rohr 36, einem Verteilungsventil 37, einem Kathodenabgasrohr 38 und einem Kathodendruckregelventil 39 ausgebildet.
  • Das Luftzufuhrrohr 31 ist ein Rohr, durch das Luft zur Zufuhr an den Brennstoffzellenstapel 10 und anschließend an die Kathodenelektrode jeder Einheitszelle strömt. Ein Ende ist mit dem Luftreiniger 32 verbunden, während das andere Ende mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist.
  • Der Luftreiniger 32 entfernt die Fremdstoffe in der Luft, die in das Luftzufuhrrohr 31 gesaugt werden. Der Luftreiniger 32 ist in der Atmosphäre angeordnet, die als Sauerstoffquelle 32a dient. Das heißt, die Sauerstoffquelle 32a kommuniziert mit dem Luftzufuhrrohr 31 durch den Luftreiniger 32.
  • Der Kompressor 33 ist zum Beispiel ein Turbo-Zentrifugal- oder -Axialkompressor und ist in dem Luftzufuhrrohr 31 ausgebildet. Der Kompressor 33 verdichtet und stößt die Luft, die in das Luftzufuhrrohr 31 eingesaugt wird, durch den Luftreiniger 32 aus. Es ist zu beachten, dass in dem Luftzufuhrrohr 31 stromaufwärts von dem Kompressor 33 ein Kathodenströmungsratensensor 211 zum Erfassen der Strömungsrate von Luft ausgebildet ist, die durch den Kompressor 33 eingesaugt und ausgestoßen wird (unten als „Gesamtluftzufuhrmenge“ bezeichnet) Qacp [NL/Min].
  • Der Ladeluftkühler 34 ist an dem Luftzufuhrrohr 31 stromabwärts von dem Kompressor 33 ausgebildet und kühlt die Luft, die aus dem Kompressor 33 ausgestoßen wird, zum Beispiel durch den Außenluftstrom oder Kühlwasser usw.
  • Das Kathodeneinlassventil 35 ist ein Magnetventil, das durch die elektronische Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird, und ist an dem Luftzufuhrrohr 31 stromabwärts von dem Ladeluftkühler 34 ausgebildet. Das Kathodeneinlassventil 35 wird geöffnet, wenn es erforderlich ist, dem Brennstoffzellenstapel 10 Luft zuzuführen.
  • Das Bypass-Rohr 36 ist ein Rohr, um zu veranlassen, dass ein Teil oder die gesamte Luft, die aus dem Kompressor 33 ausgestoßen wird, je nach Bedarf direkt in das später erläuterte Kathodenabgasrohr 38 strömt, ohne durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu strömen. Das Bypass-Rohr 36 ist an einem Ende mit dem Luftzufuhrrohr 31 zwischen dem Ladeluftkühler 34 und dem Kathodeneinlassventil 35 verbunden und an dem anderen Ende mit dem Kathodenabgasrohr 38 stromabwärts von dem später erläuterten Kathodendruckregelventil 39 verbunden.
  • Das Verteilungsventil 37 ist in dem Bypass-Rohr 36 angeordnet. Das Verteilungsventil 37 ist ein Magnetventil, dessen Öffnungsgrad kontinuierlich oder schrittweise angepasst werden kann. Sein Öffnungsgrad wird durch die elektronische Steuereinheit 200 gesteuert.
  • Das Kathodenabgasrohr 38 ist ein Rohr, durch das Kathodenabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 strömt. Ein Ende ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, während sich das andere Ende in die Atmosphäre öffnet. Das Kathodenabgas ist ein Gas, das den überschüssigen Sauerstoff, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Einheitszelle verwendet wurde, und den Stickstoff oder anderes Inertgas und Wassergehalt enthält, der durch die elektrochemischen Reaktionen erzeugt wurde (flüssiges Wasser oder Dampf).
  • Das Kathodendruckregelventil 39 ist in dem Kathodenabgasrohr 38 ausgebildet. Das Kathodendruckregelventil 39 ist ein Magnetventil, dessen Öffnungsgrad kontinuierlich oder schrittweise angepasst werden kann. Sein Öffnungsgrad wird durch die elektronische Steuereinheit 200 gesteuert. Indem der Öffnungsgrad des Kathodendruckregelventils 39 gesteuert wird, wird der Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10, das heißt, der Kathodendruck, gesteuert.
  • Indem der Kompressor 33 und dadurch die Gesamtluftzufuhrmenge Qafc und der jeweilige Öffnungsgrad des Kathodeneinlassventils 35, des Verteilungsventils 37 und des Kathodendruckregelventils 39 gesteuert wird, wird die Durchflussrate Qfc [NL/Min] der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, in der Luft, die aus dem Kompressor 33 ausgestoßen wird (nachfolgend als „FC-Luftzufuhrmenge“ bezeichnet) gesteuert.
  • Der elektrische Verbraucherabschnitt 50 ist mit einem ersten Wandler 51, einem Schutzschalter 52, einer Batterie 53, einem zweiten Wandler 54, einem Motorgenerator 55 und einem Wechselrichter 56 ausgebildet.
  • In der Verbindungsleitung 57 zwischen dem elektrischen Verbraucherabschnitt 50 und dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 sind ein Stromsensor 212 zum Erfassen des Stroms Ifc [A], der aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entnommen wird (nachfolgend als „FC-Strom“ bezeichnet), und ein Spannungssensor 213 zum Erfassen der Anschlussspannung Vfc [V] des Ausgangsanschlusses des Brennstoffzellenstapels 10 (nachfolgend als „FC-Spannung“ bezeichnet) ausgebildet.
  • Der erste Wandler 51 ist ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler mit einer elektrischen Schaltung, die fähig ist, die Anschlussspannung an dem primären Seitenanschluss zu erhöhen und zu verringern. Der primäre Seitenanschluss ist mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden, während der sekundäre Seitenanschluss mit dem Gleichstromseitenanschluss bzw. DC-Seitenanschluss des Wechselrichters 56 verbunden ist. Der erste Wandler 51 erhöht und verringert die FC-Ausgangsspannung Vfc, die die Spannung des primären Seitenanschlusses wird, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200, und steuert aufgrund dessen den FC-Strom Ifc auf den Soll-FC-Strom Itg, der entsprechend dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 eingestellt wird.
  • Der Schutzschalter 52 wird durch die elektronische Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen und verbindet oder trennt den Brennstoffzellenstapel 10 und den elektrischen Verbraucherabschnitt 50 elektrisch und physisch.
  • Die Batterie 53 ist zum Beispiel eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine andere aufladbare Sekundärbatterie. Die Batterie 53 wird mit überschüssiger elektrischer Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 und regenerierter elektrischer Leistung des Motorgenerators 55 geladen. Die elektrische Leistung, mit der die Batterie 53 aufgeladen wird, entspricht einem Bedarf, der verwendet wird, um den Motorgenerator 55, den Kompressor 33 und verschiedene andere Arten an Steuerabschnitten anzutreiben, die in dem Brennstoffzellensystem 100 ausgebildet sind.
  • Der zweite Wandler 54 ist zum Beispiel ein bidirektionaler Gleichspannungswandler mit einer elektrischen Schaltung, die fähig ist, die Anschlussspannung des sekundären Seitenanschlusses zu erhöhen und zu verringern. Sein primärer Seitenanschluss ist mit dem Ausgangsanschluss der Batterie 53 verbunden, während sein sekundärer Seitenanschluss mit dem Gleichstromseitenanschluss des Wechselrichters 56 verbunden ist. Der zweite Wandler 54 veranlasst, dass die Eingangsspannung des Wechselrichters 56, welche die Anschlussspannung der sekundären Seite wird, basierend auf dem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 steigt und fällt.
  • Der Motorgenerator 55 ist zum Beispiel ein Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor, der mit einer Funktion als Elektromotor zur Erzeugung von Antriebsleistung des Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist, ausgestattet ist, sowie einer Funktion als Generator, der zur Zeit einer Verzögerung des Fahrzeugs elektrische Leistung erzeugt. Der Motorgenerator 55 ist mit dem Wechselstromseitenanschluss des Wechselrichters 56 verbunden und wird durch die erzeugte elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 und die elektrische Leistung der Batterie 53 angetrieben.
  • Der Wechselrichter 56 ist mit einer elektrischen Schaltung ausgebildet, die fähig ist, Gleichstrom (DC), der von einem Gleichstromseitenanschluss eingegeben wird, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 in Wechselstrom (AC) umzuwandeln und ihn an dem Wechselstromseitenanschluss auszugeben, und ist umgekehrt fähig, Wechselstrom, der von einem Wechselstromseitenanschluss eingegeben wird, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 in Gleichstrom umzuwandeln und ihn an dem Gleichstromseitenanschluss auszugeben. Der Gleichstromseitenanschluss des Wechselrichters 56 ist mit den sekundären Seitenanschlüssen des ersten Wandlers 51 und des zweiten Wandlers 54 verbunden, während der Wechselstromseitenanschluss des Wechselrichters 56 mit dem Eingabe- und Ausgabeanschluss des Motorgenerators 55 verbunden ist. Wenn der Motorgenerator 55 als Elektromotor fungiert, wandelt der Wechselrichter 56 den Gleichstrom von dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Batterie 53 in Wechselstrom (in der vorliegenden Ausführungsform Dreiphasenwechselstrom) um, um ihn dem Motorgenerator 55 zuzuführen. Wenn der Motorgenerator 55 dagegen als Generator fungiert, wandelt der Wechselrichter 56 den Wechselstrom von dem Motorgenerator 55 in Gleichstrom um, um ihn der Batterie 53 usw. zuzuführen.
  • Die elektronische Steuereinheit 200 weist einen digitalen Computer auf, der mit Komponenten ausgebildet ist, die mittels eines bidirektionalen Bus 201 miteinander verbunden sind, wie beispielsweise einem ROM (Read Only Memory, Nurlesespeicher) 202, RAM (Random Access Memory, Direktzugriffsspeicher) 203, CPU (Mikroprozessor) 204, Eingangsport 205 und Ausgangsport 206.
  • An dem Eingangsport 205 werden Ausgangssignale von nicht nur dem oben erwähnten Kathodenströmungsratensensor 211 oder dem Stromsensor 212 oder dem Spannungssensor 213 sondern auch einem FC-Temperatursensor 214 zur Erfassung der Temperatur Tfc [°C] des Brennstoffzellenstapels 10 (nachfolgend als „FC-Temperatur“ bezeichnet), einem Lastsensor 215 zur Erfassung eines Grad des Niederdrückens des Gaspedals (unten als „Betrag des Niedertretens eines Gaspedals“ bezeichnet) usw. durch entsprechende AD-Wandler 207 eingegeben.
  • An dem Ausgangsport 206 sind der Wasserstoffzufuhrsteuerabschnitt 23 (Hauptabsperrventil 231, Regler 232 und Injektor 233) und die Wasserstoffumlaufpumpe 27, das Spülregelventil 29, der Kompressor 33, das Kathodeneinlassventil 35, das Verteilungsventil 37, das Kathodendruckregelventil 39, der erste Wandler 51, der Schutzschalter 52, der zweite Wandler 54, der Wechselrichter 56 und andere Steuerabschnitte durch entsprechende Steuerschaltkreise 208 elektrisch verbunden.
  • Die elektronische Steuereinheit 200 gibt Steuersignale aus dem Ausgangsport 206 zum Steuern der Steuerabschnitte basierend auf den Ausgangssignalen verschiedener Sensoren aus, die an dem Eingangsport 205 eingegeben wurden, um das Brennstoffzellensystem 100 zu steuern. Nachfolgend wird die Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 erläutert, welche die elektronische Steuereinheit 200 durchführt, insbesondere die Steuerung für schnelles Aufwärmen des Brennstoffzellensystems 100.
  • 2 ist eine Ansicht, die eine Strom-Spannungs-Eigenschaft zeigt, die als Standard für einen Brennstoffzellenstapel 10 dient, wenn eine Stapeltemperatur Tfc eine bestimmte Temperatur ist (nachfolgend als „Standard-IV-Charakteristik“ bezeichnet). Die Standard-IV-Charakteristik ist die IV-Charakteristik, wenn eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt wird, die verschiedene Arten an Leistungserzeugungsverlusten unterbindet, die zur Zeit einer Leistungserzeugung (normaler Leistungserzeugung) auftreten.
  • Die elektronische Steuereinheit 200 berechnet die erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg [kW] des Brennstoffzellenstapels 10 basierend auf dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die elektronische Steuereinheit 200 den Gesamtwert einer angeforderten elektrischen Leistung des Motorgenerators 55, der basierend auf dem Betrag des Niedertretens des Gaspedals usw. berechnet wird, und die angeforderte elektrische Leistung des Kompressors 33 und anderer Hilfsaggregate als erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg.
  • Ferner, wie in 2 gezeigt, steuert die elektronische Steuereinheit 200 zur Zeit eines normalen Betriebs, bei dem eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt wird, nachdem der Brennstoffzellenstapel 10 fertig aufgewärmt ist, das stöchiometrische Luft-Verhältnis und dadurch die FC-Luftzufuhrmenge Qfc derart, dass der Betriebspunkt X, der durch den FC-Strom Ifc und die FC-Spannung Vfc definiert ist, ein normaler Betriebspunkt X1 wird, der fähig ist, die erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg auf der Standard-IV-Charakteristik zu erzeugen.
  • Das „stöchiometrische Luft-Verhältnis“ ist hier das Verhältnis der tatsächlichen FC-Luftzufuhrmenge Qfc zu der Mindest-FC-Luftzufuhrmenge Qst, die erforderlich ist, um die erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg zu erzeugen (nachfolgend als „stöchiometrische FC-Luftzufuhrmenge“ bezeichnet). Sowie das stöchiometrische Luft-Verhältnis (=Qfc/Qst) größer wird als 1,0, wird folglich die tatsächliche FC-Luftzufuhrmenge Qfc größer als die stöchiometrische FC-Luftzufuhrmenge Qst.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung eines stöchiometrischen Luft-Verhältnisses und einer Sauerstoffkonzentrationsüberspannung eines Faktors eines Leistungserzeugungsverlusts erläutert (Leistungserzeugungsverlust, der aufgrund von unzureichendem Sauerstoff zur Zeit einer Leistungserzeugung auftritt).
  • Wie in 3 gezeigt, wird die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung tendenziell größer, wenn das stöchiometrische Luft-Verhältnis klein ist, als wenn es groß ist. Mit anderen Worten, der Leistungserzeugungsverlust aufgrund der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung (Größe eines Spannungsabfalls) wird tendenziell größer, wenn das stöchiometrische Luft-Verhältnis klein ist, als wenn es groß ist.
  • Daher steuert die elektronische Steuereinheit 200 zur Zeit eines normalen Betriebs die FC-Luftzufuhrmenge Qfc derart, dass das stöchiometrische Luft-Verhältnis ein stöchiometrisches Luft-Verhältnis in einer normalen Region wird, wo die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung im Wesentlichen ignoriert werden kann (in dem in 3 gezeigten Beispiel liegt ein stöchiometrisches Luft-Verhältnis zum Beispiel in der Nähe von 1,5), um eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad durchzuführen, bei der ein Leistungserzeugungsverlust niedrig gehalten wird.
  • Wenn dagegen ein Brennstoffzellensystem 100 in einer Umgebung unter dem Gefrierpunkt gestartet und betrieben wird, führt die elektronische Steuereinheit 200 einen schnellen Aufwärmbetrieb durch, um zu verhindern, dass das Wasser, das gemeinsam mit der Leistungserzeugung erzeugt wird, gefriert, während ermöglicht wird, dass die IV-Charakteristik, die sich, je niedriger die Temperatur zu dieser Zeit ist, verschlechtert, schnell wiederhergestellt werden kann. Ein schneller Aufwärmbetrieb ist ein Betriebsverfahren, bei dem die FC-Luftzufuhrmenge Qfc derart gesteuert wird, dass veranlasst wird, dass die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung ab der Zeit eines normalen Betriebs steigt, um den Leistungserzeugungsverlust absichtlich zu erhöhen, und dadurch zu veranlassen, dass die Menge einer Selbsterwärmungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 steigt, um ein Aufwärmen zu fördern.
  • Zu dieser Zeit eines schnellen Aufwärmvorgangs steuert die elektronische Steuereinheit 200 die FC-Luftzufuhrmenge Qfc derart, dass das stöchiometrische Luft-Verhältnis ein stöchiometrisches Luft-Verhältnis in einer schnellen Aufwärmregion wird, wo die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung nicht mehr ignoriert werden kann (in dem in 3 gezeigten Beispiel zum Beispiel ein stöchiometrisches Luft-Verhältnis in der Nähe von 1,0), um eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, welche die erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg erzeugt, während veranlasst wird, dass der Leistungserzeugungsverlust (Menge einer Selbsterwärmungserzeugung) im Vergleich zum normalen Betrieb steigt.
  • Aufgrund dessen ist es im Vergleich zu dem Fall aus 2, bei dem eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad bei der Standard-IV-Charakteristik durchgeführt wird, möglich, zu veranlassen, dass die FC-Spannung Vfc um genau den Betrag der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung abfällt, die dem stöchiometrischen Luft-Verhältnis entspricht. Das heißt, indem der FC-Strom Ifc gesteuert wird, während auf geeignete Weise das stöchiometrische Luft-Verhältnis und dadurch die FC-Luftzufuhrmenge Qfc gesteuert werden, wie in 2 gezeigt, ist es möglich, an dem normalen Betriebspunkt X1 und dem Betriebspunkt X2 für schnelles Aufwärmen elektrische Leistung zu erzeugen, wo veranlasst wird, dass der Leistungserzeugungsverlust ausgehend von dem normalen Betriebspunkt X1 steigt, und die gewünschte Menge an Selbsterwärmungserzeugung auf der Gleichleistungslinie (siehe Strichlinie) abgegeben wird, sodass es möglich ist, ein Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 zu fördern.
  • Hier wurde durch intensive Forschung durch die Erfinder herausgefunden, dass es während dieses schnellen Aufwärmbetriebs manchmal passiert, dass eine Einheitszelle eine negative Spannung annimmt. Falls es passiert, dass eine Einheitszelle eine negative Spannung annimmt, besteht das Risiko, dass verursacht wird, dass die Einheitszelle und dadurch der Brennstoffzellenstapel 10 verschleißt, sodass es nötig ist, Maßnahmen zu ergreifen, sodass keine Einheitszelle während des schnellen Aufwärmbetriebs eine negative Spannung annimmt. Nachstehend, unter Bezugnahme auf 4, wird zuerst die Ursache dafür erläutert, warum eine Einheitszelle während eines schnellen Aufwärmbetriebs eine negative Spannung annimmt.
  • 4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung einer Temperatur einer Einheitszelle (nachfolgend als „Zelltemperatur“ bezeichnet) und eines Widerstands dieser Einheitszelle (nachfolgend als „Zellwiderstand“ bezeichnet) gemäß einer Menge an Wasser einer elektrolytischen Membran der Einheitszelle (nachfolgend als „Membranwassermenge“ bezeichnet) zeigt.
  • Wie in 4 gezeigt, steigt der Zellwiderstand mit niedriger werdender Zelltemperatur, und steigt tendenziell mit einer kleiner werdenden Membranwassermenge, falls die Membranwassermenge kleiner wird als eine bestimmte konstante Menge. Ferner steigt der Zellwiderstand bemerkbar in der Region, in der die Zelltemperatur kleiner ist als eine vorgegebene Temperatur T1 von kleiner gleich dem Gefrierpunkt, falls die Membranwassermenge kleiner ist als eine bestimmte konstante Menge. Falls sich eine Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befindet, soll dies in der nachfolgenden Erläuterung den Zustand anzeigen, in dem die Membranwassermenge der Einheitszelle kleiner ist als diese bestimmte konstante Menge.
  • Die Widerstandsüberspannung der Einheitszelle zum Zeitpunkt einer Leistungserzeugung wird stärker proportional zu der Erhöhung des Zellwiderstands dieser Einheitszelle und wird stärker proportional zu der Erhöhung des Ausgangsstroms dieser Einheitszelle. Wie aus dem Zustand der Gleichleistungslinie der oben erwähnten 2 hervorgeht, ist ferner der Leistungserzeugungsverlust (Menge einer Selbsterwärmungserzeugung) umso größer, je größer der FC-Strom Ifc ist, falls die erzeugte elektrische Leistung gleich ist.
  • Falls eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, wenn die FC-Temperatur Tfc in einem Zustand, in dem sich eine Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befindet, kleiner ist als die vorgegebene Temperatur T1, wird der Zellwiderstand der Einheitszelle in einem übermäßig trockenem Zustand extrem hoch und die Spannung dieser Einheitszelle (nachfolgend als „Zellspannung“ bezeichnet) fällt stark ab. Folglich kann die Zellspannung der Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand eine negative Spannung annehmen. Das heißt, man nimmt an, dass die Einheitszelle während eines schnellen Aufwärmbetriebs eine negative Spannung annimmt, weil eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, wenn die FC-Temperatur Tfc in einem Zustand, in dem sich die Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befindet, kleiner ist als die vorgegebene Temperatur T1.
  • Daher wurde in der vorliegenden Ausführungsform entschieden, wenn die FC-Temperatur Tfc zur Zeit des Systemstarts kleiner ist als die vorgegebene Temperatur T1, eine erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, bei der ein Leistungserzeugungsverlust (Menge einer Selbsterwärmungserzeugung) gegenüber einer normalen Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad (zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, später erläutert) niedrig gehalten wird, bis die Menge an erzeugtem Wasser, das einhergehend mit einer Leistungserzeugung produziert wird, eine vorgegebene Menge erreicht. Die vorgegebene Menge wird zu einer Menge an erzeugtem Wasser gemacht, die eine Feststellung ermöglicht, dass ein übermäßig trockener Zustand beseitigt ist, selbst falls sich eine bestimmte Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befindet.
  • Aufgrund dessen ist es möglich, selbst falls sich eine bestimmte Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befinden sollte, den FC-Strom Ifc niedrig zu halten, bis das erzeugte Wasser, das zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird, veranlasst, dass der übermäßig trockene Zustand dieser Einheitszelle behoben wird, sodass es möglich ist, die Widerstandsüberspannung zu reduzieren. Aus diesem Grund ist es möglich, die Einheitszelle daran zu hindern, eine negative Spannung anzunehmen.
  • Ferner wurde entschieden, eine zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad von einer normalen Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, die veranlasst, dass ein Leistungserzeugungsverlust (Menge einer Selbsterwärmungserzeugung) gegenüber der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad steigt, um ein Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 zu fördern, falls die Menge an erzeugtem Wasser größer gleich einer vorgegebenen Menge wird.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung für schnelles Aufwärmen des Brennstoffzellensystems 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die elektronische Steuereinheit 200 führt den vorliegenden Ablauf mit einer vorgegebenen Verarbeitungszeitspanne (zum Beispiel 10 ms) wiederholt durch.
  • In Schritt S1 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob ein erstes Flag F1 und ein zweites Flag F2 jeweils auf 0 eingestellt wurden. Das erste Flag F1 ist ein Flag, das auf 1 eingestellt wird, wenn die oben erwähnte erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad während eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird. Der Anfangswert ist auf 0 eingestellt. Das zweite Flag F2 ist ein Flag, das auf 1 eingestellt wird, wenn die oben erwähnte zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird. Der Anfangswert ist auf 0 eingestellt. Falls das erste Flag F1 und das zweite Flag F2 jeweils auf 0 eingestellt sind, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung aus Schritt S2 fort. Falls dagegen das erste Flag F1 oder das zweite Flag F2 jeweils auf 1 eingestellt sind, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu Schritt S6 fort.
  • Bei Schritt S2 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob eine Anforderung bezüglich eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt. Falls die FC-Temperatur zur Zeit einer Systemstarts kleiner gleich einer vorgegebenen schnellen Aufwärmanforderungstemperatur ist (zum Beispiel 0 °C), stellt die elektronische Steuereinheit 200 in der vorliegenden Ausführungsform fest, dass eine Anforderung für einen schnellen Aufwärmvorgang vorliegt. Wenn sie feststellt, dass eine Anforderung für einen schnellen Aufwärmvorgang vorliegt, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung aus Schritt S3 fort. Wenn sie dagegen feststellt, dass keine Anforderung bezüglich eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt, beendet die elektronische Steuereinheit 200 den aktuellen Ablauf.
  • Bei Schritt S3 bestimmt die elektronische Steuereinheit 200, ob sie die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, wenn eine Anforderung bezüglich eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt, oder sie bestimmt, die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad nicht durchzuführen und die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab dem Starten durchzuführen. In der vorliegenden Ausführungsform vergleicht die elektronische Steuereinheit 200 die FC-Temperatur Tfc zur Zeit eines Systemstarts mit einer vorbestimmten Standardtemperatur Tthr, um dadurch zu bestimmen, ob die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt werden soll, dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt werden soll, oder ob die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad nicht durchgeführt werden soll und die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab dem Starten durchgeführt werden soll. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Standardtemperatur Tthr auf die oben unter Bezugnahme auf 4 erwähnte vorgegebene Temperatur T1 eingestellt.
  • Falls die FC-Temperatur Tfc zur Zeit eines Systemstarts niedriger ist als die Standardtemperatur Tthr, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung von Schritt S4 fort, um die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen. Falls dagegen die FC-Temperatur Tfc zur Zeit eines Systemstarts größer gleich der Standardtemperatur Tthr ist, stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, selbst falls sich eine Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand befindet, dass der Anstieg des Zellwiderstands dieser Einheitszelle in einem zulässigen Bereich liegt und nicht dazu ausreicht, dass die Zellspannung der Einheitszelle eine negative Spannung annimmt, und schreitet zu der Verarbeitung aus Schritt S5 fort, um die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Zeit eines Systemstarts durchzuführen, um ein Aufwärmen zu fördern.
  • Bei Schritt S4 stellt die elektronische Steuereinheit 200 das zweite Flag F1 auf 1 ein, um die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen.
  • Bei Schritt S5 stellt die elektronische Steuereinheit 200 das zweite Flag F2 auf 1 ein, um die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Zeit eines Systemstarts durchzuführen.
  • Bei Schritt S6 führt die elektronische Steuereinheit 200 eine Verarbeitung zum Einstellen einer Soll-Wärmeerzeugungsmenge PLtg [kW] des Brennstoffzellenstapels 10 während eines schnellen Aufwärmvorgangs durch. Details dieser Verarbeitung zum Einstellen einer Soll-Wärmeerzeugungsmenge werden unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm aus 6 erläutert.
  • In Schritt S61 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob das erste Flag F1 auf 1 eingestellt wurde. Falls das erste Flag F1 auf 1 eingestellt wurde, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung aus Schritt S62 fort. Falls dagegen das erste Flag F1 auf 0 eingestellt ist (falls das zweite Flag F2 auf 1 eingestellt wurde), schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu Schritt S66 fort.
  • Bei Schritt S62 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 einen kumulativen Wert „q“ [C] des FC-Stroms Ifc ab Starten der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad (nachfolgend als „kumulativer Stromwert“ bezeichnet) als Parameter in einer Entsprechungsbeziehung mit der Menge an erzeugtem Wasser, die zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird.
  • Bei Schritt S63 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob die Menge an erzeugtem Wasser, die zusammen mit der Leistungserzeugung erzeugt wird, eine vorgegebene Menge erreicht hat. Falls in der vorliegenden Ausführungsform der kumulative Stromwert „q“ kleiner ist als der vorgegebene kumulative Wert qthr, stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, dass die Menge an erzeugtem Wasser, die zusammen mit der Leistungserzeugung produziert wird, immer noch nicht die vorgegebene Menge erreicht hat und schreitet zu Schritt S64 fort. Falls dagegen der kumulative Stromwert „q“ größer gleich dem vorgegebenen kumulativen Wert qthr ist, stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, dass die Menge an erzeugtem Wasser, die zusammen mit der Leistungserzeugung produziert wird, die vorgegebene Menge erreicht hat und schreitet zu Schritt S65 fort.
  • Der vorgegebene kumulative Wert qthr wird zum kumulativen Stromwert gemacht, was eine Feststellung ermöglicht, dass der übermäßig trockene Zustand einer Einheitszelle durch erzeugtes Wasser eliminiert wurde, das zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird, selbst falls sich eine bestimmte Einheitszelle zur Zeit eines Starts des Brennstoffzellensystems 100 in einem übermäßig trockenen Zustand befindet.
  • Bei Schritt S64 stellt die elektronische Steuereinheit 200 die Soll-Wärmeerzeugungsmenge PLtg auf die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 (zum Beispiel 15 bis 25 kW) ein, um die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen.
  • Bei Schritt S65 stellt die elektronische Steuereinheit 200 das erste Flag F1 auf 0 zurück und stellt das zweite Flag F2 auf 1 ein, um von der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur zweiten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad umzuschalten.
  • Bei Schritt S66 stellt die elektronische Steuereinheit 200 die Soll-Wärmeerzeugungsmenge PLtg auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 ein, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 (zum Beispiel 50 bis 60 kW), um die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen.
  • Zurück in 5 führt die elektronische Steuereinheit 200 bei Schritt S7 eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durch. Der detaillierte Ablauf zur Zeit einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad wird später unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
  • Bei Schritt S8 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob ein Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 abgeschlossen ist. In der vorliegenden Ausführungsform stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob die FC-Temperatur Tfc größer gleich einer vorgegebenen Abschlusstemperatur des schnellen Aufwärmens geworden ist (zum Beispiel 70 °C). Die elektronische Steuereinheit 200 schreitet zu der Verarbeitung aus Schritt S9 fort, falls die FC-Temperatur Tfc größer gleich der Abschlusstemperatur des schnellen Aufwärmens ist. Die elektronische Steuereinheit 200 beendet dagegen die aktuelle Verarbeitung, falls die FC-Temperatur Tfc niedriger ist als die Abschlusstemperatur des schnellen Aufwärmens.
  • Bei Schritt S9 beendet die elektronische Steuereinheit 200 den schnellen Aufwärmvorgang, setzt das erste Flag F1 und das zweite Flag F2 jeweils auf 0 zurück und setzt den Wert des kumulativen Stromwerts „q“ auf null zurück.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das eine detaillierte Verarbeitung zur Zeit einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad erläutert.
  • Bei Schritt S71 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 die erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg des Brennstoffzellenstapels 10 basierend auf dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die elektronische Steuereinheit 200, wie oben erläutert, den Gesamtwert der angeforderten elektrischen Leistung des Motorgenerators 55 und die angeforderte elektrische Leistung eines Kompressors 33 und verschiedener anderer Hilfsaggregate als erzeugte elektrische Soll-Leistung Ptg.
  • Bei Schritt S72 nimmt die elektronische Steuereinheit 200 Bezug auf das in 8 gezeigte IV-Charakteristik-Kennfeld, in dem Gleichleistungslinien und Linien gleicher Wärmeerzeugung eingezeichnet sind, und berechnet den Betriebspunkt X2 für ein schnelles Aufwärmen, das heißt, einen Soll-FC-Strom Itg [A] und eine Soll-FC-Spannung Vtg [V], basierend auf der erzeugten elektrischen Soll-Leistung Ptg und der Soll-Wärmeerzeugung PLtg.
  • Insbesondere wählt die elektronische Steuereinheit 200, wie in 9 gezeigt, die Gleichleistungslinie, die eine Erzeugung der erzeugten elektrischen Soll-Leistung Ptg ermöglicht, aus den Gleichleistungslinien aus und berechnet den Punkt, an dem sich die ausgewählte Gleichleistungslinie und die Linie gleicher Wärmeerzeugung, die ermöglich, dass die Wärmeerzeugungsmenge zur Soll-Wärmeerzeugung PLtg gemacht wird, auf dem IV-Charakteristik-Kennfeld kreuzen, als Betriebspunkt X2 für ein schnelles Aufwärmen.
  • Es ist zu beachten, dass in den 8 und 9 die Linie gleicher Wärmeerzeugung L1 eine Linie gleicher Wärmeerzeugung ist, die ermöglicht, dass die Wärmeerzeugungsmenge zur ersten Wärmeerzeugungsmenge PL1 gemacht wird, während die Linie gleicher Wärmeerzeugung L2 eine Linie gleicher Wärmeerzeugung ist, die ermöglicht, dass die Wärmeerzeugungsmenge zu einer zweiten Wärmeerzeugungsmenge PL2 gemacht wird.
  • Bei Schritt S73 bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 auf das Standard-IV-Charakteristikkennfeld, das in 10 gezeigt ist, und berechnet die FC-Spannung Vstd, wenn der FC-Strom Ifc auf den Soll-FC-Strom Itg auf der Standard-IV-Charakteristik gesteuert wird (nachfolgend als „Standard-FC-Spannung“ bezeichnet). Mit anderen Worten, die Standard-FC-Spannung Vstd ist die FC-Spannung, wenn eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad (normale Leistungserzeugung) durchgeführt wird, um den FC-Strom Ifc auf den Soll-FC-Strom Itg zu steuern.
  • Es ist zu beachten, dass sich die Standard-IV-Charakteristik entsprechend der FC-Temperatur Tfc verändert, sodass eine Mehrzahl an Standard-IV-Charakteristikkennfeldern für unterschiedliche FC-Temperaturen vorbereitet werden. Daher bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 auf das optimale Standard-IV-Charakteristikkennfeld, das der aktuellen FC-Temperatur Tfc entspricht, aus der Mehrzahl von Standard-IV-Charakteristikkennfeldern und berechnet die Standard-FC-Spannung Vstd.
  • Bei Schritt S74 bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 auf das Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Luft-Verhältnis und der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung zeigt, das in 11 gezeigt ist, ähnlich wie 3, und berechnet das standardmäßige stöchiometrische Luft-Verhältnis SRstd basierend auf der Differenz ΔV1 zwischen der Standard-FC-Spannung Vstd und der Soll-FC-Spannung Vtg (das heißt, die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung, deren Verursachung erforderlich ist, um zu veranlassen, dass die Standard-FC-Spannung Vstd auf die Soll-FC-Spannung Vtg fällt) (=Vstd-Vtg).
  • Bei Schritt S75 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 einen Rückkoppelungskorrekturwert für das standardmäßige stöchiometrische Luft-Verhältnis SRstd basierend auf der Differenz ΔV2 zwischen der Soll-FC-Spannung Vtg und einer FC-Spannung Vfc (nachfolgend als „FC-Spannungsdifferenz“ bezeichnet) (=Vtg-Vfc) und addiert den Rückkoppelungskorrekturwert zu dem standardmäßigen stöchiometrische Luft-Verhältnis SRstd, um so das stöchiometrische Soll-Luft-Verhältnis SRtg zu berechnen.
  • Bei Schritt S76 multipliziert die elektronische Steuereinheit 200 die stöchiometrische FC-Luftzufuhrmenge Qth, die zum Erzeugen der erzeugten elektrischen Soll-Leistung Ptg erforderlich ist, mit dem stöchiometrischen Soll-Luft-Verhältnis SRtg, um so die Soll-FC-Luftzufuhrmenge Qtg zu berechnen.
  • Bei Schritt S77 steuert die elektronische Steuereinheit 200 die Steuerabschnitte, sodass der Betriebspunkt X, der durch den FC-Strom Ifc und die FC-Spannung Vfc definiert wird, der Betriebspunkt X2 des schnellen Aufwärmens wird.
  • Insbesondere steuert die elektronische Steuereinheit 200 den ersten Wandler 51, um den FC-Strom Ifc auf den Soll-FC-Strom Itg hin zu steuern und die FC-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg zu steuern. Zu dieser Zeit steuert die elektronische Steuereinheit 200 den Kompressor 33, sodass die Gesamtluftzufuhrmenge Qafc konstant wird, und steuert die Öffnungsgrade des Kathodeneinlassventils 35, des Verteilungsventils 37 und des Kathodendruckregelventils 39, um so die FC-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg zu steuern.
  • 12A und 12B sind Ansichten, die Aktionen und Effekte erläutern, wenn eine Steuerung für schnelles Aufwärmen gemäß der jeweiligen Ausführungsformen durchgeführt wird.
  • 12A ist eine Ansicht, die den FC-Strom als Abszisse verwendet, die Veränderungen einer Zellspannung von einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand (siehe Volllinie), eine mittlere Zellspannung eines Brennstoffzellenstapels 10 (siehe Strichlinie) und einen kumulative Stromwert „q“ (siehe Strichpunktlinie) im Laufe der Zeit zeigt, wenn eine Steuerung für schnelles Aufwärmen gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass in 12A der FC-Strom Ifc1 der Soll-FC-Strom ist, wenn die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, das heißt, wenn die Soll-Wärmeerzeugungsmenge PLtg auf die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 eingestellt wird. Der FC-Strom Ifc2 ist der Soll-FC-Strom, wenn die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, das heißt, wenn die Soll-Wärmeerzeugungsmenge PLtg auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 eingestellt wird.
  • Wie in 12A gezeigt, wird, falls die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird, der FC-Strom Ifc veranlasst, auf den Soll-FC-Strom Ifc1 zur Zeit der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu stiegen, und der kumulative Stromwert „q“ steigt auf den ersten kumulativen Wert q1. Die Zellspannung einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand fällt zusammen mit einem Anstieg des FC-Stroms Ifc aber der Soll-FC-Strom Ifc1 zur Zeit der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad wird kleiner als der Soll-FC-Strom Ifc2 zur Zeit der zweiten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, sodass es möglich ist, die Widerstandsüberspannung niedrig zu halten und die Reduzierung der Zellspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand bei allgemein in der Nähe von 0 [V] zu halten.
  • Aufgrund des erzeugten Wassers, das in der Zeitspanne produziert wird, in der die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird (Zeitspanne, in der der FC-Strom Ifc auf Ifc1 gesteuert wird), steigt ferner die Membranwassermenge einer Einheitszelle, die sich in dem übermäßig trockenen Zustand befindet, allmählich, und aufgrund dessen fällt die Widerstandsüberspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand allmählich, sodass die Zellspannung der Einheitszelle, die sich in dem übermäßig trockenen Zustand befindet, allmählich wiederhergestellt wird (steigt).
  • Falls der kumulative Stromwert „q“ der Zeitspanne, während der die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, den zweiten kumulativen Wert q2 erreicht und die Zellspannung einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand wiederhergestellt wird (steigt), sodass sie gleich der mittleren Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 10 wird, wird ferner veranlasst, dass der FC-Strom Ifc auf den Soll-FC-Strom Ifc2 zur Zeit der zweiten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad steigt und ein Aufwärmen wird gefördert.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird dieser zweite kumulative Wert q2 zu einem vorgegebenen kumulativen Wert qthr gemacht, um festzustellen, ob die Menge an erzeugtem Wasser, die zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird, eine vorgegebene Menge erreicht hat, das heißt, einen vorgegebenen kumulativen Wert qthr, der eine Feststellung erlaubt, dass der übermäßig trockene Zustand einer Einheitszelle durch erzeugtes Wasser behoben ist, das zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird, selbst falls zur Zeit eines Systemstarts eine bestimmte Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand war.
  • 12B ist eine Ansicht, die den kumulativen Stromwert als Abszisse verwendet, die Veränderungen einer Zellspannung von einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand und eine mittlere Zellspannung eines Brennstoffzellenstapels 10 im Laufe der Zeit zeigt, wenn eine Steuerung für schnelles Aufwärmen gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird.
  • Wie in 12B gezeigt, fällt die Zellspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand zusammen mit einem Anstieg des FC-Stroms Ifc, bis der kumulative Stromwert „q“ zu einem ersten kumulativen Wert q1 wird, das heißt, bis die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird und der FC-Strom Ifc veranlasst wird, auf den Soll-FC-Strom Ifc1 zur Zeit der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu steigen.
  • Während der kumulative Stromwert „q“ ein Bereich zwischen dem ersten kumulativen Wert q1 und dem zweiten kumulativen Stromwert q2 ist, steigt ferner aufgrund des erzeugten Wassers, das zu der Zeit der ersten Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad produziert wird, allmählich die Membranwassermenge einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand und dadurch fällt die Widerstandsüberspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand, sodass die Zellspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand wiederhergestellt wird (steigt).
  • Falls der kumulative Stromwert „q“ zum zweiten kumulativen Wert q2 wird, wird ferner die Zellspannung einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand wiederhergestellt (steigt), sodass sie gleich der mittleren Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 10 wird.
  • Wie oben erläutert, ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform der zweite kumulative Wert q2 zu einem vorgegebenen kumulativen Wert qthr gemacht wird. Der zweite kumulative Wert q2 ist mit anderen Worten ein kumulativer Stromwert, der eine Feststellung erlaubt, dass ein übermäßig trockener Zustand einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand vollständig durch das erzeugte Wasser beseitigt ist, das zusammen mit einer Leistungserzeugung produziert wird, selbst falls eine solche Einheitszelle vorhanden ist.
  • Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es ist auch möglich, einen beliebigen kumulativen Stromwert zwischen dem ersten kumulativen Wert q1 und dem zweiten kumulativen Wert q2 als vorgegebenen kumulativen Wert qthr einzustellen und die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad an dem Zeitpunkt durchzuführen, wenn der übermäßig trockene Zustand bis zu einem gewissen Grad beseitigt wurde. Es ist zu beachten, dass in dem Fall einer Einheitszelle mit einer Elektrodenfläche von 200 cm2 bis 400 cm2 der erste kumulative Wert q1 etwa 100 C und der zweite kumulative Wert q2 etwa 400 C betrug.
  • Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform der vorgegebene kumulative Wert qthr auf den zweiten kumulativen Wert q2 fest eingestellt, aber er kann auch zu einem variablen Wert gemacht werden. Zum Beispiel wenn die FC-Temperatur Tfc zur Zeit eines Systemstarts relativ hoch ist, kann die FC-Temperatur Tfc frühzeitig auf eine Temperatur steigen, bei der der Zellwiderstand von einer Einheitszelle in einem übermäßig trockenen Zustand in einen zulässigen Bereich übergeht (zum Beispiel eine Temperatur von mindestens größer gleich 0 °C), bevor der kumulative Stromwert „q“ den vorgegebenen kumulativen Wert qthr erreicht. Selbst falls die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu dem Zeitpunkt durchgeführt wird, zu dem die FC-Temperatur Tfc eine Temperatur erreicht, bei der der Zellwiderstand einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand in einen zulässigen Bereich übergeht, ist es in einem solchen Fall möglich, zu verhindern, dass die Zellspannung der Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand eine negative Spannung annimmt. Daher ist es auch möglich, den vorgegebenen kumulativen Wert qthr zu einem variablen Wert zu machen, der der FC-Temperatur Tfc zur Zeit des Systemstarts entspricht, sodass der vorgegebene kumulative Wert qthr kleiner wird, wenn die FC-Temperatur Tfc zur Zeit des Systemstarts hoch ist, als wenn sie niedrig ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der oben erläuterten vorliegenden Ausführungsform ist mit einem Brennstoffzellenstapel 10 (Brennstoffzelle) ausgebildet, die elektrische Leistung durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsmittelgas erzeugt, und mit einer elektronischen Steuereinheit 200 (Steuervorrichtung). Die elektronische Steuereinheit 200 ist mit einem Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ausgebildet, der die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einem höheren Leistungserzeugungsverlust als bei einer normalen Leistungserzeugung durchführt.
  • Ferner ist der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad derart eingerichtet, dass, wenn die FC-Temperatur Tfc zur Startzeit einer Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 10 kleiner ist als die Standardtemperatur Tthr, er den Brennstoffzellenstapel 10 veranlasst, Leistung derart zu erzeugen, dass die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 10, die mit einem Leistungserzeugungsverlust einhergeht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 wird. Ferner ist der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad derart eingerichtet, dass, wenn der kumulative Stromwert „q“ in der Zeitspanne, während der der Brennstoffzellenstapel 10 veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 10, die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergeht, die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 wird, größer gleich einem vorgegebenen kumulative Wert qthr geworden ist, er den Brennstoffzellenstapel 10 veranlasst, Leistung derart zu erzeugen, dass die Wärmeerzeugungsmenge zu einer zweiten Wärmeerzeugungsmenge PL2 wird, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Standardtemperatur Tthr zur vorgegebenen Temperatur T1 gemacht. Die vorgegebene Temperatur T1 ist eine Temperatur, bei der die Erhöhung des Widerstandswerts einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand, in dem die Wassermenge der elektrolytischen Membran kleiner ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die FC-Temperatur Tfc kleiner wird als die vorgegeben Temperatur T1, als wenn die FC-Temperatur Tfc größer gleich der vorgegebenen Temperatur T1 wird. Ferner ist der vorgegebene kumulative Wert qthr ein Wert, bei dem die Menge an erzeugtem Wasser ab der Startzeit der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10, das zusammen mit einer Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 produziert wird, größer gleich einer vorgegebenen Menge wird.
  • Aufgrund dessen ist es möglich, wenn die FC-Temperatur Tfc kleiner ist als die vorgegebene Temperatur T1, bei der der Zellwiderstand einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand beginnt, bemerkbar zu steigen, die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, die die Wärmeerzeugungsmenge bei der ersten Wärmeerzeugungsmenge PL1 niedrig hält, bis die Menge an erzeugtem Wasser größer gleich einer vorgegebenen Menge wird und der übermäßig trockene Zustand dieser Einheitszelle beseitigt ist, selbst falls eine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand vorlag. Das heißt, selbst falls es eine Einheitszelle im übermäßig trockenen Zustand gab, ist es möglich, den FC-Strom Ifc während einer Leistungserzeugung niedrig zu halten, bis die Menge an erzeugtem Wasser größer gleich einer vorgegebenen Menge wird und der übermäßig trockene Zustand der Einheitszelle behoben ist. Aus diesem Grund ist es möglich, selbst wenn eine Einheitszelle im übermäßig trockenen Zustand vorlag, die Widerstandsüberspannung dieser Einheitszelle zu reduzieren. Daher ist es möglich, selbst falls eine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand vorlag, die Einheitszelle daran zu hindern, während eines schnellen Aufwärmvorgangs eine negative Spannung anzunehmen.
  • Ferner weist das Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf: Durchführen einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einem größeren Leistungserzeugungsverlust als bei einer normalen Leistungserzeugung; Veranlassen, dass die Brennstoffzelle Leistung erzeugt, sodass die Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle, die mit dem Leistungserzeugungsverlust einher geht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle zur Startzeit einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle kleiner ist als eine Standardtemperatur; und Veranlassen der Brennstoffzellzelle, Leistung derart zu erzeugen, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge, wenn ein kumulativer Stromwert einer Zeitspanne, während der die Brennstoffzelle veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge die erste Wärmeerzeugungsmenge wird, größer gleich einem vorgegebenen kumulativen Wert ist.
  • Zweite Ausführungsform
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Punkt, dass die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird, oder dass die Standardtemperatur Tfc zum Feststellen, ob die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, ohne die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, variabel gestaltet wird. Nachstehend wird die Erläuterung mit Schwerpunkt auf diesem Unterscheidungspunkt gegeben.
  • 13 ist eine zu 4 ähnliche Ansicht und ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Zelltemperatur einer Einheitszelle und dem Zellwiderstand dieser Einheitszelle gemäß einer Membranwassermenge dieser Einheitszelle zeigt.
  • In der oben erwähnten ersten Ausführungsform wurde die vorgegebene Temperatur T1, bei der der Zellwiderstand einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand beginnt, bemerkbar zu steigen, als Standardtemperatur Tfc eingestellt, ungeachtet davon, ob zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs wirklich eine Einheitszelle in dem übermäßigen trockenen Zustand vorhanden ist, basierend darauf, dass eine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand vorhanden sei.
  • Falls allerdings festgestellt werden kann, dass keine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs vorhanden ist, zum Beispiel wie in 13 gezeigt, ist es möglich, die Standardtemperatur Tfc auf eine vorgegebene Temperatur T2 zu senken, bei der der Zellwiderstand einer Einheitszelle in einem nassen Zustand, nicht dem übermäßig trockenen Zustand, anfängt, zu steigen. Falls es möglich ist, die Standardtemperatur Tfc zu senken, ist es möglich, die Chancen zu erhöhen, bei denen es möglich ist, die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchzuführen. Indem die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird, ist es möglich, die Zeit bis zum Abschluss eines Aufwärmens (Aufwärmzeit) im Vergleich zu wenn die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, und dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, zu verkürzen. Folglich ist es möglich, die Chancen zu erhöhen, bei denen es möglich ist, das Aufwärmen innerhalb einer kurzen Zeit abzuschließen.
  • Falls das flüssige Wasser, das während eines Systembetriebs produziert wird, im Ist-Zustand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 verbleibt, selbst nachdem das System angehalten wurde, wird das flüssige Wasser hier während der Zeitspanne, während der das System angehalten ist, gefrieren, und es besteht das Risiko, dass sich die Leistungserzeugungs-Performance zur Zeit eines Systemstarts verschlechtert. Aus diesem Grund, ist die elektronische Steuereinheit 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingerichtet, dem Brennstoffzellenstapel 10 entsprechend einem Bedarf nach dem Anhalten des Systems Anodengas oder Kathodengas zuzuführen und einen Spülprozess durchzuführen, um flüssiges Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 nach außen abzuführen.
  • Insbesondere ist die elektronische Steuereinheit 200 eingerichtet, einen Spülmodus des Brennstoffzellensystems 100 auf, zum Beispiel, einen ersten Spülmodus oder einen zweiten Spülmodus entsprechend dem Mittelwert der niedrigsten Temperatur im Verlauf der letzten paar Tage einzustellen, und, wenn der Spülmodus der erste Spülmodus ist, bei dem der Mittelwert der niedrigsten Temperaturen im Verlauf der letzten paar Tage höher ist als der Gefrierpunkt (normaler Spülmodus), das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 unter Ausnahme einer Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10 zu spülen, wenn die FC-Temperatur Tfc während der Zeitspanne, während der das System angehalten ist, kleiner gleich dem Gefrierpunkt wird. Ferner ist die elektronische Steuereinheit 200 derart eingerichtet, dass sie in einem zweiten Spülmodus, der dann eingestellt wird, wenn der Mittelwert der niedrigsten Temperaturen im Verlauf der letzten paar Tage kleiner gleich dem Gefrierpunkt ist (Winterspülmodus), immer das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 zu der Zeit, zu der das System angehalten wird, in dem Zustand spült, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 veranlasst wird, Leistung zu erzeugen.
  • Es ist zu beachten, dass die Bedingung zum Umschalten des zweiten Spülmodus nicht auf die obige Bedingung beschränkt ist, sodass es zum Beispiel möglich ist, in den zweiten Spülmodus zu schalten, wenn während eines Systembetriebs die Außentemperatur für eine gewisse Zeitspanne kleiner gleich dem Gefrierpunkt wird, oder in den zweiten Spülmodus zu schalten, wenn das System abschaltet, falls die Außentemperatur kleiner gleich dem Gefrierpunkt wird.
  • Die Spülverarbeitung, die durchgeführt wird, wenn der Spülmodus der erste Spülmodus ist, spült das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 für exakt eine vorgegebene Zeit, die im Voraus eingestellt wird, ohne Leistungserzeugung durchzuführen, sodass manchmal eine Einheitszelle einen übermäßig trockenen Zustand entsprechend der Menge an Membranwasser der Einheitszellen zu der Zeit annimmt, zu der das System angehalten wird. Die Spülverarbeitung dagegen, die durchgeführt wird, wenn der Spülmodus der zweite Spülmodus ist, spült das Innere des Brennstoffzellenstapels 10, sodass die Mengen an Membranwasser der Einheitszellen zu der Zeit, zu der das System angehalten wird, kleiner gleich einer vorgegebenen Menge werden, während eine Leistungserzeugung durchgeführt wird, sodass im Grunde keine Möglichkeit besteht, dass eine Einheitszelle einen übermäßig trockenen Zustand annimmt.
  • Daher besteht bei der vorliegenden Ausführungsform die Möglichkeit, wenn der Spülmodus auf den ersten Spülmodus eingestellt ist und das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 während der Zeitspanne gespült wird, zu der das System angehalten wird, dass sich eine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand befindet; daher wurde auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform entschieden, die Standardtemperatur Tthr auf die vorgegebene Temperatur T1 einzustellen.
  • Wenn der Spülmodus auf den zweiten Spülmodus eingestellt ist, wird ferner die Membranwassermenge verwaltet, während das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 immer gespült wird, wenn das System angehalten wird. Aufgrund dessen besteht, wie oben erläutert, keine Möglichkeit, dass eine Einheitszelle einen übermäßig trockenen Zustand annimmt, sodass entschieden wurde, die Standardtemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur T2 einzustellen, die niedriger ist als die vorgegebene Temperatur T1.
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung für schnelles Aufwärmen gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die elektronische Steuereinheit 200 führt den vorliegenden Ablauf mit einer vorgegebenen Verarbeitungszeitspanne (zum Beispiel 10 ms) wiederholt durch. In 14 ist der Inhalt der Verarbeitung von Schritt S1 bis Schritt S9 der gleiche wie der Inhalt der Verarbeitung der oben erwähnten ersten Ausführungsform, sodass auf die Erläuterung hier verzichtet wird.
  • Bei Schritt S10 führt die elektronische Steuereinheit 200 eine Verarbeitung zum Wechseln der Standardtemperatur durch. Details der Verarbeitung zum Wechseln der Standardtemperatur werden unter Bezugnahme auf 15 erläutert.
  • 15 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung zum Wechseln der Standardtemperatur erläutert.
  • Bei Schritt S101 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob der Spülmodus der erste Spülmodus oder der zweite Spülmodus ist. Die elektronische Steuereinheit 200 schreitet zu der Verarbeitung aus Schritt S102 fort, falls der Spülmodus der erste Spülmodus ist. Falls der Spülmodus dagegen der zweite Spülmodus ist, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu Schritt S104 fort.
  • Bei Schritt S102 stellt die elektronische Steuereinheit 200 fest, ob das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 während der Zeitspanne gespült wurde, während der das System angehalten war. Falls das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 während der Zeitspanne gespült wurde, während der das System angehalten war, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung aus Schritt S103 fort. Falls das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 dagegen nicht während der Zeitspanne gespült wurde, während der das System angehalten war, schreitet die elektronische Steuereinheit 200 zu der Verarbeitung aus Schritt S104 fort.
  • Bei Schritt S 103 stellt die elektronische Steuereinheit 200 die Standardtemperatur Tthr auf eine vorgegebene Temperatur T1 ein. Die vorgegebene Temperatur T1 ist eine Temperatur von zum Beispiel -10 °C.
  • Bei Schritt S 104 stellt die elektronische Steuereinheit 200 die Standardtemperatur Tthr auf eine vorgegebene Temperatur T2 ein, die niedriger ist als die vorgegebene Temperatur T1. Die vorgegebene Temperatur T2 ist eine Temperatur von zum Beispiel - 20 °C.
  • Gemäß der oben erläuterten vorliegenden Ausführungsform ist die elektronische Steuereinheit 200 zusätzlich zu dem oben erwähnten Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einem Spülmodusumschaltabschnitt ausgebildet, der den Spülmodus des Brennstoffzellenstapels 10 auf den ersten Spülmodus oder den zweiten Spülmodus umschaltet. Der erste Spülmodus ist ein Spülmodus, der das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 genauso lange spült, ohne es dem Brennstoffzellenstapel 10 zu erlauben, Leistung zu erzeugen, wie die Zeitspanne, während der das Brennstoffzellensystem 100 angehalten ist, wenn die FC-Temperatur Tfc kleiner gleich dem Gefrierpunkt geworden ist. Der zweite Spülmodus ist ein Spülmodus, bei dem das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Zustand gespült wird, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, wenn das Brennstoffzellensystem 100 angehalten wird.
  • Ferner ist der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingerichtet, die Standardtemperatur Tthr im Vergleich zu wenn das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 in dem Fall des ersten Spülmodus gespült wird, zu senken, wenn der Spülmodus des Brennstoffzellenstapels 10 der zweite Spülmodus ist.
  • Der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ist insbesondere eingerichtet, die Standardtemperatur Tthr auf eine vorgegebene erste Temperatur T1 einzustellen, falls der Spülmodus der erste Spülmodus ist, wenn das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 gespült wurde, und die Standardtemperatur Tthr auf eine vorgegebene zweite Temperatur T2 einzustellen, die niedriger ist als die erste Temperatur T1, falls der Spülmodus der zweite Spülmodus ist.
  • Die erste Temperatur T1 ist eine Temperatur, bei der die Erhöhung des Widerstandswerts einer Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand, in dem die Wassermenge der elektrolytischen Membran kleiner ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die FC-Temperatur Tfc kleiner wird als die erste Temperatur T1, als wenn die FC-Temperatur Tfc größer gleich der ersten Temperatur T1 wird. Die zweite Temperatur T2 ist eine Temperatur, bei der die Erhöhung des Widerstandswerts einer Einheitszelle in einem nassen Zustand, in dem die Wassermenge der elektrolytischen Membran größer ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die FC-Temperatur Tfc kleiner wird als die zweite Temperatur T2, als wenn die FC-Temperatur Tfc größer gleich der zweiten Temperatur T2 wird.
  • Auf diese Art und Weise kann bei der vorliegenden Ausführungsform, falls zur Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs festgestellt wird, dass sich keine Einheitszelle in dem übermäßig trockenen Zustand befindet, die Standardtemperatur Tthr gesenkt werden, sodass es möglich ist, die Chancen zu erhöhen, bei denen es möglich ist, die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchzuführen. Indem die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ab der Startzeit eines schnellen Aufwärmvorgangs durchgeführt wird, ist es möglich, die Zeit bis zum Abschluss eines Aufwärmens (Aufwärmzeit) im Vergleich zu wenn die erste Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, und dann die zweite Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, zu verkürzen. Folglich ist es möglich, die Chancen zu erhöhen, bei denen es möglich ist, das Aufwärmen innerhalb einer kurzen Zeit abzuschließen.
  • Oben wurden Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung erläutert, aber die obigen Ausführungsformen zeigen lediglich einen Teil der Anwendungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und sollen nicht den technischen Umfang der vorliegenden Anmeldung auf die spezifische Beschaffenheit der obigen Ausführungsformen beschränken.
  • Zum Beispiel wurde in den obigen Ausführungsformen die Erläuterung unter Bezugnahme auf das Beispiel für den Fall gegeben, im dem das Brennstoffzellensystem 100 in einem Fahrzeug montiert ist, aber das System kann auch in beweglichen Körpern verschiedener Art montiert sein, die nicht auf Fahrzeuge beschränkt ist. Ferner kann es auch ein stationäres System sein.
  • 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 2016 [0002]
    • JP 096041 A [0002]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die eingerichtet ist, elektrische Leistung durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases mit einem Oxidationsmittelgas zu erzeugen; und eine Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung ferner einen Abschnitt für eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad aufweist, der eingerichtet ist, eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einem größeren Leistungserzeugungsverlust durchzuführen als bei einer normalen Leistungserzeugung, und wobei der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad derart eingerichtet ist, dass, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle zur Startzeit einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle kleiner ist als eine Standardtemperatur, er die Brennstoffzelle veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle, die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergeht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, und, wenn ein kumulativer Stromwert einer Zeitspanne, während der die Brennstoffzelle veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge die erste Wärmeerzeugungsmenge wird, größer gleich einem vorgegebenen kumulativen Wert ist, er die Brennstoffzelle veranlasst, Leistung zu erzeugen, sodass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die größer ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Standardtemperatur eine Temperatur ist, bei der ein Anstieg eines Widerstandswerts der Brennstoffzelle in einem übermäßig trockenen Zustand, in dem eine Wassermenge einer elektrolytischen Membran kleiner ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger wird als die Standardtemperatur, als wenn die Temperatur der Brennstoffzelle größer gleich der Standardtemperatur ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung ferner einen Spülmodusumschaltabschnitt aufweist, der eingerichtet ist, einen Spülmodus der Brennstoffzelle auf einen ersten Spülmodus oder einen zweiten Spülmodus einzustellen, wobei der erste Spülmodus ein Spülmodus ist, bei dem das Innere der Brennstoffzelle gespült wird, ohne die Brennstoffzelle zu veranlassen, Leistung zu erzeugen, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich einem Gefrierpunkt während der Zeitspanne wird, in der das Brennstoffzellensystem angehalten ist, der zweite Spülmodus ein Spülmodus ist, bei dem das Innere der Brennstoffzelle in dem Zustand gespült wird, in dem die Brennstoffzelle veranlasst wird, Leistung zu erzeugen, wenn das Brennstoffzellensystem angehalten ist, und der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad derart eingerichtet ist, dass er die Standardtemperatur im Vergleich zu wenn das Innere der Brennstoffzelle in dem Fall des ersten Spülmodus gespült wird, senkt, wenn der Spülmodus der Brennstoffzelle der zweite Spülmodus ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Abschnitt für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad eingerichtet ist: die Standardtemperatur in dem Fall, in dem der Spülmodus der erste Spülmodus ist, auf eine vorgegebene erste Temperatur einzustellen, wenn das Innere der Brennstoffzelle gespült wird; und die Standardtemperatur auf eine vorgegebene zweite Temperatur einzustellen, die niedriger ist als die erste Temperatur, wenn der Spülmodus der zweite Spülmodus ist, und wobei die erste Temperatur eine Temperatur ist, bei der ein Anstieg eines Widerstandswerts der Brennstoffzelle in einem übermäßig trockenen Zustand, in dem eine Wassermenge einer elektrolytischen Membran kleiner ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger wird als die erste Temperatur, als wenn die Temperatur der Brennstoffzelle größer gleich der ersten Temperatur ist; und die zweite Temperatur eine Temperatur ist, bei der ein Anstieg eines Widerstandswerts der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand, in dem eine Wassermenge einer elektrolytischen Membran größer ist als eine vorgegebene Menge, stärker bemerkbar wird, falls die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger wird als die zweite Temperatur, als wenn die Temperatur der Brennstoffzelle größer gleich der zweiten Temperatur ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der vorgegebene kumulative Wert ein Wert ist, bei dem eine Menge an erzeugtem Wasser ab Starten einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle, die zusammen mit einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle produziert wird, größer gleich einer vorgegebenen Menge wird.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der vorgegebene kumulative Wert ein beliebiger Wert ist, der aus einem Bereich zwischen 100C und 400C ausgewählt wird.
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