DE102021113079A1

DE102021113079A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021113079A1
Application number: DE102021113079.4A
Authority: DE
Inventors: Junichi Matsuo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2021-11-25
Also published as: CN113707917A; US11697356B2; JP2021184363A; US20210362620A1; JP7367612B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, wobei das System umfasst: eine Brennstoffzelle, eine Sekundärzelle, eine Temperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Temperatur der Brennstoffzelle, eine Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Ladungszustandswerts der Sekundärzelle, eine Außentemperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Außentemperatur, eine Außendruckbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Außendrucks und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Leistung der Sekundärzelle, wobei, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Temperatur überschreitet, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr ist, wenn die Außentemperatur eine vorbestimmte Temperatur oder mehr ist und wenn der Außendruck ein vorbestimmter Druck oder weniger ist, die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf einen größeren Wert als eine Leistung vergrößert, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle (FC) ist eine Leistungserzeugungsvorrichtung, die eine elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (H₂), der als ein Brennstoffgas dient, und Sauerstoff (O₂), der als ein Oxidansgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (nachstehend kann dieser vereinfacht als „Stapel“ bezeichnet werden) erzeugt, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (diese können nachstehend als Zellen bezeichnet werden) zusammengesetzt ist. Nachstehend können Brennstoffgas und Oxidansgas zusammengefasst und vereinfacht als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
Im Allgemeinen sind die Einheitsbrennstoffzellen aus einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und, soweit erforderlich, zwei Separatoren beziehungsweise Trenneinrichtungen zusammengesetzt, die die Membranelektrodenbaugruppe einpferchen.
Die Membranelektrodenbaugruppe weist eine derartige Struktur auf, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Festkörperpolymerelektrolytmembran ausgebildet sind, die eine Protonen-(H⁺-)Leitfähigkeit aufweist (nachstehend kann diese vereinfacht als „Elektrolytmembran“ bezeichnet werden. Dementsprechend kann die Membranelektrodenbaugruppe als „Membranelektrodengasdiffusionsschichtbaugruppe“ (MEGA) bezeichnet werden.
Im Allgemeinen weisen die Separatoren eine derartige Struktur auf, dass eine Nut als ein Reaktionsgasströmungspfad auf einer Oberfläche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist. Die Separatoren fungieren als ein Kollektor beziehungsweise eine Sammeleinrichtung von erzeugter Elektrizität.
In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff, der von dem Gasströmungspfad und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, wobei der protonierte Wasserstoff zu der Oxidanselektrode (Kathode) durch die Elektrolytmembran geht. Ein Elektron wird zur gleichen Zeit erzeugt, wobei es durch eine externe Schaltung hindurchgeht, eine Arbeit verrichtet und dann zu der Kathode geht. Der Sauerstoff, der der Kathode zugeführt wird, reagiert mit dem Proton und dem Elektron auf der Kathode, wodurch Wasser erzeugt wird.
Das erzeugte Wasser versieht die Elektrolytmembran mit einer geeigneten Feuchtigkeit. Überflüssiges Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht und wird dann zu der Außenseite des Systems ausgestoßen.
Es sind beträchtliche Untersuchungen bei einem Brennstoffzellensystem durchgeführt worden, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug (das nachstehend vereinfacht als „Fahrzeug“ bezeichnet werden kann) eingebaut und verwendet wird.
Beispielsweise offenbart die Patentdruckschrift 1 ein derartiges Brennstoffzellenfahrzeug, dass die Sekundärzelle geladen wird, wenn vorausgesagt wird, dass das Brennstoffzellenfahrzeug nicht auf einer Bergaufstraße fährt, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Leistung, die zu dem Antriebsmotor zugeführt wird, wenn das Fahrzeug auf einer Bergaufstraße fährt, von der Sekundärbatterie zugeführt wird, wodurch begrenzt wird, dass die Brennstoffzelle in einen Hochtemperaturzustand eintritt.
Die Patentdruckschrift 2 offenbart ein derartiges Brennstoffzellenfahrzeug, dass, nachdem erfasst worden ist, dass die Brennstoffzelle in einem Hochtemperaturzustand ist, die Spannung der Brennstoffzelle zeitweilig gesenkt wird, wobei die Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, vergrößert wird, wodurch der Inhalt der Zeitweilige-Spannungssenkung-Verarbeitung in Abhängigkeit von dem Sekundärzellenladezustand und dem Brennstoffzellenbetriebszustand geändert wird.

Patentdruckschrift 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift (JP-A) Nr. 2018-137855
Patentdruckschrift 2: JP-A Nr. 2013-101844

Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle zu hoch ist, wird die Brennstoffzelle übertrocknet. Aufgrund der Übertrocknung nimmt der Widerstand der Brennstoffzelle zu, wobei der Leistungserzeugungswirkungsgrad abnimmt. Zusammen mit der Zunahme des Widerstands der Brennstoffzelle nimmt der Wärmebetrag bzw. die Wärmemenge, der/die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, zu. Als Ergebnis gibt es ein Problem dahingehend, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle abnimmt.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Die offenbarten Ausführungsbeispiele sind im Lichte der vorstehend beschriebenen Umstände erreicht worden. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsbeispiele ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem die Haltbarkeit der Brennstoffzelle bei einer hohen Temperatur hoch ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, wobei das System umfasst:

eine Brennstoffzelle,
eine Sekundärzelle,
eine Temperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Temperatur der Brennstoffzelle,
eine Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Ladungszustandswerts der Sekundärzelle,
eine Außentemperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Außentemperatur,
eine Außendruckbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Außendrucks und
eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Leistung der Sekundärzelle,
wobei, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Temperatur überschreitet, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr ist, wenn die Außentemperatur eine vorbestimmte Temperatur oder mehr ist und wenn der Außendruck ein vorbestimmter Druck oder weniger ist, die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf einen größeren Wert als eine Leistung vergrößert, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist.

Die Steuerungseinrichtung kann die Leistung der Sekundärzelle derart bestimmen, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur erreicht.
Die vorbestimmte Temperatur der Brennstoffzelle kann eine Temperatur sein, bei der ein Leistungserzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle maximal ist.
Entsprechend dem Brennstoffzellensystem wird die Haltbarkeit der Brennstoffzelle bei einer hohen Temperatur vergrößert.
Figurenliste
In der beigefügten Zeichnung zeigen:

1 das Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsbeispielen;
2 eine Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug erforderlich ist, der Leistung der Sekundärzelle und der FC-Temperatur (Wassertemperatur: Kühlwassertemperatur) zeigt; und
3 eine Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug erforderlich ist, der Leistung, die von der FC erforderlich ist, und der FC-Temperatur (Wassertemperatur: Kühlwassertemperatur) zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsbeispiele ist ein Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, wobei das System umfasst:

Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle durch eine unzureichende Kühlleistungsfähigkeit usw. vergrößert wird, wird die Brennstoffzelle übertrocknet. Aufgrund der Übertrocknung nimmt der Widerstand der Brennstoffzelle zu, wobei der Leistungserzeugungswirkungsgrad abnimmt. Zusammen mit der Zunahme des Widerstands der Brennstoffzelle nimmt der Wärmebetrag, der durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, zu. Als Ergebnis nimmt die Haltbarkeit der Brennstoffzelle ab.
Die Zunahme in der FC-Temperatur kann auftreten, wenn beispielsweise eine große Leistungserzeugung durch das Fahrzeug erforderlich ist und eine Region mit einem großen Verlust der FC-Leistungserzeugung kontinuierlich verwendet wird (beispielsweise wenn das Fahrzeug bergauf fährt).
Ebenso tritt eine Zunahme in der FC-Temperatur in den nachstehend genannten Fällen beispielsweise auf: wenn aufgrund einer hohen Außentemperatur es eine kleine Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur und der Kühlwassertemperatur der FC gibt, wobei die Wärmeableitungsfähigkeit des Kühlwassers in dem Kühler eines Kühlsystems abnimmt, und wenn aufgrund eines niedrigen Außendrucks ein Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen dem Oxidansgas (beispielsweise von Luft) und dem Kühlwasser in dem zwischen Kühler abnimmt.
In den offenbarten Ausführungsbeispielen wird, wenn die FC bei einer hohen Temperatur ist, die Leistung, die von der Sekundärzelle zugeführt wird, zeitweilig vergrößert, um die Leistungserzeugungslast der FC zu verkleinern, wodurch die Haltbarkeit der FC vergrößert wird.
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsbeispiele umfasst zumindest die Brennstoffzelle, die Sekundärzelle, die Temperaturerfassungseinrichtung zur Beschaffung der Temperatur der Brennstoffzelle, die Ladungszustands-(SOC-)Wertbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung des Ladungszustandswerts der Sekundärzelle, die Außentemperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung der Außentemperatur, die Außendruckbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung des Außendrucks und die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Leistung der Sekundärzelle.
Im Allgemeinen ist das Brennstoffzellensystem gemäß den offenbarten Ausführungsbeispielen in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut und verwendet, das einen Motor als eine Antriebsquelle verwendet.
Ebenso kann das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsbeispiele in einem Fahrzeug eingebaut und verwendet werden, das, auch wenn die Brennstoffzelle keine Leistung bei dem Starten des Fahrzeugs erzeugen kann, durch die Leistung der Sekundärzelle läuft.
Der Motor ist nicht spezifisch begrenzt. Er kann ein allgemein bekannter Antriebsmotor sein.
Die Brennstoffzelle kann ein Brennstoffzellenstapel sein, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen zusammengesetzt ist.
Die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen ist nicht spezifisch begrenzt. Beispielsweise können zwei bis mehrere hundert Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden, oder es können 2 bis 200 Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte bei beiden Stapelrichtungsenden jeder Einheitsbrennstoffzelle umfassen.
Jede Einheitsbrennstoffzelle umfasst zumindest eine Membranelektrodenbaugruppe, die eine Oxidanselektrode, eine Elektrolytmembran und eine Brennstoffelektrode umfasst. Wenn es erforderlich ist, kann sie zwei Separatoren beziehungsweise Trenneinrichtungen umfassen, die die Membranelektrodenbaugruppe einpferchen.
Die Separatoren können einen Reaktionsgasströmungspfad auf einer Oberfläche in Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht aufweisen. Ebenso können die Separatoren auf einer zu der Oberfläche, die in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ist, entgegengesetzten Oberfläche einen Kühlmittelströmungspfad für ein Halten der Brennstoffzellentemperatur bei einem konstanten Pegel aufweisen.
Die Separatoren können Zufuhr- und Ausstoßlöcher zur Zufuhr des Reaktionsgases und des Kühlmittels in der Einheitszellenstapelrichtung aufweisen.
Als das Zufuhrloch umfassen Beispiele ein Brennstoffgaszufuhrloch, ein Oxidansgaszufuhrloch und ein Kühlmittelzufuhrloch, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein.
Als das Ausstoßloch umfassen Beispiele ein Brennstoffgasausstoßloch, ein Oxidansgasausstoßloch, und ein Kühlmittelausstoßloch, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein.
Die Separatoren können ein für Gas undurchdringliches, elektrisch leitfähiges Element usw. sein. Als das elektrisch leitfähige Element umfassen Beispiele für Gas undurchdringlichen, dichten Kohlenstoff, der durch eine Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte (wie beispielsweise eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte), die durch ein Pressformen erhalten wird, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein. Die Separatoren können eine Stromsammelfunktion aufweisen.
Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler aufweisen, wie beispielsweise einen Einlassverteiler, der eine Verbindung zwischen den Zufuhrlöchern herstellt, und einen Auslassverteiler, der eine Verbindung zwischen den Ausstoßlöchern herstellt.
Als den Einlassverteiler umfassen Beispiele einen Anodeneinlassverteiler, einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kühlmitteleinlassverteiler, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein.
Als den Auslassverteiler umfassen Beispiele einen Anodenauslassverteiler, einen Kathodenauslassverteiler und einen Kühlmittelauslassverteiler, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein.
Die Oxidanselektrode umfasst eine Oxidanselektrodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Brennstoffelektrode umfasst eine Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Oxidanselektrodenkatalysatorschicht und die Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht können beispielsweise ein Katalysatormetall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, ein protonenleitendes Elektrolyt oder elektronenleitende Kohlenstoffpartikel beinhalten.
Als das Katalysatormetall kann beispielsweise Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (wie beispielsweise eine Pt-Legierung, die mit Kobalt, Nickel oder dergleichen gemischt ist) verwendet werden.
Das Elektrolyt kann ein Fluorharz oder dergleichen sein. Als das Fluorharz kann beispielsweise eine Nafion-Lösung verwendet werden.
Das Katalysatormetall wird auf Kohlenstoffpartikeln gehalten. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, die das Katalysatormetall halten (das heißt Katalysatorpartikel), und das Elektrolyt gemischt sein.
Als die Kohlenstoffpartikel zum Halten des Katalysatormetalls (das heißt haltende Kohlenstoffpartikel) können beispielsweise wasserabweisende Kohlenstoffpartikel, die erhalten werden, indem die wasserabweisende Eigenschaft von herkömmlich verfügbaren Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoffpulver) durch Erwärmen verstärkt wird, verwendet werden.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitfähiges Element oder dergleichen sein.
Als das elektrisch leitfähige Element umfassen Beispiele ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier, sowie ein poröses Metallmaterial, wie beispielsweise ein Metallnetz und ein geschäumtes Metall, ohne jedoch darauf gegrenzt zu sein.
Die Elektrolytmembran kann eine Festkörperpolymerelektrolytmembran sein. Als die Festkörperpolymerelektrolytmembran umfassen Beispiele eine Kohlenwasserstoffelektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Feuchtigkeit beinhaltende dünne Perfluorosulfonsäuremembran, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein. Die Elektrolytmembran kann beispielsweise eine Nafion-Membran (von DuPont hergestellt) sein.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Reaktionsgaszufuhreinrichtung zum Zuführen von Reaktionsgas zu den Elektroden der Brennstoffzelle umfassen.
Die Reaktionsgaszufuhreinrichtung führt dem Brennstoffzellenstapel Reaktionsgas zu.
Das Reaktionsgas umfasst Brennstoffgas und Oxidansgas.
Als die Reaktionsgaszufuhreinrichtung umfassen Beispiele eine Brennstoffgaszufuhreinrichtung und eine Oxidansgaszufuhreinrichtung, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein. Das Brennstoffzellensystem kann irgendeine der Zufuhreinrichtungen umfassen, oder es kann beide hiervon umfassen.
Das Brennstoffzellensystem kann die Brennstoffgaszufuhreinrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas zu der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle umfassen.
Das Brennstoffgas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff beinhaltet. Beispielsweise kann es Wasserstoffgas sein.
Als die Brennstoffgaszufuhreinrichtung umfassen Beispiele einen Brennstofftank, wie beispielsweise einen Flüssigwasserstofftank und einen Komprimierter-Wasserstoff-Tank, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffgaszufuhrströmungspfad umfassen.
Der Brennstoffgaszufuhrströmungspfad verbindet die Brennstoffzelle mit der Brennstoffgaszufuhreinrichtung und ermöglicht die Zufuhr von Brennstoffgas von der Brennstoffgaszufuhreinrichtung zu der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Zirkulationsströmungspfad umfassen.
Der Zirkulationsströmungspfad ermöglicht es, dass Brennstoffabgas, das von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, zurückgewonnen wird und als Zirkulationsgas zu der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zurückgeführt wird.
Das Brennstoffabgas beinhaltet beispielsweise das nachstehend beschriebene: ein Brennstoffgas, das durch die Brennstoffelektrode hindurchgegangen ist, während es reaktionslos bleibt, Feuchtigkeit, die Wasser ist, das bei der Oxidanselektrode erzeugt wird und zu der Brennstoffelektrode zugeführt wird, und Oxidansgas, das der Brennstoffelektrode während eines Spülens zugeführt werden kann.
Wenn es erforderlich ist, kann der Zirkulationsströmungspfad des Brennstoffzellensystems mit einer Ausstoßeinrichtung, einer Zirkulationspumpe zur Steuerung der Strömungsrate des Zirkulationsgases (beispielsweise einer Wasserstoffpumpe) usw. versehen sein.
Die Zirkulationspumpe kann elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein, wobei die Strömungsrate des Zirkulationsgases gesteuert werden kann, indem das Einschalten/Ausschalten, eine Drehfrequenz usw. der Zirkulationspumpe durch die Steuerungseinrichtung gesteuert werden.
Die Ausstoßeinrichtung ist beispielsweise bei der Verzweigungsstelle des Brennstoffgaszufuhrströmungspfades und des Zirkulationsströmungspfades angeordnet. Sie führt ein Mischgas, das das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas beinhaltet, der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zu. Als die Ausstoßeinrichtung kann eine herkömmlich bekannte Ausstoßeinrichtung verwendet werden.
Der Zirkulationsströmungspfad kann mit einer Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung zur Verringerung der Feuchtigkeit in dem Brennstoffabgas versehen sein. Ebenso kann der Zirkulationsströmungspfad mit einem Wasserausstoßströmungspfad versehen sein, der von dem Zirkulationsströmungspfad durch die Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung abzweigt. Der Wasserausstoßströmungspfad kann mit einem Wasserausstoßventil versehen sein.
Die Feuchtigkeit, die von dem Brennstoffabgas in der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung getrennt wird, kann ausgestoßen werden, indem das Wasserausstoßventil des Wasserausstoßströmungspfades, der von dem Zirkulationsströmungspfad abzweigt, geöffnet wird.
Das Wasserausstoßventil kann elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein, wobei die Menge des ausgestoßenen flüssigen Wassers gesteuert werden kann, indem das Öffnen und Schließen des Wasserausstoßventils durch die Steuerungseinrichtung gesteuert werden.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffabgasausstoßeinrichtung umfassen.
Die Brennstoffabgasausstoßeinrichtung ermöglicht das Ausstoßen des Brennstoffabgases zu der Außenseite (der Außenseite des Systems). Die Außenseite kann die Außenseite des Brennstoffzellensystems sein, oder sie kann die Außenseite des Fahrzeugs sein.
Die Brennstoffabgasausstoßeinrichtung kann ein Brennstoffabgasausstoßventil umfassen. Wenn es erforderlich ist, kann sie ferner einen Brennstoffabgasausstoßströmungspfad umfassen.
Das Brennstoffabgasausstoßventil kann elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein, wobei die Brennstoffabgasausstoßströmungsmenge gesteuert werden kann, indem das Öffnen und Schließen des Brennstoffabgasausstoßventils durch die Steuerungseinrichtung gesteuert werden.
Der Brennstoffabgasausstoßströmungspfad kann beispielsweise von dem Zirkulationsströmungspfad abzweigen. Er ermöglicht das Ausstoßen des Brennstoffabgases zu der Außenseite, wenn die Konzentration von Wasserstoff in dem Brennstoffabgas zu niedrig ist.
Das Brennstoffzellensystem kann die Oxidansgaszufuhreinrichtung, einen Oxidansgaszufuhrströmungspfad und einen Oxidansgasausstoßströmungspfad umfassen.
Die Oxidansgaszufuhreinrichtung führt Oxidansgas zu zumindest der Oxidanselektrode der Brennstoffzelle zu.
Als die Oxidansgaszufuhreinrichtung kann beispielsweise ein Luftkompresser beziehungsweise Luftverdichter verwendet werden. Der Luftverdichter wird durch ein Steuerungssignal von der Steuerungseinrichtung angetrieben und bringt das Oxidansgas in die Kathodenseite (wie beispielsweise die Oxidanselektrode und den Kathodeneinlassverteiler) der Brennstoffzelle ein.
Der Oxidansgaszufuhrströmungspfad verbindet die Oxidansgaszufuhreinrichtung mit der Brennstoffzelle und ermöglicht die Zufuhr von Oxidansgas von der Oxidansgaszufuhreinrichtung zu der Oxidanselektrode der Brennstoffzelle.
Das Oxidansgas ist ein sauerstoffbeinhaltendes Gas. Es kann Luft, trockene Luft, reiner Sauerstoff oder dergleichen sein.
Der Oxidansgasausstoßströmungspfad ermöglicht das Ausstoßen des Oxidansgases von der Oxidanselektrode der Brennstoffzelle.
Der Oxidansgasausstoßströmungspfad kann mit einem Oxidansgasdrucksteuerungsventil versehen sein.
Das Oxidansgasdrucksteuerungsventil ist elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden. Indem das Oxidansgasdrucksteuerungsventil durch die Steuerungseinrichtung geöffnet wird, wird reagiertes Kathodenabgas aus dem Oxidansgasausstoßströmungspfad ausgestoßen. Indem der Öffnungsgrad des Oxidansgasdrucksteuerungsventils gesteuert wird, kann der Druck des Oxidansgases, das der Oxidanselektrode zugeführt wird, (Kathodendruck) gesteuert werden.
Der Oxidansgaszufuhrströmungspfad kann mit einem Zwischenkühler versehen sein. Der Zwischenkühler ist mit einem Kühlmittelzirkulationsströmungspfad verbunden, um Wärme mit dem Kühlmittel auszutauschen und das Oxidansgas, das von der Oxidansgaszufuhreinrichtung ausgestoßen wird, abzukühlen. Wenn es erforderlich ist, die Brennstoffzelle aufzuwärmen (eine Leistungserzeugungsvorbehandlung), wird das Oxidansgas durch die Oxidansgaszufuhreinrichtung komprimiert beziehungsweise verdichtet, um die zugehörige Temperatur zu vergrößern, wobei die Temperatur des Kühlmittels durch die Wärme des Oxidansgases vergrößert wird.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Umgehungsströmungspfad umfassen, der von dem Oxidansgaszufuhrströmungspfad bei der stromabwärtsliegenden Seite des Zwischenkühlers abzweigt, die Brennstoffzelle umgeht und dann mit dem Oxidansgasausstoßströmungspfad verbunden wird. Der Umgehungsströmungspfad ist mit einem Umgehungsventil beziehungsweise Bypass-Ventil zur Steuerung des Öffnungszustandes des Umgehungsströmungspfades versehen. Das Umgehungsventil ist elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden, wobei es durch die Steuerungseinrichtung geöffnet wird, wenn die Leistung der Sekundärzelle verbraucht wird, indem die Oxidansgaszufuhreinrichtung in dem Zustand angetrieben wird, bei dem beispielsweise die Ladekapazität der Sekundärzelle zu der Zeit einer regenerativen Leistungserzeugung durch den Antriebsmotor nicht ausreichend ist. Demensprechend wird das Oxidansgas in den Oxidansgasausstoßströmungspfad ausgestoßen und nicht der Brennstoffzelle zugeführt.
Der Brennstoffgaszufuhrströmungspfad und der Oxidansgaszufuhrströmungspfad können über einen Verbindungsströmungspfad verbunden sein. Der Verbindungsströmungspfad kann mit einem Spülventil versehen sein.
Das Spülventil kann elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein, wobei durch ein Öffnen des Spülventils durch die Steuerungseinrichtung das Oxidansgas in der Oxidansgaszufuhreinrichtung in den Brennstoffgaszufuhrströmungspfad als Spülungsgas strömen darf.
Das Spülungsgas wird für ein Spülen verwendet, wobei es ein Reaktionsgas sein kann. Das Reaktionsgas kann ein Brennstoffgas, ein Oxidansgas oder ein gemischtes Reaktionsgas, das diese beinhaltet, sein.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Kühlmittelzufuhreinrichtung und einen Kühlmittelzirkulationsströmungspfad als das Kühlsystem der Brennstoffzelle umfassen.
Der Kühlmittelzirkulationsströmungspfad ist zwischen dem Kühlmittelzufuhrloch und dem Kühlmittelausstoßloch in der Brennstoffzelle in Verbindung, lässt das Kühlmittel, das von der Kühlmittelzufuhreinrichtung zugeführt wird, in die und aus der Brennstoffzelle zirkulieren und ermöglicht das Kühlen der Brennstoffzelle.
Als die Kühlmittelzufuhreinrichtung umfassen Beispiele eine Kühlwasserpumpe, ohne jedoch hierauf begrenzt zu sein.
Der Kühlmittelzirkulationsströmungspfad kann mit einem Kühler zur Wärmeableitung von einem Kühlwasser versehen sein.
Als das Kühlwasser (Kühlmittel) kann beispielsweise eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um ein Einfrieren bei einer niedrigen Temperatur zu verhindern.
Das Brennstoffzellensystem kann die Sekundärzelle umfassen.
Die Sekundärzelle (Batterie) muss eine wiederaufladbare und entladbare Zelle sein. Beispielsweise kann die Sekundärzelle eine allgemein bekannte Sekundärzelle sein, wie beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärzelle und eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle. Die Sekundärzelle kann ein Leistungsspeicherelement umfassen, wie beispielsweise einen elektrischen Doppelschichtkondensator. Die Sekundärzelle kann eine Struktur aufweisen, sodass eine Vielzahl von Sekundärzellen in Reihe geschaltet sind. Die Sekundärzellen führen dem Motor, der Oxidansgaszufuhreinrichtung, wie beispielsweise dem Luftverdichter, usw. eine Leistung zu. Die Sekundärzelle kann durch eine Leistungsquelle außerhalb des Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Haushaltleistungsquelle, wiederaufladbar sein. Die Sekundärzelle kann durch die Ausgabeleistung der Brennstoffzelle aufgeladen werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ein Hilfsinstrument umfassen, das die Batterie als eine Leistungsquelle verwendet.
Als das Hilfsinstrument umfassen Beispiele ein Beleuchtungsinstrument für Fahrzeuge und ein Klimaanlageninstrument für Fahrzeuge, ohne jedoch hierauf begrenzt zu sein.
Ebenso kann eine Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung zur Erfassung des Ladungszustands-(SOC-)Werts der Sekundärzelle in dem Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsbeispiele eingebaut sein.
Die Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung beschafft den Ladungszustands-(SOC-)Wert der Sekundärzelle.
Die Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung kann mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann konfiguriert sein, den Ladungszustandswert der Sekundärzelle durch die Ausgabe der Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung zu erfassen.
Die Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung kann ein allgemein bekannter Ladungszustandssensor usw. sein.
Die Steuerungseinrichtung kann den Ladungszustandswert der Sekundärzelle verwalten und das Laden und Entladen der Sekundärzelle steuern.
Der Ladungszustands-(SOC-)Wert bedeutet den Prozentsatz der Ladekapazität in Bezug auf die vollständige Ladekapazität der Sekundärzelle. Die vollständige Ladekapazität ist ein SOC von 100%.
Die Temperaturbeschaffungseinrichtung beschafft die Temperatur der Brennstoffzelle.
Die Temperaturbeschaffungseinrichtung kann mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann konfiguriert sein, die Temperatur der Brennstoffzelle durch die Ausgabe der Temperaturbeschaffungseinrichtung zu erfassen.
Die Temperaturbeschaffungseinrichtung kann ein allgemein bekannter Temperatursensor usw. sein.
Die Temperatur der Brennstoffzelle kann die Temperatur des Kühlwassers sein, das verwendet wird, um die Brennstoffzelle abzukühlen.
Die Außentemperaturbeschaffungseinrichtung beschafft die Außentemperatur.
Die Außentemperaturbeschaffungseinrichtung kann mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann konfiguriert sein, die Außentemperatur durch die Ausgabe der Außentemperaturbeschaffungseinrichtung zu erfassen.
Die Außentemperaturbeschaffungseinrichtung kann ein allgemein bekannter Außentemperatursensor usw. sein.
Die Außendruckbeschaffungseinrichtung beschafft den Außendruck.
Die Außendruckbeschaffungseinrichtung kann mit der Steuerungseinrichtung verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann konfiguriert sein, den Außendruck durch die Ausgabe der Außendruckbeschaffungseinrichtung zu erfassen.
Die Außendruckbeschaffungseinrichtung kann ein allgemein bekannter Außendrucksensor usw. sein.
Die Steuerungseinrichtung steuert zumindest die Leistung der Sekundärzelle.
Die Steuerungseinrichtung kann mit der Gas-Flüssigkeit-Trenneinrichtung, dem Wasserausstoßventil, dem Kraftstoffabgasausstoßventil, dem Oxidansgasdrucksteuerungsventil, dem Spülventil, der Brennstoffgaszufuhreinrichtung, der Oxidansgaszufuhreinrichtung, dem Umgehungsventil, der Sekundärzelle, der Zirkulationspumpe, der Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung, der Temperaturbeschaffungseinrichtung, der Außentemperaturbeschaffungseinrichtung, der Außendruckbeschaffungseinrichtung usw. durch eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle verbunden sein. Ebenso kann die Steuerungseinrichtung elektrisch mit dem Zündschalter verbunden sein, der in dem Fahrzeug eingebaut sein kann.
Die Steuerungseinrichtung umfasst physikalisch eine Verarbeitungseinheit, wie beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Speichervorrichtung, wie beispielsweise einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), und die Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle. Das ROM wird verwendet, um ein Steuerungsprogramm, Steuerungsdaten usw., die durch die CPU verarbeitet werden, zu speichern, wobei das RAM hauptsächlich als verschiedene Arbeitsräume für Steuerungsvorgänge verwendet wird. Ebenso kann die Steuerungseinrichtung eine Steuerungsvorrichtung sein, wie beispielsweise eine Kraftmaschinensteuerungseinheit (ECU).
1 zeigt das Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsbeispiele. Die offenbarten Ausführungsbeispiele sind nicht auf dieses typische Beispiel begrenzt.
Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur überschreitet, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle der vorbestimmte Schwellenwert oder mehr ist, wenn die Außentemperatur die vorbestimmte Temperatur oder mehr ist und wenn der Außendruck der vorbestimmte Druck oder weniger ist, vergrößert die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf einen größeren Wert als die Leistung, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist (eine FC-Hochtemperaturbetriebsart).
Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur oder weniger ist, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, wenn die Außentemperatur kleiner als die vorbestimmte Temperatur ist oder wenn der Außendruck den vorbestimmten Druck überschreitet, stellt die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf die Leistung ein, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist (eine normale Betriebsart). Dann beendet die Steuerungseinrichtung die Steuerung.
In der FC-Hochtemperaturbetriebsart kann die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf einen größeren Wert als die Leistung einstellen, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist, sodass die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur erreicht. Dementsprechend wird die Leistung der Sekundärzelle derart bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle bei der konstanten Temperatur gehalten werden kann. Dementsprechend kann eine Leistung von der Brennstoffzelle auf effektive Weise erhalten werden.
Die vorbestimmte Temperatur der Brennstoffzelle kann die Temperatur sein, bei der der Leistungserzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle maximal ist.
Dementsprechend kann Leistung auf die effektivste Weise von der Brennstoffzelle erhalten werden.
Der vorbestimmte Schwellenwert des Ladungszustandswerts der Sekundärzelle ist nicht spezifisch begrenzt. Er kann in geeigneter Weise bestimmt werden, um keinen Lauffehler beziehungsweise Betriebsfehler des Fahrzeugs zu verursachen.
Auch wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur überschreitet, ist, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, die Leistung, die die Sekundärzelle ausgeben kann, nicht ausreichend. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, die FC-Hochtemperaturbetriebsart auszuführen.
In der FC-Hochtemperaturbetriebsart ist die Leistung der Sekundärzelle nicht spezifisch begrenzt, solange die Leistung der Sekundärzelle eingestellt ist, um größer als die Leistung zu sein, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist.
Wenn jedoch der derzeitige Ladungszustandswert der Sekundärzelle keiner als die Energie ist, die durch das Fahrzeug gefordert wird, können die Ober- und Untergrenzen des Ladungszustandswerts, der der Energie entspricht, die die Sekundärzelle ausgeben kann, im Voraus eingestellt werden, um den Ladungszustandswert der Sekundärzelle nicht zu erschöpfen und einen Betriebsfehler des Fahrzeugs zu verursachen.
Dann kann die Leistung, die von der FC angefordert wird, aus der Differenz zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug gefordert wird, und der Leistung, die die Sekundärzelle ausgeben kann, berechnet werden, wobei die Leistung durch die FC erzeugt werden kann.
2 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug gefordert wird, der Leistung der Sekundärzelle und der FC-Temperatur (Wassertemperatur: Kühlwassertemperatur) zeigt. Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Leistung, die von der Sekundärzelle gefordert wird, wenn die FC bei einer hohen Temperatur ist, wie nachstehend beschrieben bestimmt werden: beispielsweise wird das schlimmste Bergaufmuster, bei dem die FC-Temperatur zunimmt (wie beispielsweise eine Außentemperatur und Druckbedingungen), definiert, wobei die Leistung, die von der Sekundärzelle gefordert wird, wenn die FC bei einer hohen Temperatur ist, derart bestimmt wird, dass die Temperatur (wie beispielsweise eine Kühlwassertemperatur) der FC in dem schlimmsten Bergaufmuster die Temperatur aufrechterhalten kann, bei der der Leistungserzeugungswirkungsgrad der FC maximal ist (wie beispielsweise 80°C).
In den offenbarten Ausführungsbeispielen geben der Fall, wenn die Außentemperatur die vorbestimmte Temperatur oder mehr ist, und der Fall, wenn der Außendruck der vorbestimmte Druck oder weniger ist, eine Bedingung an, bei der die Kühlleistungsfähigkeit der FC abnimmt.
Wenn die Außentemperatur die vorbestimmte Temperatur oder mehr ist, ist die Differenz zwischen der Außentemperatur und der Kühlwassertemperatur der FC klein; die Wärmeableitungsfähigkeit des Kühlwassers in dem Kühler des Kühlsystems nimmt ab; dabei nimmt die FC-Temperatur zu.
Die vorbestimmte Temperatur der Außentemperatur ist nicht spezifisch begrenzt. Beispielsweise kann sie aus einer Datengruppe bestimmt werden, die die Beziehung zwischen der Außentemperatur, dem Außendruck und der Kühlwassertemperatur der FC zeigt, die Temperaturen sind, die im Voraus gemessen werden.
Wenn der Außendruck der vorbestimmte Druck oder weniger ist, nimmt eine Druckdifferenz zwischen dem Außendruck und dem Oxidansgas (wie beispielsweise eine Hochdruckluft), die von der Oxidansgaszufuhreinrichtung (wie beispielsweise dem Luftverdichter) zugeführt wird, zu, wobei die Dichte des Oxidansgases abnimmt. Dementsprechend nimmt der Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen dem Oxidansgas und dem Kühlwasser in dem Kühler durch den Zwischenkühler ab, wobei die FC-Temperatur zunimmt.
Der vorbestimmte Druck des Außendrucks ist nicht spezifisch begrenzt. Beispielsweise kann er aus der Datengruppe bestimmt werden, die die Beziehung zwischen der Außentemperatur, dem Außendruck und der Kühlwassertemperatur der FC zeigt, die Temperaturen sind, die im Voraus gemessen werden.
3 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug gefordert wird, der Leistung, die von der FC gefordert wird, und der FC-Temperatur (Wassertemperatur: Kühlwassertemperatur) zeigt.
Die Leistung, die von der FC gefordert wird, kann aus der Differenz zwischen der Leistung, die durch das Fahrzeug gefordert wird, und der Leistung, die die Sekundärzelle ausgeben kann, berechnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013101844 [0010]

Claims

Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, wobei das System umfasst: eine Brennstoffzelle, eine Sekundärzelle, eine Temperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Temperatur der Brennstoffzelle, eine Ladungszustandswertbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Ladungszustandswerts der Sekundärzelle, eine Außentemperaturbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung einer Außentemperatur, eine Außendruckbeschaffungseinrichtung zur Beschaffung eines Außendrucks und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Leistung der Sekundärzelle, wobei, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Temperatur überschreitet, wenn der Ladungszustandswert der Sekundärzelle ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr ist, wenn die Außentemperatur eine vorbestimmte Temperatur oder mehr ist und wenn der Außendruck ein vorbestimmter Druck oder weniger ist, die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle auf einen größeren Wert als eine Leistung vergrößert, die von der Sekundärzelle für ein normales Betreiben des Fahrzeugs erforderlich ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinrichtung die Leistung der Sekundärzelle derart bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur erreicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Temperatur der Brennstoffzelle eine Temperatur ist, bei der ein Leistungserzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle maximal ist.