DE102021127987A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelleneinheit umfassend erste bis n-te Brennstoffzellen, die zueinander in Reihe geschaltet sind, um einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuzuführen; erste bis n-te Zufuhrsysteme, die jeweils der ersten bis n-ten Brennstoffzelle unabhängig Kathodengas zuführen; eine Umschaltvorrichtung, die fähig ist, einen Zustand zwischen einem verbundenen Zustand und einem getrennten Zustand umzuschalten; und eine Steuereinheit, die, wenn eine erforderliche Ausgangsleistung an die Brennstoffzelleneinheit kleiner gleich einem Schwellenwert ist, eingerichtet ist, die Umschaltvorrichtung zu steuern, den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umzuschalten, und das erste bis n-te Zufuhrsystem zu steuern, sodass sie jeweils die erste bis n-te Brennstoffzelle steuern, um jeweils Durchflussraten des Kathodengases zu steuern, das der ersten bis n-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Hintergrund
  • Wenn eine erforderliche Ausgangsleistung an eine Brennstoffzelleneinheit, die zueinander parallel geschaltete Brennstoffzellen umfasst, niedrig ist, hält eine Leistungserzeugung der Brennstoffzellen an und wenn die erforderliche Ausgangsleistung ansteigt, startet die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen neu. Um das Ausgangsleistungsansprechverhalten der Brennstoffzellen auf eine solche erforderliche Ausgangsleistung sicherzustellen, wenn die Leistungserzeugung neu startet, wird die Menge an Reaktionsgas, die jeder Brennstoffzelle zuzuführen ist, angepasst, sodass eine Leerlaufspannung jeder Brennstoffzelle selbst in dem Zustand angehaltener Leistungserzeugung zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert gehalten wird (siehe beispielsweise JP 2020 - 061 228 A ).
  • Selbst wenn die Brennstoffzellen zueinander in Reihe geschaltet sind, ist das Ausgangsleistungsansprechverhalten der Brennstoffzellen auf die erforderliche Ausgangsleistung erforderlich, wenn die Leistungserzeugung neu startet.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem guten Ausgangsleistungsansprechverhalten auszubilden, wenn eine Leistungserzeugung neu startet.
  • Die obige Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, das umfasst: eine Brennstoffzelleneinheit umfassend erste bis n-te (n ist eine ganze Zahl größer gleich zwei) Brennstoffzellen, die zueinander in Reihe geschaltet sind, um einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuzuführen, wobei die erste bis n-te Brennstoffzelle jeweils gleiche Einzelzellen umfasst, die gestapelt sind; erste bis n-te Zufuhrsysteme, die jeweils der ersten bis n-ten Brennstoffzelle unabhängig Kathodengas zuführen; eine Umschaltvorrichtung, die fähig ist, einen Zustand zwischen einem verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind, und einem getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung elektrisch voneinander getrennt sind, umzuschalten; und eine Steuereinheit, die, wenn eine erforderliche Ausgangsleistung an die Brennstoffzelleneinheit kleiner gleich einem Schwellenwert ist, eingerichtet ist, die Umschaltvorrichtung zu steuern, den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umzuschalten, und das erste bis n-te Zufuhrsystem zu steuern, sodass diese jeweils die erste bis n-te Brennstoffzelle steuern, um jeweils Durchflussraten des Kathodengases zu steuern, das der ersten bis n-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, wobei die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der n-ten Brennstoffzelle größer gleich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen von jeweils der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle ist, die Steuereinheit eingerichtet ist, zu umfassen: eine Bezugseinrichtung, die eingerichtet ist, in dem getrennten Zustand eine erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung von jeweiligen Leerlaufspannungen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle und eine Gesamtleerlaufspannung der Brennstoffzelleneinheit zu beziehen; und einen Controller, der eingerichtet ist, jeweils die Durchflussraten des Kathodengases, das der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, auf die erste bis (n-1)-te hohe Durchflussrate zu steuern, sodass jeweils die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung erhöht wird, wenn die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung jeweils kleiner gleich einem ersten bis (n-1)-ten unteren Grenzwert ist, und der eingerichtet ist, jeweils die Durchflussraten des Kathodengases, das der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzellen zuzuführen ist, auf eine erste bis (n-1)-te niedrige Durchflussrate zu steuern, die jeweils niedriger ist als eine erste bis (n-1)-te hohe Durchflussrate, sodass die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung jeweils gesenkt werden, wenn die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung jeweils größer gleich einem ersten bis (n-1)-ten oberen Grenzwert ist, der Controller eingerichtet ist, die Durchflussrate des Kathodengases, das den n-ten Brennstoffzellen zuzuführen ist, auf eine n-te hohe Durchflussrate zu steuern, um die Gesamtleerlaufspannung zu erhöhen, wenn die Gesamtleerlaufspannung kleiner gleich einem n-ten unteren Grenzwert ist, und eingerichtet ist, die Durchflussrate des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, auf eine n-te niedrige Durchflussrate zu steuern, um die Gesamtleerlaufspannung zu senken, wenn die Gesamtleerlaufspannung größer gleich einem n-ten oberen Grenzwert ist, wobei ein Wert, der erhalten wird, indem der n-te untere Grenzwert durch die Gesamtanzahl an gestapelten Einzelzellen der Brennstoffzelleneinheit geteilt wird, größer ist als jeder Wert, der erhalten wird, indem der erste bis (n-1)-te untere Grenzwert durch die Anzahl der gestapelten Einzelzellen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzellen geteilt wird.
  • Der Controller kann eingerichtet sein, die Durchflussrate des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, auf die n-te niedrige Durchflussrate umzuschalten, wenn die Gesamtleerlaufspannung zum ersten Mal ansteigt, seitdem die Umschaltvorrichtung den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und bevor die Gesamtleerlaufspannung den n-ten oberen Grenzwert erreicht.
  • Der Controller kann eingerichtet sein, die Durchflussrate des Kathodengases, das einer der ersten bis (n-1)ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, auf eine entsprechende hohe Durchflussrate umzuschalten, wenn die Leerlaufspannung der einen von der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle zum ersten Mal sinkt, seitdem die Umschaltvorrichtung den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und bevor die Leerlaufspannung der einen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht.
  • Der Controller kann eingerichtet sein, die Durchflussrate des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle zuzuführen ist, auf die n-te hohe Durchflussrate umzuschalten, wenn die Gesamtleerlaufspannung kleiner gleich dem n-ten unteren Grenzwert ist, und wenn mindestens eine der ersten bis (n-1)-ten Leerlaufspannung größer gleich einem vorgegebenen Wert zwischen einem entsprechenden oberen Grenzwert und einem entsprechenden unteren Grenzwert ist.
  • Ein erster Zeitpunkt kann ein Zeitpunkt sein, zu dem eine der ersten bis (n-1-)-ten Leerlaufspannung einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, ein zweiter Zeitpunkt kann ein Zeitpunkt sein, zu dem eine von zwei der Leerlaufspannungen von der ersten bis (n-1)-ten Leerlaufspannung und der Gesamtleerlaufspannung einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, ein dritter Zeitpunkt kann ein Zeitpunkt sein, zu dem die andere der zwei der Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, T kann ein Zeitintervall zwischen dem ersten Zeitpunkt sein, U kann ein Zeitintervall zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt sein, welcher an den zweiten Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, in einem Fall, in dem (1/2n) > (U/T) erfüllt ist, kann der Controller eingerichtet sein, die Durchflussrate des Kathodengases, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, entsprechend der einen der zwei der Leerlaufspannungen auf eine entsprechende hohe Durchflussrate umzuschalten, wenn die eine der zwei der Leerlaufspannungen sinkt, bevor die eine der zwei der Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, in einem Fall, in dem (U/T) > (3/2n) erfüllt ist, kann der Controller eingerichtet sein, die Durchflussrate des Kathodengases, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, entsprechend der anderen der zwei der Leerlaufspannungen auf eine entsprechende hohe Durchflussrate umzuschalten, wenn die andere der zwei der Leerlaufspannungen sinkt, bevor die andere der zwei der Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht.
  • Werte, die erhalten werden, indem jeweils die erste bis n-te niedrige Durchflussrate durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der ersten bis n-ten Brennstoffzelle geteilt wird, können gleich sein.
    n = 2 kann erfüllt sein.
    n = 3 kann erfüllt sein.
  • Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem mit einem guten Ausgangsleistungsansprechverhalten auszubilden, wenn eine Leistungserzeugung neu startet.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform, das in einem Fahrzeug montiert ist;
    • 2 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung in der ersten Ausführungsform darstellt;
    • 3 stellt jeden Spannungswert in der ersten Ausführungsform dar;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leistungserzeugungsteuerung in der ersten Ausführungsform darstellt;
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung einer FC 4-1 in der ersten Ausführungsform darstellt;
    • 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung einer FC 4-2 in der ersten Ausführungsform darstellt;
    • 7 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung in einer zweiten Ausführungsform darstellt;
    • 8 stellt jeden Spannungswert in der zweiten Ausführungsform dar;
    • 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 in der zweiten Ausführungsform darstellt;
    • 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in der zweiten Ausführungsform darstellt;
    • 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in einer dritten Ausführungsform darstellt;
    • 12 ist eine erläuternde Ansicht einer Leerlaufspannungssteuerung in einer vierten Ausführungsform;
    • 13 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 in der vierten Ausführungsform darstellt;
    • 14 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in der vierten Ausführungsform darstellt;
    • 15 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform;
    • 16 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Vergleichsbeispiel;
    • 17A stellt jeden Spannungswert in der fünften Ausführungsform dar und 17B stellt jeden Spannungswert in dem Vergleichsbeispiel dar;
    • 18 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform;
    • 19 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Erste Ausführungsform
  • Brennstoffzellensystemkonfiguration
  • 1 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, das in einem Fahrzeug montiert ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine elektronische Steuereinheit (ECU) 3, Brennstoffzellen (nachfolgend bezeichnet als FCs) 4-1 und 4-2, eine Sekundärbatterie (nachfolgend bezeichnet als BAT) 8 und Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2 und ein Leistungssteuersystem 30. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst (nicht dargestellte) Anodengaszufuhrsysteme, die fähig sind, den FCs 4-1 und 4-2 unabhängig und jeweils Anodengas zuzuführen, und ein (nicht dargestelltes) Kühlsystem, das fähig ist, die FCs 4-1 und 4-2 zu kühlen, indem Kühlwasser durch sie hindurch zirkuliert wird. Ferner ist das Fahrzeug mit einem Beschleunigeröffnungssensor 6, einem Elektromotor 50 zum Fahren und (nicht dargestellten) Rädern, die durch den Elektromotor 50 angetrieben werden, ausgebildet.
  • Jede der FCs 4-1 und 4-2 ist die Brennstoffzelle, die Elektrizität erzeugt, indem Kathodengas und Anodengas aufgenommen werden. Jede der FCs 4-1 und 4-2 umfasst Einzelzellen vom Typ Feststoffpolymerelektrolyt, die gestapelt sind. Bei der ersten Ausführungsform sind die FCs 4-1 und 4-2 hinsichtlich einer verwendeten Einzelzelle und hinsichtlich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen einander gleich. Insbesondere sind 100 Einzelzellen in jeder der FCs 4-1 und 4-2 gestapelt. Die Einzelzellen sind einander hinsichtlich Größe, Form und Material gleich. Die FCs 4-1 und 4-2 sind untereinander elektrisch in Reihe geschaltet. Die FCs 4-1 und 4-2 sind Beispiele für eine Brennstoffzelleneinheit und sind auch Beispiele für jeweils eine erste und eine zweite Brennstoffzelle.
  • Die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2 sind Beispiele für ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem, die fähig sind, den FCs 4-1 und 4-2 jeweils Luft, die Sauerstoff enthält, als Kathodengas unabhängig zuzuführen. Insbesondere umfasst jedes der Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2 ein Zufuhrrohr 11, ein Ablassrohr 12, ein Bypass-Rohr 13, einen Luftfilter 14, einen Luftkompressor 15, ein Bypass-Ventil 16, einen Ladeluftkühler 17 und ein Gegendruckventil 18. Da die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2 die gleiche Konfiguration aufweisen, wird nachfolgend hauptsächlich das Kathodengaszufuhrsystem 10-1 beschrieben.
  • Bezug nehmend auf das Kathodengaszufuhrsystem 10-1 ist das Zufuhrrohr 11 mit einem Kathodeneinlasssammelrohr der FC 4-1 verbunden und das Ablassrohr 12 ist mit einem Kathodenauslasssammelrohr der FC 4-1 verbunden. Das Bypass-Rohr 13 setzt das Zufuhrrohr 11 mit dem Ablassrohr 12 in Verbindung. Das Bypass-Ventil 16 ist an einem Verbindungsabschnitt des Zufuhrrohrs 11 und dem Bypass-Rohr 13 ausgebildet und schaltet den Verbindungszustand zwischen dem Zufuhrrohr 11 und dem Bypass-Rohr 13 um. Der Luftfilter 14, der Luftkompressor 15, das Bypass-Ventil 16 und der Ladeluftkühler 17 sind in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite aus in dem Zufuhrrohr 11 angeordnet. Das Gegendruckventil 18 ist in dem Ablassrohr 12 auf der Stromaufwärtsseite des Verbindungsabschnitts des Ablassrohrs 12 und des Bypass-Rohrs 13 angeordnet. Der Luftfilter 14 entfernt Fremdstoffe, wie beispielsweise Staub in der Luft, durch einen Filter. Der Luftkompressor 15 führt der FC 4-1 über das Zufuhrrohr 11 Luft zu, aus der Fremdstoffe durch den Luftfilter 14 entfernt wurden. Das Kathodengas, das der FC 4-1 zugeführt wird, wird für eine Leistungserzeugung der FC 4-1 verwendet und dann durch das Ablassrohr 12 ausgestoßen. Der Ladeluftkühler 17 kühlt das Kathodengas, das der FC 4-1 zuzuführen ist. Das Gegendruckventil 18 passt den Gegendruck auf der Kathodenseite der FC 4-1 an. Wie oben beschrieben, ist das Kathodengaszufuhrsystem 10-2 auf die gleiche Weise eingerichtet wie das Kathodengaszufuhrsystem 10-1 und das Zufuhrrohr 11 und das Ablassrohr 12 des Kathodengaszufuhrsystems 10-2 sind jeweils mit einem Kathodeneinlasssammelrohr und einem Kathodenauslasssammelrohr der FC 4-2 verbunden.
  • Das Leistungssteuersystem 30 umfasst einen Brennstoffzellen-Gleichspannungswandler (nachfolgend bezeichnet als FDC) 32 und einen Wechselrichter (nachfolgend bezeichnet als INV) 38, der mit dem Elektromotor 50 verbunden ist. Der FDC 32 passt einen Gleichstrom bzw. DC-Strom von den FCs 4-1 und 4-2 an und gibt ihn an den INV 38 aus. Die BAT 8 gibt einen Gleichstrom an den INV 38 aus. Die BAT 8 ist fähig, die erzeugte Leistung der FCs 4-1 und 4-2 zu speichern. Der INV 38 wandelt die eingegebene Gleichstromleistung in Dreiphasenwechselstrom um und führt ihn dem Elektromotor 50 zu. Der Elektromotor 50 treibt die (nicht dargestellten) Räder an, um das Fahrzeug anzutreiben. Zwischen dem FDC 32 und der BAT 8 sowie dem INV 38 ist ein Umschalter 36 ausgebildet, der fähig ist, einen elektrischen Zustand zwischen dem verbundenen Zustand und dem getrennten Zustand umzuschalten. Ein Wandler zum Anpassen des Gleichstroms von der BAT 8 kann zwischen dem Umschalter 36 und der BAT 8 ausgebildet sein.
  • Die elektrische Leistung der FCs 4-1 und 4-2 und der BAT 8 ist fähig, dem Elektromotor 50 zugeführt zu werden, der ein Beispiel für eine Lastvorrichtung ist. Vorliegend umfasst die Lastvorrichtung Hilfsaggregate für die FCs 4-1 und 4-2 und Hilfsaggregate für das Fahrzeug, zusätzlich zu dem Elektromotor 50. Die Hilfsaggregate für die FCs 4-1 und 4-2 umfassen die Luftkompressoren 15, die Bypass-Ventile 16 und die Gegendruckventile 18 der Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2, die jeweils oben beschrieben sind. Die Hilfsaggregate für das Fahrzeug umfassen zum Beispiel einen Luftverdichter, Lichtvorrichtungen, Warnleuchten und dergleichen.
  • Die FC 4-1 ist mit einem Spannungssensor S1 ausgebildet, der eine Spannung der FC 4-1 erfasst. Ferner ist ein Spannungssensor St zum Erfassen einer Gesamtspannung der FCs 4-1 und 4-2, das heißt, der Gesamtspannung der gesamten Brennstoffzelleneinheit ausgebildet.
  • Die ECU 3 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nurlesespeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM). Die ECU 3 ist mit dem Beschleunigeröffnungssensor 6, den Luftkompressoren 15, den Bypass-Ventilen 16, den Gegendruckventilen 18, dem FDC 32, dem Umschalter 36 und den Spannungssensoren S1 und St elektrisch verbunden. Die ECU 3 berechnet eine erforderliche Ausgangsleistung P an die Gesamtheit der FCs 4-1 und 4-2 auf Basis eines Erfassungswerts des Beschleunigeröffnungssensors 6, dem Antriebszustand der Hilfsaggregate für das Fahrzeug und für die FCs 4-1 und 4-2, die oben beschrieben sind, der gespeicherten Leistung der BAT 8 und dergleichen. Ferner steuert die ECU 3 entsprechend der erforderlichen Ausgangsleistung P Hilfsaggregate für die FCs 4-1 und 4-2 und steuert die erzeugte Gesamtleistung der FCs 4-1 und 4-2. Die erforderliche Ausgangsleistung P ist die Ausgabe, die für die ganze Brennstoffzelleneinheit der FCs 4-1 und 4-2 erforderlich ist und umfasst nicht die erforderliche Ausgangsleistung an eine Vorrichtung, wie beispielsweise die BAT 8, außer den Brennstoffzellen.
  • Leerlaufspannung
  • Die ECU 3 führt eine Leerlaufspannungssteuerung aus, die eine Leerlaufspannung der FC 4-1 und die Gesamtleerlaufspannung der FCs 4-1 und 4-2 steuert (nachfolgend als Gesamtleerlaufspannung bezeichnet). Die Leerlaufspannungssteuerung wird durch eine Bezugseinrichtung und einen Controller ausgeführt, die funktionsmäßig durch die CPU, den ROM und den RAM erzielt werden.
  • Zum Beispiel wenn sich die Beschleunigeröffnung verkleinert, sinkt auch die erforderliche Ausgangsleistung P. Wenn die erforderliche Ausgangsleistung P kleiner gleich einem später beschriebenen Schwellenwert Pα ist, trennt der Umschalter 36 die FCs 4-1 und 4-2 elektrisch von den Lastvorrichtungen, sodass sich das Fahrzeug in einem Leerlaufbetriebszustand befindet. Vorliegend sind in dem getrennten Zustand, in dem die FCs 4-1 und 4-2 elektrisch von den Lastvorrichtungen getrennt sind, die FCs 4-1 und 4-2 in einem Zustand unterbrochener Leistungserzeugung, in dem eine Leistungserzeugung unterbrochen ist. In dem Zustand unterbrochener Leistungserzeugung beträgt der Strom der FCs 4-1 und 4-2 jeweils null und eine jeweilige Spannung derselben wird als Leerlaufspannung bezeichnet. Wenn die Beschleunigeröffnung wieder zunimmt und die erforderliche Ausgangsleistung den Schwellenwert in solch einem Leerlaufbetriebszustand überschreitet, verbindet der Umschalter 36 die FCs 4-1 und 4-2 mit den Lastvorrichtungen und die FCs 4-1 und 4-2 kehren in den normalen Leistungserzeugungszustand zurück. Folglich wird die erzeugte Leistung der FCs 4-1 und 4-2 dem Elektromotor 50 zugeführt und das Fahrzeug wird in einen Fahrzustand gebracht.
  • Vorliegend wird in dem getrennten Zustand, in dem die FCs 4-1 und 4-2 von den Lastvorrichtungen elektrisch getrennt sind, kein Sauerstoff und kein Wasserstoff durch Leistungserzeugung verbraucht, allerdings kommt es zu einem Durchsickern von Wasserstoff von einer Anodenelektrodenseite auf eine Kathodenelektrodenseite über eine Elektrolytmembran. So reagieren Wasserstoff und Sauerstoff auf der Kathodenelektrodenseite, sodass sie Wasser erzeugen. Dies reduziert die Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenelektrodenseite.
  • Die Leerlaufspannung sinkt aufgrund des Sinkens einer Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenelektrodenseite. Unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens der tatsächlichen Ausgangsleistung der FCs 4-1 und 4-2, wenn die erforderliche Ausgangsleistung P anschließend zunimmt, wird die Leerlaufspannung vorzugsweise selbst in dem getrennten Zustand in einem hohen Zustand gehalten. Dies rührt daher, dass eine hohe Leerlaufspannung anzeigt, dass die Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenelektrodenseite hoch ist, und wenn die erforderliche Ausgangsleistung P in einem Zustand steigt, in dem die Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenelektrodenseite hoch ist, steigt die Ausgangsleistung der FCs 4-1 und 4-2 mit gutem Ansprechverhalten. Falls allerdings die Leerlaufspannung immer bei einem hohen Wert gehalten wird, ist es erforderlich, den FCs 4-1 und 4-2 fortwährend eine hohe Durchflussrate des Kathodengases zuzuführen, was einen Leistungsverbrauch erhöhen könnte. Falls den FCs 4-1 und 4-2 fortwährend eine hohe Durchflussrate von Kathodengas zugeführt wird, könnte ferner der Druck auf der Kathodenelektrodenseite der FCs 4-1 und 4-2 übermäßig zunehmen. Wenn den FCs 4-1 und 4-2 fortwährend eine hohe Durchflussrate des Kathodengases zugeführt wird und die Leerlaufspannungen über einen vorgegebenen Wert steigen, könnten ferner die Elektrodenkatalysatoren der FCs 4-1 und 4-2 eluiert werden, sodass die Leistungserzeugungs-Performance sinkt. Daher wird die oben erwähnte Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt, um die Leerlaufspannung innerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs zu halten. In der Leerlaufspannungssteuerung wird eine Durchflussrate des Kathodengases, das den FCs 4-1 und 4-2 zugeführt wird, gesteuert, sodass sie steigt oder sinkt, um eine Spannung V1 der FC 4-1 innerhalb eines Bereichs zwischen einem oberen Grenzwert VH1 und einem unteren Grenzwert VL1 zu halten, und um eine Gesamtspannung Vt, welche die Gesamtleerlaufspannung der FCs 4-1 und 4-2 ist, innerhalb eines Bereichs zwischen einem oberen Grenzwert VHt und einem unteren Grenzwert VLt zu halten. Der Spannungsbereich, der durch den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert definiert ist, umfasst eine vorgegebene Spanne und es tritt nicht sofort ein Problem auf, wenn die Leerlaufspannung von dem obigen Spannungsbereich abweicht.
  • Spannungsänderung bei der Leerlaufspannungssteuerung bei der ersten Ausführungsform
  • Als nächstes wird eine Spannungsänderung bei der Leerlaufspannungssteuerung in der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. 2 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung in der ersten Ausführungsform darstellt. 2 stellt eine Änderung in der erforderlichen Ausgangsleistung P dar, einen Verbindungszustand zwischen den FCs 4-1 und 4-2 und den Lastvorrichtungen, eine Änderung der Durchflussraten Q1 und Q2 des Kathodengases, das jeweils den FCs 4-1 und 4-2 zuzuführen ist, eine Änderung einer Spannung V1 der FC 4-1, eine Änderung einer Gesamtspannung Vt der FCs 4-1 und 4-2 und eine Änderung einer ermittelten Spannung (Vt-V1). Die ermittelte Spannung (Vt-V1) wird nicht durch den Spannungssensor bezogen bzw. erhalten, sondern die Spannung der FC 4-2 wird ausgehend von der Spannung V1 und der Gesamtspannung Vt ermittelt, die durch die Spannungssensoren S1 und St bezogen werden.
  • 3 stellt jede Spannung in der ersten Ausführungsform dar. 3 stellt ein Beispiel für Werte der Spannung V1, der ermittelten Spannung (Vt-V1) und der Gesamtspannung Vt dar. Ferner stellt 3 Beispiele für den oberen Grenzwert VH1 und den unteren Grenzwert VL1 der Spannung V1 der FC 4-1 in dem getrennten Zustand dar, in dem die FC 4-1 von den Lastvorrichtungen getrennt ist, Beispiele für den oberen Grenzwert VHt und den unteren Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt in dem getrennten Zustand und Beispiele für den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert der ermittelten Spannung (Vt-V1).
  • Die Durchflussrate Q1 wird während der Ausführung der unten beschriebenen Leerlaufspannungssteuerung gesteuert, indem ein Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 angepasst wird, während eine Rotationsgeschwindigkeit des Luftkompressors 15 konstant gehalten wird und ein Öffnungsgrad des Gegendruckventils 18 konstant gehalten wird. Ebenso wird die Durchflussrate Q2 gesteuert, indem der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-2 angepasst wird. Allerdings ist die Steuerung der Durchflussrate Q1 nicht darauf beschränkt; die Durchflussrate Q1 kann zum Beispiel gesteuert werden, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Luftkompressors 15 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 angepasst wird, während der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 18 konstant gehalten wird und des Bypass-Ventils 16 konstant gehalten wird. Ebenso kann die Durchflussrate Q2 gesteuert werden, indem die Drehzahl des Luftkompressors 15 des Kathodengaszufuhrsystems 10-2 angepasst wird.
  • Zum Beispiel wenn sich die Beschleunigeröffnung allmählich verkleinert, während das Fahrzeug fährt, sinkt die erforderliche Ausgangsleistung ab Zeit t0 allmählich, wie in 2 dargestellt. Wenn die erforderliche Ausgangsleistung sinkt, sinken die Durchflussraten Q1 und Q2, sodass die Ausgangsleistung der FCs 4-1 und 4-2 sinkt. Ferner senkt ein Sinken in jeder Ausgangsleistung der FCs 4-1 und 4-2 jeden Strom der FCs 4-1 und 4-2, sodass die Spannung V1, die Gesamtspannung Vt und die ermittelte Spannung (Vt-V1) zunehmen.
  • Zum Beispiel wenn die Beschleunigeröffnung null erreicht, wird die erforderliche Ausgangsleistung P zu einer Zeit t1 kleiner gleich dem Schwellenwert Pα und der Umschalter 36 ist fähig, den Zustand in den getrennten Zustand umzuschalten. Der Schwellenwert Pα ist ein voreingestellter Wert um zu bestimmen, ob die erforderliche Ausgangsleistung P als im Wesentlichen null angesehen wird, mit anderen Worten, um zu bestimmen, ob keine erforderliche Ausgangsleistung an die FCs 4-1 und 4-2 vorliegt. Da die erforderliche Ausgangsleistung P zur Zeit t1 ausreichend klein ist, kann der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umschalten. Der Schwellenwert Pα ist nicht auf im Wesentlichen null beschränkt und kann zum Beispiel ein Wert sein, bei dem die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um das Fahrzeug zu fahren und um die Hilfsaggregate zu betreiben, ausreichend niedrig ist und die elektrische Leistung ausschließlich von der BAT 8 zugeführt wird.
  • Wenn die erforderliche Ausgangsleistung P zur Zeit t2 im Wesentlichen konstant wird, nachdem eine vorgegebene Zeit in Minuten ab Zeit t1 abgelaufen ist, wenn die erforderliche Ausgangsleistung P kleiner gleich dem Schwellenwert Pα wird, werden die Durchflussraten Q1 und Q2 jeweils auf eine vorgegebene niedrige Durchflussrate QL gesteuert, und das Fahrzeug schaltet in einen Leerlauffahrzustand um. Die niedrige Durchflussrate QL ist kleiner als eine hohe Durchflussrate QH, die später beschrieben wird. Die niedrige Durchflussrate QL kann null sein. Indem jede der Durchflussraten Q1 und Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL gesteuert wird, sinkt die Sauerstoffkonzentration an den Kathodenelektroden in den FCs 4-1 und 4-2, sodass sich IV-Charakteristiken der FCs 4-1 und 4-2 im Vergleich zu jenen eines normalen Leistungserzeugungszustands verschlechtern. Daher beginnen die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt, ab Zeit t2 zu sinken.
  • Bei Zeit t3, wenn eine vorgegebene Zeit ab Zeit t2 abläuft, schaltet der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand um, die FCs 4-1 und 4-2 werden von den Lastvorrichtungen getrennt und die Leerlaufspannungssteuerung beginnt. Folglich steigen die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt sofort und der Strom der FCs 4-1 und 4-2, wenn auch nicht dargestellt, wird null. Wenn die FCs 4-1 und 4-2 von den Lastvorrichtungen getrennt werden, entspricht die Spannung V1 der Leerlaufspannung der FC 4-1 und die Gesamtspannung Vt entspricht der Gesamtleerlaufspannung der FCs 4-1 und 4-2. Wie in 3 dargestellt, betragen bei Zeit t3 die Spannung V1 und die ermittelte Spannung (Vt-V1) jeweils 85 V und die Gesamtspannung Vt beträgt 170 V.
  • Ab Zeit t3 sinkt die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt aufgrund des oben beschriebenen Durchsickerns. Das heißt, die niedrige Durchflussrate QL wird derart eingestellt, dass die Leerlaufspannung nicht steigt, selbst wenn es zu dem Durchsickern kommt. Dies rührt daher, dass sich eine Verringerungsrate der Sauerstoffkonzentration aufgrund des Durchsickerns abhängig von der Nutzungsumgebung und der Nutzungszeit der Brennstoffzelle verändert, und es schwierig ist, die Verringerungsrate im Voraus zu prognostizieren.
  • Bei Zeit t4 beträgt die Gesamtspannung Vt 155 V und die Spannung V1 und die ermittelte Spannung (Vt-V1) betragen jeweils 77,5 V. Nachfolgend wird der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt bei 155 V eingestellt. Daher wird bei Zeit t4 die Durchflussrate Q2 des Kathodengases an die FC 4-2 auf die vorgegebene hohe Durchflussrate QH gesteuert und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu steigen. Die hohe Durchflussrate QH wird derart eingestellt, dass die Sauerstoffkonzentration steigt, selbst wenn das Sinken einer Sauerstoffkonzentration aufgrund des Durchsickerns berücksichtigt wird.
  • Die Gesamtspannung Vt steigt von Zeit t4 bis Zeit t5 und erreicht bei Zeit t5 161 V, und die ermittelte Spannung (Vt-V1) steigt ebenfalls auf 83,5 V, aber die Spannung V1 bleibt bei 77,5 V. Wenn die Gesamtspannung Vt größer gleich dem anfänglichen oberen Grenzwert VHat wird, was der obere Grenzwert in dem Fall ist, in dem die Gesamtspannung Vt erstmals steigt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, wird vorliegend die Durchflussrate Q2 erneut auf die niedrige Durchflussrate QL gesteuert. Der anfängliche obere Grenzwert VHat ist niedriger als der obere Grenzwert VHt und höher als der untere Grenzwert VLt und wird in dieser Ausführungsform auf 161 V eingestellt. Daher wird die Durchflussrate Q2 zur Zeit t5 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu sinken. Obwohl die Spannung V1 von Zeit t4 bis Zeit t5 in 2 sinkt, ist die Zeitspanne von Zeit t4 bis Zeit t5 tatsächlich kurz und die Spannung V1 beträgt in dieser Zeitspanne im Wesentlichen den gleichen Wert und diese Zeitspanne ist länger dargestellt, als sie tatsächlich ist, um das Verständnis zu erleichtern.
  • Sowohl die Spannung V1 als auch die Gesamtspannung Vt sinken von Zeit t5 bis Zeit t6 und die Spannung V1 beträgt bei Zeit t6 75 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 156 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 81 V. Da der untere Grenzwert VL1 in dieser Ausführungsform auf 75 V eingestellt ist, wird die Durchflussrate Q1 zur Zeit t6 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet, die Spannung V1 beginnt zu steigen und die Gesamtspannung Vt beginnt ebenfalls zu steigen. Zur Zeit t6 beträgt die Gesamtspannung Vt 156 V, was höher ist als der untere Grenzwert VLt von 155 V, sodass die Durchflussrate Q2 bei der niedrigen Durchflussrate QL gehalten wird.
  • Zu einer Zeit t7 erreicht die Spannung V1 85 V, die Gesamtspannung Vt erreicht 166 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) bleibt 81 V. Da der obere Grenzwert VH1 in dieser Ausführungsform auf 85 V eingestellt ist, wird die Durchflussrate Q1 zur Zeit t7 vorliegend auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet, die Spannung V1 beginnt zu sinken, und die Gesamtspannung Vt beginnt ebenfalls zu sinken. Wie die Zeitspanne von Zeit t4 bis Zeit t5 ist die Zeitspanne von Zeit t6 bis Zeit t7 kurz und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt in dieser Zeitspanne im Wesentlichen den gleichen Wert.
  • Zur Zeit t8 beträgt die Gesamtspannung Vt 155 V, die Spannung V1 beträgt 79,5 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 75,5 V. Wie oben beschrieben, wird, wenn die Gesamtspannung Vt 155 V erreicht, die Durchflussrate Q2 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu steigen.
  • Zur Zeit t9 beträgt die Gesamtspannung Vt 165 V, die Spannung V1 beträgt 79,5 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 85,5 V. Da der obere Grenzwert VHt in dieser Ausführungsform auf 165 V eingestellt ist, wird vorliegend die Durchflussrate Q2 bei Zeit t9 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu sinken. Wie die Zeitspanne von Zeit t6 bis Zeit t7 ist die Zeitspanne von Zeit t8 bis Zeit t9 kurz und die Spannung V1 beträgt in dieser Zeitspanne im Wesentlichen den gleichen Wert.
  • Auch wenn die Spannung V1 zur Zeit t10 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, wird die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt beginnen zu steigen. Wenn die Spannung V1 zur Zeit t11 den oberen Grenzwert VH1 erreicht, wird die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL gesteuert und die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt beginnen zu sinken. Wenn die Gesamtspannung Vt zur Zeit t12 den unteren Grenzwert VLt erreicht, wird die Durchflussrate Q2 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beginnen zu steigen. Wenn die Gesamtspannung Vt zur Zeit t13 den oberen Grenzwert VHt erreicht, wird die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beginnen zu sinken.
  • Auf diese Art und Weise werden die Durchflussraten Q1 und Q2 derart gesteuert, dass sie steigen oder sinken, sodass die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt innerhalb des Sollbereichs wiederholt steigen und sinken. Vorliegend wird in dieser Ausführungsform, wie oben beschrieben, die Spannung V1 im Grunde innerhalb des Bereichs zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 gehalten, das heißt, innerhalb des Bereichs zwischen 85 V und 75 V, und die Gesamtspannung Vt wird innerhalb des Bereichs zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt gehalten, das heißt, innerhalb des Bereichs zwischen 165 V und 155 V.
  • Da die Anzahl der gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 100 beträgt, betragen der obere Grenzwert VH1p und der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle vorliegend jeweils 0,85 V und 0,75 V, die berechnet werden, indem die oben erwähnten 85 V und 75 V durch 100 dividiert werden. Da die Gesamtanzahl der gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 und 4-2 200 beträgt, betragen ferner der obere Grenzwert VHtp und der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle jeweils 0,825 V und 0,775 V, die berechnet werden, indem die oben erwähnten 165 V und 155 V durch 200 dividiert werden. Wie bei dem unteren Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt, beträgt der untere Grenzwert VLtp auf diese Weise pro Einzelzelle 0,775 V, was höher ist als 0,75 V des unteren Grenzwerts VL1p pro Einzelzelle, wie bei dem unteren Grenzwert VL1 der Spannung V1.
  • Der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt wird auf einen relativ hohen Wert eingestellt, wie oben beschrieben, wobei berücksichtigt wird, dass das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1 und 4-2 zu der Zeit, zu der die Leistungserzeugung neu startet, sichergestellt ist. Dies stellt das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1 und 4-2 zu der Zeit sicher, zu der die Leistungserzeugung der FCs 4-1 und 4-2 neu startet.
  • Ferner, wie bei Zeit t4 dargestellt, erreicht die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt, bevor die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und die Durchflussrate Q2 wird von der niedrigen Durchflussrate QL zu der hohen Durchflussrate QH vor der Durchflussrate Q1 umgeschaltet. Daher wird veranlasst, dass Zeit t4, bei der die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, von Zeit t6 abweicht, wenn die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht. Vorliegend werden die Durchflussraten Q1 und Q2 auf jeweils die hohe Durchflussrate QH oder die niedrige Durchflussrate QL gesteuert. Ferner, da die FCs 4-1 und 4-2 hinsichtlich einer verwendeten Einzelzelle und der Anzahl der gestapelten Einzelzellen, wie oben beschrieben, einander gleich sind, sind die Steigungsgeschwindigkeit und die Sinkgeschwindigkeit der Spannung V1 im Wesentlichen jeweils die gleiche wie die Steigungsgeschwindigkeit und die Sinkgeschwindigkeit der ermittelten Spannung (Vt-V1), die als Leerlaufspannung der FC 4-2 ermittelt wird. Sobald veranlasst wird, dass der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, von dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, abweicht, wird daher ein Zustand, in dem beide Zeitpunkte veranlasst werden, voneinander abzuweichen, mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne beibehalten, wie bei Zeit t8, Zeit t10 und Zeit t12.
  • Vorliegend bedeutet ein Fall, in dem beide Zeitpunkte übereinstimmen, dass sowohl die Spannung V1 der FC 4-1 als auch die Spannung der FC 4-2 niedrig sind. Falls zum Beispiel die Leistungserzeugung in diesem Zustand erneut startet, könnte sich das Ausgangsleistungsansprechverhalten zu der Zeit, zu der die Leistungserzeugung neu gestartet wird, verschlechtern. Unter Berücksichtigung eines Falls, in dem beide Zeitpunkte übereinstimmen, ist es daher, um das Ausgangsleistungsansprechverhalten zu der Zeit sicherzustellen, zu der die Leistungserzeugung neu gestartet wird, denkbar, dass der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle auf den gleichen Wert eingestellt wird wie der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle. Allerdings wird in dieser Ausführungsform, wie oben beschrieben, veranlasst, dass beide Zeitpunkte voneinander abweichen, sodass der untere Grenzwert VL1p auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird als der untere Grenzwert VLtp. Es ist daher möglich, einen breiten Bereich sicherzustellen, in dem die Spannung V1 gehalten wird, sowie eine Umschaltfrequenz der Durchflussrate Q1 zu reduzieren, das heißt, eine Schaltfrequenz des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 in dieser Ausführungsform. Dies unterbindet eine Verringerung einer Haltbarkeit des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1. Zudem ist es in einem Fall, in dem die Durchflussrate Q1 umgeschaltet wird, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Luftkompressors 15 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 gesteigert oder gesenkt wird, möglich, eine Verringerung einer Haltbarkeit des Luftkompressors 15 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 zu unterbinden.
  • Indem der anfängliche obere Grenzwert VHat verwendet wird, wie bei Zeit t5 dargestellt, werden ferner der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, veranlasst, voneinander abwechselnd und im Wesentlichen gleichmäßig abzuweichen. Auch wird der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle. Es ist daher möglich, die Umschaltfrequenz des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1 zu reduzieren, was die Verringerung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 16 von dem Kathodengaszufuhrsystem 10-1 unterbindet.
  • Flussdiagramm der Leistungserzeugungsteuerung bei der ersten Ausführungsform
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leistungserzeugungsteuerung bei der ersten Ausführungsform darstellt. Zuerst bestimmt die ECU 3, ob die erforderliche Ausgangsleistung P kleiner gleich dem Schwellenwert Pα ist oder nicht (Schritt S1). Wie oben beschrieben, berechnet die ECU 3 die erforderliche Ausgangsleistung P basierend auf der elektrischen Leistung, die erforderlich ist, um den Elektromotor 50, die Hilfsaggregate und dergleichen anzutreiben. Wenn die Beschleunigeröffnung zum Beispiel einen anderen Wert als null aufweist und das Fahrzeug in einem Fahrzustand ist, wird in Schritt S1 eine negative Bestimmung getätigt und diese Steuerung endet.
  • Zum Beispiel wenn die Beschleunigeröffnung null ist, kann in Schritt S1 eine positive Bestimmung getätigt werden und die ECU 3 steuert jede der Durchflussraten Q1 und Q2 auf die niedrigen Durchflussraten QL und steuert dann den Umschalter 36, sodass er den Zustand in den getrennten Zustand umschaltet, nachdem eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist (Schritt S3). So werden die FCs 4-1 und 4-2 in den Zustand unterbrochener Leistungserzeugung gebracht und die ECU 3 führt die Leerlaufspannungssteuerung für jede der FCs 4-1 und 4-2 aus (Schritt S5). Während die Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt wird, bestimmt die ECU 3, ob die erforderliche Ausgangsleistung P größer ist als der Schwellenwert Pα oder nicht (Schritt S7). Wenn in Schritt S7 eine negative Bestimmung getätigt wird, wird die Leerlaufspannungssteuerung fortgesetzt. Wenn in Schritt S7 eine positive Bestimmung getätigt wird, führt die ECU 3 eine Rückführsteuerung aus, um die FCs 4-1 und 4-2 in den normalen Leistungserzeugungszustand zurückzuführen (Schritt S9). Insbesondere steuert die ECU 3 den Umschalter 36, um den Zustand in den verbundenen Zustand umzuschalten, und steuert jede der Durchflussraten Q1 und Q2 auf eine Durchflussrate, die größer ist als die große Durchflussrate QH, entsprechend der Größenordnung der erforderlichen Ausgangsleistung P.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung von FC 4-1 bei der ersten Ausführungsform
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 in der ersten Ausführungsform darstellt. Zuerst steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S11). Als nächstes erhält die ECU 3 die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 kleiner gleich dem unteren Grenzwert VL1 ist oder nicht (Schritt S13). Wenn in Schritt S13 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q1 bei der niedrigen Durchflussrate QL (Schritt S11).
  • Wenn in Schritt S13 eine positive Bestimmung getätigt wird, steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH, zum Beispiel wie bei Zeit t6 und Zeit t10 dargestellt (Schritt S15). Als nächstes erhält die ECU 3 die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 größer gleich dem oberen Grenzwert VH1 ist oder nicht (Schritt S17). Wenn in Schritt S17 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q1 bei der hohen Durchflussrate QH (Schritt S15). Wenn in Schritt S17 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL um (Schritt S11), zum Beispiel wie bei Zeit t7 und Zeit t1 1 dargestellt.
  • Auf diese Weise wird die Spannung V1 zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 gehalten, indem die Durchflussrate Q1 zwischen der hohen Durchflussrate QH und der niedrigen Durchflussrate QL umgeschaltet wird. Schritte S11, S13, S15 und S17 sind Beispiele für Prozesse, die durch eine Bezugseinrichtung und einen Controller ausgeführt werden.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung von FC 4-2 bei der ersten Ausführungsform
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 der ersten Ausführungsform darstellt. Zuerst steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S21). Als nächstes erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt ist oder nicht (Schritt S23). Wenn in Schritt S23 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der niedrigen Durchflussrate QL.
  • Wenn in Schritt S23 eine positive Bestimmung getätigt wird, steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die hohe Durchflussrate QH (Schritt S25), zum Beispiel wie bei Zeit t4 und Zeit t8 dargestellt. Als nächstes erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt erstmals steigt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, oder nicht (Schritt S26). Erstmals steigen bedeutet vorliegend, dass die Gesamtspannung Vt zum ersten Mal den unteren Grenzwert VLt oder niedriger erreicht, seit der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und die Durchflussrate Q2 von der niedrigen Durchflussrate QL zu der hohen Durchflussrate QH umgeschaltet wird und die Gesamtspannung Vt dann steigt. In der Bestimmung von Schritt S26 wird bestimmt, dass die Gesamtspannung Vt erstmals steigt, zum Beispiel indem vorher die Häufigkeit gezählt wird, wenn die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt wird, nachdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und wenn die gezählte Häufigkeit eins ist und die Durchflussrate Q2 auf die hohe Durchflussrate QH gesteuert wird.
  • Wenn in Schritt S26 eine positive Bestimmung getätigt wird, das heißt, wenn die Gesamtspannung Vt erstmals steigt, erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt größer gleich dem anfänglichen oberen Grenzwert VHat ist oder nicht (Schritt S27-1). Wenn in Schritt S27-1 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der hohen Durchflussrate QH (Schritt S25). Wenn in Schritt S27-1 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL, wie bei Zeit t5 dargestellt (Schritt S21).
  • Wenn in Schritt S26 eine negative Bestimmung getätigt wird, das heißt, wenn die Gesamtspannung Vt nach dem ersten Mal steigt, erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt größer gleich dem oberen Grenzwert VHt ist oder nicht (Schritt S27). Wenn in Schritt S27 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der hohen Durchflussrate QH (Schritt S25). Wenn in Schritt S27 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL, wie bei Zeit t9 dargestellt (Schritt S21).
  • Auf diese Weise wird die Durchflussrate Q2 abwechselnd zwischen der hohen Durchflussrate QH und der niedrigen Durchflussrate QL umgeschaltet, sodass die Gesamtspannung Vt zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt gehalten wird. Schritte S21, S23, S25, S26, S27-1 und S27 sind Beispiele für Prozesse, die durch die Bezugseinrichtung und den Controller ausgeführt werden.
  • Bei der ersten Ausführungsform werden die Prozesse der Schritte S26 und S27-1, die den anfänglichen oberen Grenzwert VHat verwenden, ausgeführt, aber diese Prozesse sind nicht immer erforderlich. Bei der ersten Ausführungsform wurde die ECU 3, welche die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 und 10-2 steuert, als Beispiel beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können eine ECU, die das Kathodengaszufuhrsystem 10-1 steuert, und eine andere ECU, die das Kathodengaszufuhrsystem 10-2 steuert, einzeln ausgebildet sein. Bei der ersten Ausführungsform beträgt die Anzahl an gestapelten Einzelzellen jeder der FCs 4-1 und 4-2 100. Allerdings ist die Anzahl nicht darauf beschränkt, solange die FCs 4-1 und 4-2 einander hinsichtlich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen gleich sind. Wie später im Detail beschrieben, kann die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2 ferner größer gleich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 sein. Die Gesamtspannung Vt wird durch den Spannungssensor St erfasst, ist aber nicht darauf beschränkt. Anstelle des Spannungssensors St kann ein Spannungssensor ausgebildet sein, der die Spannung nur der FC 4-2 erfasst, und der Gesamtwert der Erfassungswerte, die durch diesen Spannungssensor und den Spannungssensor S1 erfasst werden, kann als Gesamtspannung Vt verwendet werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Bei einer zweiten Ausführungsform wird das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 verwendet und eine Leerlaufspannungssteuerung der FCs 4-1 und 4-2, die durch die ECU 3 ausgeführt wird, unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform. 7 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung in der zweiten Ausführungsform darstellt. 8 stellt jeden Spannungswert in der zweiten Ausführungsform dar. Wie bei der ersten Ausführungsform wird bei der zweiten Ausführungsform die erforderliche Ausgangsleistung P kleiner gleich dem Schwellenwert Pα zur Zeit t1, die Durchflussraten Q1 und Q2 werden jeweils auf die niedrige Durchflussrate QL zur Zeit t2 gesteuert, und der Umschalter 36 schaltet bei Zeit t3 den Zustand in den getrennten Zustand um. Wie in 8 dargestellt betragen bei Zeit t3 die Spannung V1 und die ermittelte Spannung (Vt-V1) jeweils 85 V und die Gesamtspannung Vt beträgt 170 V.
  • Bei Zeit t4 betragen die Spannung V1 und die ermittelte Spannung (Vt-V1) jeweils 81 V und die Gesamtspannung Vt beträgt 162 V. Wenn die Spannung V1 kleiner gleich dem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 wird, was der untere Grenzwert in dem Fall ist, in dem die Spannung V1 erstmals sinkt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, wird vorliegend die Durchflussrate Q1 erneut auf die hohe Durchflussrate QH gesteuert. Der anfängliche untere Grenzwert VLαt ist kleiner als der obere Grenzwert VH1 und größer als der untere Grenzwert VL1 und wird in dieser Ausführungsform auf 81 V eingestellt. Bei Zeit t4 wird daher die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Spannung V1 beginnt, zu steigen.
  • Die Spannung V1 steigt von Zeit t4 bis Zeit t5 und die Gesamtspannung Vt steigt ebenfalls. Bei Zeit t5 erreicht die Spannung V1 85 V und die Gesamtspannung Vt erreicht 166 V, aber die ermittelte Spannung (Vt-V1) bleibt bei 81 V. Da der obere Grenzwert VH1 85 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1 bei Zeit t5 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet, die Spannung V1 beginnt, zu sinken, und die Gesamtspannung Vt beginnt ebenfalls, zu sinken. Da die Zeitspanne von Zeit t4 bis Zeit t5 kurz ist, beträgt die ermittelte Spannung (Vt-V1) in dieser Zeitspanne im Wesentlichen den gleichen Wert.
  • Zur Zeit t6 beträgt die Gesamtspannung Vt 155 V, die Spannung V1 beträgt 79,5 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 75,5 V. Da der untere Grenzwert VLt 155 V beträgt, wird die Durchflussrate Q2 bei Zeit t6 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu steigen.
  • Zur Zeit t7 beträgt die Gesamtspannung Vt 165 V, die Spannung V1 beträgt 79,5 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 85,5 V. Da der obere Grenzwert VHt auf 165 V eingestellt wird, wird die Durchflussrate Q2 bei Zeit t7 auf die niedrige Durchflussrate gesteuert und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu sinken. Da die Zeitspanne von Zeit t6 bis Zeit t7 kurz ist, beträgt die Spannung V1 in dieser Zeitspanne im Wesentlichen den gleichen Wert.
  • Zur Zeit t8 beträgt die Spannung V1 75 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 156 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 81 V. Da der untere Grenzwert VL1 75 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1 vorliegend bei Zeit t8 auf die hohe Durchflussrate QH eingestellt und die Spannung V1 beginnt, zu steigen.
  • Bei Zeit t9 beträgt die Spannung V1 85 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 166 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 81 V. Da der obere Grenzwert VH1 85 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1 vorliegend bei Zeit t9 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet und die Spannung V1 beginnt, zu sinken.
  • Wenn die Gesamtspannung Vt zur Zeit t10 den unteren Grenzwert VLt erreicht, wird die Durchflussrate Q2 zu der hohen Durchflussrate QH umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beginnen, zu steigen. Wenn die Gesamtspannung Vt zur Zeit t11 den oberen Grenzwert VHt erreicht, wird die Durchflussrate Q2 zu der niedrigen Durchflussrate QL umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beginnen, zu sinken. Wenn die Spannung V1 zur Zeit t12 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, wird die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt beginnen, zu steigen. Wenn die Spannung V1 zur Zeit t13 den oberen Grenzwert VH1 erreicht, wird die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL gesteuert und die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt beginnen, zu sinken.
  • Auf diese Art und Weise werden die Durchflussraten Q1 und Q2 gesteuert, sodass sie steigen oder sinken, sodass die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt jeweils innerhalb des Sollbereichs wiederholt steigen und sinken. Auch in der zweiten Ausführungsform wird der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt unter Berücksichtigung davon bestimmt, dass das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1 und 4-2 sichergestellt wird, wenn die Leistungserzeugung neu startet. Indem der anfängliche untere Grenzwert VLα1 verwendet wird, wie bei Zeit t4 dargestellt, werden ferner der Zeitpunkt, zu dem die anschließende Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, veranlasst, voneinander abwechselnd und im Wesentlichen gleichmäßig abzuweichen. Mit der obigen Konfiguration ist es auch möglich, den unteren Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle auf einen Wert einzustellen, der kleiner ist als der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle. Dies reduziert die Umschaltfrequenz des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1, was die Verringerung einer Lebensdauer des Bypass-Ventils 16 von dem Kathodengaszufuhrsystem 10-1 unterbindet.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung von FC 4-1 bei der zweiten Ausführungsform
  • Da die ECU 3 die in 4 dargestellte Steuerung wie bei der ersten Ausführungsform ausführt, wird bei der zweiten Ausführungsform die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 beschrieben. 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 in der zweiten Ausführungsform darstellt. Die ECU 3 steuert die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S11), bezieht die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 erstmals sinkt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, oder nicht (Schritt S12). Vorliegend bedeutet erstmals sinken einen Fall, in dem die Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL gesteuert wird und die Spannung V1 erstmals sinkt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat. In der Bestimmung in Schritt S12 wird bestimmt, dass die Spannung V1 erstmals sinkt, zum Beispiel, wenn die Spannung V1 erstmals, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, kleiner gleich dem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 wird.
  • Wenn in Schritt S12 eine positive Bestimmung getätigt wird, das heißt, wenn die Spannung V1 erstmals sinkt, erhält die ECU 3 die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 kleiner gleich dem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 ist oder nicht (Schritt S13-1). Wenn in Schritt S13-1 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q1 bei der niedrigen Durchflussrate QL (Schritt S11). Wenn in Schritt S13-1 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH um (Schritt S15) und führt dann den Prozess aus Schritt S17 aus, wie bei Zeit t4 dargestellt. Wenn in Schritt S12 eine negative Bestimmung getätigt wird, das heißt, wenn die Spannung V1 nach dem ersten Mal sinkt, führt die ECU 3 die Prozesse aus den Schritten S13, S15 und S17 wie bei der ersten Ausführungsform aus.
  • Auf diese Weise wird die Spannung V1 derart gesteuert, dass sie zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 wiederholt steigt und sinkt. Schritte S11, S12, S13-1, S13, S15 und S17 sind Beispiele für Prozesse, die durch die Bezugseinrichtung und den Controller ausgeführt werden.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung von FC 4-2 bei der zweiten Ausführungsform
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in der zweiten Ausführungsform darstellt. Zuerst steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S21). Als nächstes erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt ist oder nicht (Schritt S23). Wenn in Schritt S23 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der niedrigen Durchflussrate QL (Schritt S21).
  • Wenn in Schritt S23 eine positive Bestimmung getätigt wird, steuert die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die hohe Durchflussrate QH (Schritt S25). Als nächstes erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt größer gleich dem oberen Grenzwert VHt ist oder nicht (Schritt S27). Wenn in Schritt S27 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der hohen Durchflussrate QH (Schritt S25). Wenn in Schritt S27 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S21).
  • Auf diese Weise wird die Gesamtspannung Vt gesteuert, sodass sie zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt wiederholt steigt und sinkt.
  • Schritte S21, S23, S25 und S27 sind Beispiele für Prozesse, die durch die Bezugseinrichtung und den Controller ausgeführt werden.
  • Dritte Ausführungsform
  • Bei einer dritten Ausführungsform wird das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 verwendet und die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2, die durch die ECU 3 ausgeführt wird, unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform. Daher wird die Steuerung der ersten Ausführungsform, die in den 4 und 5 dargestellt ist, auch bei der dritten Ausführungsform ausgeführt.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung von FC 4-2 bei der dritten Ausführungsform
  • 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in der dritten Ausführungsform darstellt. Die ECU 3 führt die Prozesse der Schritte S21 und S23 aus. Wenn in Schritt S23 eine positive Bestimmung getätigt wird, erhält die ECU 3 die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 größer gleich einem Referenzwert Vβ1 ist oder nicht (Schritt S24). Der Referenzwert Vβ1 ist ein Wert zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 der Spannung V1, zum Beispiel ein mittlerer Wert zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1.
  • Wenn in Schritt S24 eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der niedrigen Durchflussrate QL, selbst wenn die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt ist (Schritt S21). Wenn in Schritt S24 eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf eine hohe Durchflussrate QH um (Schritt S25) und dann wird der Prozess aus Schritt S27 ausgeführt. Das heißt, nur die Gesamtspannung Vt ist kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt und wenn die Spannung V1 einen relativ hohen Wert aufweist, der größer gleich dem Referenzwert Vβ1 ist, schaltet die Durchflussrate Q2 zu der hohen Durchflussrate QH um und die Gesamtspannung Vt steigt. Wenn die Spannung V1 niedriger ist als der Referenzwert Vβ1, ist es möglich, dass sich die Spannung V1 dem unteren Grenzwert VL1 annähert. Ohne die Durchflussrate Q2 zu diesem Zeitpunkt zu der hohen Durchflussrate QH umzuschalten, um zu veranlassen, dass die Gesamtspannung Vt steigt, erreicht daher die Spannung V1 sofort den unteren Grenzwert VL1, sodass die Durchflussrate Q1 zu der höheren Durchflussrate QH umgeschaltet wird, um zu veranlassen, dass die Spannung V1 steigt, und dann steigt die Gesamtspannung Vt. Es ist so möglich, zu verhindern, dass sich der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, einander annähern. Dies reduziert die Umschaltfrequenz des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1, was die Verringerung einer Lebensdauer des Bypass-Ventils 16 von dem Kathodengaszufuhrsystem 10-1 unterbindet.
  • Auf diese Weise wird die Gesamtspannung Vt gesteuert, sodass sie zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt wiederholt steigt und sinkt. Schritte S21, S23, S24, S25 und S27 sind Beispiele für Prozesse, die durch die Bezugseinrichtung und den Controller ausgeführt werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • Bei einer vierten Ausführungsform wird das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 verwendet und die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 und FC 4-2, die durch die ECU 3 ausgeführt wird, unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform. Daher wird die Steuerung der ersten Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, auch in der vierten Ausführungsform ausgeführt.
  • Leerlaufspannungssteuerung bei der vierten Ausführungsform
  • In einem Fall, in dem der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, zu nahe aneinander oder zu weit voneinander entfernt liegen, steuert die ECU 3 in der vierten Ausführungsform die Spannung V1 oder die Gesamtspannung Vt derart, dass sie steigt, wenn diese Spannung sinkt, bevor sie den entsprechenden unteren Grenzwert erreicht. 12 ist eine erläuternde Ansicht der Leerlaufspannungssteuerung in der vierten Ausführungsform. 12 stellt einen Fall dar, in dem die Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt wird, nachdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat. Ferner stellt 12 nur die Spannung V1 dar und die Gesamtspannung Vt ist nicht dargestellt.
  • Die Spannung V1 erreicht den unteren Grenzwert VL1 bei Zeit t21 und dann erreicht die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erneut bei Zeit t25. Hier bezeichnet T ein Zeitintervall zwischen Zeit t21 bis Zeit t25. Sowohl die Zeit t21 als auch die Zeit t25 ist ein Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht. Zeit t21 und t25 sind ein Beispiel für einen ersten Zeitpunkt. Der ideale Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, ist Zeit t23, die eine mittlere Zeit zwischen Zeit t21 und Zeit t25 ist. Die Zeitintervalle zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, sind in diesem Fall immer konstant. Vorliegend bezeichnet U ein Zeitintervall von Zeit t21 bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt danach erreicht. Der ideale Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, wird durch (U/T) = (1/2) ausgedrückt. Zeit t21, zu der die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ist ein Beispiel für den zweiten Zeitpunkt. Der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, angrenzend an den Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ist ein Beispiel für den dritten Zeitpunkt. Alternativ kann der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, als Beispiel für den zweiten Zeitpunkt interpretiert werden, und Zeitpunkt t25, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, angrenzend zu dem Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, kann als Beispiel für den dritten Zeitpunkt interpretiert werden.
  • Unter der Annahme, dass das Maß zulässiger Abweichung von dem obigen idealen Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, (1/4) ist, wenn (1/4) ≤ (U/T) ≤ (3/4) erfüllt ist, fällt vorliegend der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, innerhalb eines zulässigen Bereichs. Daher steuert die ECU 3 in der vierten Ausführungsform, wenn der obige Zeitpunkt außerhalb des zulässigen Bereichs ist, die Spannung V1 oder die Gesamtspannung Vt derart, dass sie steigt, wenn diese Spannung sinkt, bevor der entsprechende untere Grenzwert erreicht wird. Zudem bezieht und aktualisiert die ECU 3 fortwährend die Zeitintervalle U und T, während die Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt wird. Das Maß zulässiger Abweichung ist (1/4), ist aber nicht darauf beschränkt. Das Maß zulässiger Abweichung kann zum Beispiel zweckmäßig auf (1/5) oder (1/6) eingestellt werden, was weniger ist als (1/4).
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 bei der vierten Ausführungsform
  • 13 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-1 in der vierten Ausführungsform darstellt. Die ECU 3 führt den Prozess aus Schritt S11 aus. Als nächstes bestimmt die ECU 3, ob (1/4) > (U/T) erfüllt ist oder nicht (Schritt S12a). Wenn in Schritt S12a eine positive Bestimmung getätigt wird, wird in Betracht gezogen, dass der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, zu nah aneinander liegen. Wenn in Schritt S12a eine negative Bestimmung getätigt wird, werden die Prozesse der Schritte S13, S15 und S17 auf die gleiche Weise ausgeführt wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Wenn in Schritt S12a eine positive Bestimmung getätigt wird, erhält die ECU 3 die Spannung V1 und bestimmt, ob die Spannung V1 kleiner gleich einem unteren Grenzwert VLβ1 zur Korrektur ist oder nicht (Schritt S13a). Der untere Grenzwert VLβ1 zur Korrektur ist größer als der untere Grenzwert VL1 und kleiner als der obere Grenzwert VH1. Der untere Grenzwert VLβ1 zur Korrektur ist ein Wert zum Korrigieren des Zeitpunkts, wenn die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 in einem Fall erreicht, in dem der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VL erreicht, zu nahe sind, wie oben beschrieben. Wenn in Schritt S13a eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q1 bei der niedrigen Durchflussrate QL (Schritt S11).
  • Wenn in Schritt S13a eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q1 auf eine hohe Durchflussrate QH um (Schritt S15) und führt den Prozess aus Schritt S17 aus. Folglich steigt die Spannung V1, wenn die Spannung V1 sinkt, bevor der untere Grenzwert VL1 erreicht wird. So werden der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, näher an den ideal Zeitpunkt gebracht.
  • Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 bei der vierten Ausführungsform
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 4-2 in der vierten Ausführungsform darstellt. Die ECU 3 steuert die Durchflussrate Q2 auf die niedrige Durchflussrate QL (Schritt S21). Als nächstes bestimmt die ECU 3, ob (U/T) > (3/4) erfüllt ist oder nicht (Schritt S22a). Wenn in Schritt S22a eine positive Bestimmung getätigt wird, wird in Betracht gezogen, dass der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, zu weit voneinander entfernt liegen. Wenn in Schritt S22a eine negative Bestimmung getätigt wird, werden die Schritte S23, S25 und S27 auf die gleiche Weise ausgeführt wie bei der zweiten Ausführungsform.
  • Wenn in Schritt S22a eine positive Bestimmung getätigt wird, erhält die ECU 3 die Gesamtspannung Vt und bestimmt, ob die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLβt zur Korrektur ist oder nicht (Schritt S23a). Der untere Grenzwert VLβt zur Korrektur ist größer als der untere Grenzwert VLt und kleiner als der obere Grenzwert VHt. Der untere Grenzwert VLβt zur Korrektur ist ein Wert zum Korrigieren des Zeitpunkts, wenn die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt in einem Fall erreicht, in dem der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, wie oben beschrieben zu weit voneinander entfernt sind. Wenn in Schritt S23a eine negative Bestimmung getätigt wird, hält die ECU 3 die Durchflussrate Q2 bei der niedrigen Durchflussrate QL (Schritt S21).
  • Wenn in Schritt S23a eine positive Bestimmung getätigt wird, schaltet die ECU 3 die Durchflussrate Q2 auf eine hohe Durchflussrate QH um (Schritt S25) und führt dann den Prozess aus Schritt S27 aus. Folglich steigt die Gesamtspannung Vt, wenn die Gesamtspannung Vt sinkt, bevor der untere Grenzwert VLt erreicht wird. So werden der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, näher an den ideal Zeitpunkt gebracht.
  • Auf diese Art und Weise werden die Zeitintervalle, an denen die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt jeweils gleich dem unteren Grenzwert VL1 und dem unteren Grenzwert VLt werden, konstant. Schritte S11, S12a, S13, S13a, S15, S17, S21, S22a, S23, S23a, S25 und S27 sind Beispiele für Prozesse, die durch die Bezugseinrichtung und den Controller ausgeführt werden.
  • Fünfte Ausführungsform und Vergleichsbeispiel
  • 15 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1a gemäß einer fünften Ausführungsform. Die gleiche Konfiguration wie jene des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben ist, wird durch das gleiche Referenzzeichen bezeichnet und auf eine wiederholte Beschreibung wird verzichtet. Das Brennstoffzellensystem 1a umfasst eine FC 4-2a, ein Kathodengaszufuhrsystem 10-2a, das der FC 4-2a Kathodengas zuführt, und ein Leistungssteuersystem 30a. Die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a beträgt 200, was das Doppelte der Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 ist. Der Spannungssensor St erfasst die Spannung von 300 Einzelzellen, um die Gesamtspannung der FCs 4-1 und 4-2a zu erfassen. Ein FDC 32a des Leistungssteuersystems 30a passt den Gleichstrom von den FCs 4-1 und 4-2a an und gibt den Gleichstrom an den INV 38 aus.
  • Das Kathodengaszufuhrsystem 10-2a passt eine Durchflussrate Q2a des Kathodengases an, das der FC 4-2a zugeführt wird, aber in der Leerlaufspannungssteuerung wird die Durchflussrate Q2a auf eine niedrige Durchflussrate QL2a oder eine hohe Durchflussrate QH2a umgeschaltet. Die niedrige Durchflussrate QL2a und die hohe Durchflussrate QH2a betragen das Doppelte der niedrigen Durchflussrate QL und der hohen Durchflussrate QH, die jeweils oben beschrieben sind. Da die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a das Doppelte der gestapelten Einzelzellen von jeweils der FC 4-1 und der FC 4-2 in der ersten Ausführungsform beträgt, ist die Durchflussrate auch ausgelegt, der Anzahl an gestapelten Einzelzellen zu entsprechen. Folglich ist eine Verringerungsrate der ermittelten Spannung (Vt-V1), die einer ermittelten Leerlaufspannung pro Einzelzelle der FC 4-2a entspricht, beim Steuern der Durchflussrate Q2a auf die niedrige Durchflussrate QL2a im Wesentlichen die gleiche wie die Verringerungsrate der Spannung V1 pro Einzelzelle der FC 4-1 beim Steuern der Durchflussrate Q1 auf die niedrige Durchflussrate QL. Ebenso ist eine Erhöhungsrate der ermittelten Spannung (Vt-V1), die der ermittelten Leerlaufspannung pro Einzelzelle der FC 4-2a entspricht, beim Steuern der Durchflussrate Q2a auf die hohe Durchflussrate QH2a im Wesentlichen die gleiche wie die Erhöhungsrate der Spannung V1 pro Einzelzelle der FC 4-1 beim Steuern der Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH.
  • 16 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1x gemäß einem Vergleichsbeispiel. Bei dem Brennstoffzellensystem 1x gemäß dem Vergleichsbeispiel beträgt die Anzahl gestapelter Einzelzellen in der FC 4-1x 200, was das Doppelte der Anzahl gestapelter Einzelzellen der FC 4-2 ist. In dem Vergleichsbeispiel erfasst der Spannungssensor S1 die Spannung der FC 4-1x. Das Kathodengaszufuhrsystem 10-1x passt die Durchflussrate Q1x des Kathodengases an, das der FC 4-1x zugeführt wird, aber in der Leerlaufspannungssteuerung wird die Durchflussrate Q1x auf eine niedrige Durchflussrate QLlx oder eine hohe Durchflussrate QH1x umgeschaltet.
  • Die niedrige Durchflussrate QLlx und die hohe Durchflussrate QH1x betragen das Doppelte der niedrigen Durchflussrate QL und der hohen Durchflussrate QH, die jeweils oben beschrieben sind.
  • Ein oberer Grenzwert VHt und ein unterer Grenzwert VLt in der fünften Ausführungsform betragen jeweils 250 V und 230 V. Da die Gesamtanzahl der gestapelten Einzelzellen der FCs 4-1 und 4-2a 300 beträgt, betragen der obere Grenzwert VHtp und ein unterer Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle jeweils 0,833 V und 0,767 V, die berechnet werden, indem die oben erwähnten 250 V und 230 V durch 300 dividiert werden. Der obere Grenzwert VH1 und der untere Grenzwert VL1 der Spannung V1 betragen jeweils 85 V und 75 V, wie in der ersten Ausführungsform. Der obere Grenzwert VH1p und der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle betragen jeweils 0,85 V und 0,75 V. Der untere Grenzwert VLtp wird daher derart eingestellt, dass er höher ist als der untere Grenzwert VL1p wie bei der ersten Ausführungsform.
  • In dem Vergleichsbeispiel wie der fünften Ausführungsform betragen der obere Grenzwert VHt und der untere Grenzwert VLt jeweils 250 V und 230 V und der obere Grenzwert VHtp und der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle betragen jeweils etwa 0,833 V und 0,767 V. Der obere Grenzwert VH1 und der untere Grenzwert VL1 der Spannung V1 der FC 4-1x betragen jeweils 170 V und 150 V. Der obere Grenzwert VH1p und der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle betragen 0,85 V und 0,75 V, die berechnet werden, indem 170 V und 150 V, oben beschrieben, jeweils durch 200 dividiert werden, da die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1x 200 beträgt.
  • Jeweilige Spannungswerte in fünfter Ausführungsform
  • Bei der fünften Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel führt die ECU 3 die in den 4, 9 und 10 dargestellte Steuerung aus. 17A stellt jede Spannung in der fünften Ausführungsform dar. Der Umschalter 36 schaltet bei Zeit t3 den Zustand in den getrennten Zustand um, die Spannung V1 beträgt 85 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 255 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 170 V.
  • Bei Zeit t4 beträgt die Spannung V1 80 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 240 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 160 V. Wenn die Spannung V1 kleiner gleich einem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 wird, was der untere Grenzwert in einem Fall ist, in dem die Spannung V1 erstmals sinkt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, wird vorliegend die Durchflussrate Q1 erneut auf die hohe Durchflussrate QH gesteuert. Der anfängliche untere Grenzwert VLα1 wird auf 80 V eingestellt, anders als bei der zweiten Ausführungsform. Bei Zeit t4 wird daher die Durchflussrate Q1 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Spannung V1 beginnt, zu steigen.
  • Die Spannung V1 steigt von Zeit t4 bis zu Zeit t5 und die Gesamtspannung Vt steigt entsprechend ebenfalls. Bei Zeit t5 erreicht die Spannung V1 85 V und die Gesamtspannung Vt erreicht 245 V, aber die ermittelte Spannung (Vt-V1) bleibt bei 160 V.
  • Zur Zeit t6 beträgt die Gesamtspannung Vt 230 V, die Spannung V1 beträgt 80 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 150 V. Da der untere Grenzwert VLt 230 V beträgt, wird die Durchflussrate Q2 bei Zeit t6 auf die hohe Durchflussrate QHa umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu steigen.
  • Zur Zeit t7 beträgt die Gesamtspannung Vt 250 V, die Spannung V1 beträgt 80 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 170 V. Da der obere Grenzwert VHt 250 V beträgt, wird die Durchflussrate Q2 bei Zeit t7 auf die niedrige Durchflussrate QLa gesteuert und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu sinken.
  • Zur Zeit t8 beträgt die Spannung V1 75 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 235 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 160 V. Da der untere Grenzwert VL1 75 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1 vorliegend bei Zeit t8 auf die hohe Durchflussrate QH eingestellt und die Spannung V1 beginnt, zu steigen.
  • Bei Zeit t9 beträgt die Spannung V1 85 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 245 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 160 V. Da der obere Grenzwert VH1 85 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1 vorliegend bei Zeit t9 auf die niedrige Durchflussrate QL umgeschaltet und die Spannung V1 beginnt, zu sinken.
  • Auf diese Art und Weise werden die Durchflussraten Q1 und Q2a gesteuert, sodass sie steigen oder sinken, sodass die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt innerhalb des Sollbereichs wiederholt steigen und sinken. Auch in der fünften Ausführungsform wird der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt unter Berücksichtigung davon bestimmt, dass das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1 und 4-2a sichergestellt ist, wenn die Leistungserzeugung neu startet. Indem der anfängliche untere Grenzwert VLα1 verwendet wird, wie bei Zeit t4 dargestellt, werden ferner der Zeitpunkt, zu dem die anschließende Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, veranlasst, voneinander abwechselnd und konstant abzuweichen. Auch wird der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle derart eingestellt, dass er niedriger ist als der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle. Dies reduziert die Umschaltfrequenz des Bypass-Ventils 16 des Kathodengaszufuhrsystems 10-1, was eine Verringerung einer Lebensdauer des Bypass-Ventils 16 von dem Kathodengaszufuhrsystem 10-1 unterbindet.
  • Ferner, wie oben beschrieben, sind die Verringerungsrate und die Erhöhungsrate der ermittelten Spannung (Vt-V1) pro Einzelzelle der FC 4-2a im Wesentlichen jeweils die gleichen wie die Verringerungsrate und die Erhöhungsrate der Spannung V1 pro Einzelzelle der FC 4-1. Wie oben beschrieben, beträgt die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a ferner das Doppelte von jener der FC 4-1. Daher sind die Verringerungsrate und die Erhöhungsrate der ermittelten Spannung (Vt-V1) jeweils doppelt so schnell wie die Verringerungsrate und die Erhöhungsrate der Spannung V1. Dementsprechend beträgt die Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt 20 V, was das Doppelte der Differenz von 10 V zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 der Spannung V1 ist. Das heißt, die Zeit, die erforderlich ist, damit die Spannung V1 von dem oberen Grenzwert VH1 zu dem unteren Grenzwert VL1 sinkt, und die Zeit, die erforderlich ist, damit die Gesamtspannung Vt von dem oberen Grenzwert VHt zu dem unteren Grenzwert VLt sinkt, ist im Wesentlichen gleich. Sobald der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, zweckmäßig voneinander abweichen, ist es daher möglich, einen Zustand zu halten, in dem beide Zeitpunkte voneinander für einen langen Zeitraum danach abweichen.
  • Jeder Spannungswert in einem Vergleichsbeispiel
  • 17B stellt jeden Spannungswert in dem Vergleichsbeispiel dar. Bei Zeit t3 schaltet der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand um, die Spannung V1 beträgt 170 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 255 V und die ermittelte Spannung (Vt-VI) beträgt 85 V.
  • Bei Zeit t4 beträgt die Spannung V1 160 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 240 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 80 V. Wenn die Spannung V1 kleiner gleich einem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 wird, was der untere Grenzwert in einem Fall ist, in dem die Spannung V1 erstmals sinkt, seitdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, wird vorliegend die Durchflussrate Q1x erneut auf die hohe Durchflussrate QH1x gesteuert. Der anfängliche untere Grenzwert VLα1 wird auf 160 V eingestellt. Bei Zeit t4 wird daher die Durchflussrate Q1x auf die hohe Durchflussrate QH1x umgeschaltet und die Spannung V1 beginnt, zu steigen.
  • Die Spannung V1 steigt von Zeit t4 bis Zeit t5 und die Gesamtspannung Vt steigt ebenfalls. Bei Zeit t5 erreicht die Spannung V 170 V und die Gesamtspannung Vt erreicht 250 V, aber die ermittelte Spannung (Vt-V1) bleibt bei 80 V.
  • Zur Zeit t6 beträgt die Gesamtspannung Vt 230 V und die Spannung V1 beträgt 156,7 V aber die ermittelte Spannung (Vt-V1) der FC 4-2 ist so niedrig wie 73,3 V. Da der untere Grenzwert VLt 230 V beträgt, wird die Durchflussrate Q2 bei Zeit t6 auf die hohe Durchflussrate QH umgeschaltet und die Gesamtspannung Vt beginnt, zu steigen.
  • Die Gesamtspannung Vt steigt ab Zeit t6, die Gesamtspannung Vt erreicht 250 V bei Zeit t7, die ermittelte Spannung (Vt-V1) erreicht 93,3 V, und die Spannung V1 bleibt bei 156,7 V. Wie oben beschrieben, nimmt die ermittelte Spannung (Vt-V1), die als die Leerlaufspannung der FC 4-2 ermittelt wird, einen hohen Wert an, und der Elektrodenkatalysator kann leicht eluiert werden.
  • Zur Zeit t8 beträgt die Spannung V1 150 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 230 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) beträgt 80 V. Zur Zeit t8, da die Spannung V1 150 V beträgt, wird die Durchflussrate Q1x zu der hohen Durchflussrate QH1x umgeschaltet und die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt steigen. Bei Zeit t9 beträgt die Spannung V1 170 V, die Gesamtspannung Vt beträgt 250 V und die ermittelte Spannung (Vt-V1) bleibt 80 V.
  • Wie oben beschrieben, ist in dem Vergleichsbeispiel die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1x, bei der die Durchflussrate Q1x basierend auf der Spannung V1 gesteuert wird, größer als die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2, bei der die Durchflussrate Q2 basierend auf der Gesamtspannung Vt gesteuert wird. So beeinflusst die Änderung der Spannung V1 stark die Gesamtspannung Vt, was es schwierig macht, die Durchflussrate Q2 basierend auf der Gesamtspannung Vt auf geeignete Weise zu steuern. Bei der fünften Ausführungsform ist die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a, bei der die Durchflussrate Q2 basierend auf der Gesamtspannung Vt gesteuert wird, größer als die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1, bei der die Durchflussrate Q1 basierend auf der Spannung V1 gesteuert wird. Es ist so möglich, den Einfluss der Spannung V1 auf die Gesamtspannung Vt zu reduzieren und die Durchflussrate Q2 basierend auf der Gesamtspannung Vt auf geeignete Weise zu steuern.
  • Wie bei der fünften Ausführungsform ist die Amplitude der Gesamtspannung Vt, die der Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHt und dem unteren Grenzwert VLt entspricht, vorzugsweise größer als die Amplitude der Spannung V1, die der Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VH1 und dem unteren Grenzwert VL1 entspricht. Dies rührt daher, dass die Verringerungsrate der Gesamtspannung Vt schneller ist als die Verringerungsrate der Spannung V1, da die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a größer ist als die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1, und die Schaltfrequenz der Durchflussrate Q2 könnte in einem Fall steigen, in dem die Amplitude der Gesamtspannung Vt kleiner gleich der Amplitude der Spannung V1 ist. Falls, wie oben beschrieben, der obere Grenzwert VHt der Gesamtspannung Vt in einem Fall zu hoch ist, in dem die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2 kleiner ist als die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-lx wie in dem Vergleichsbeispiel, könnte ferner die ermittelte Spannung (Vt-V1), die der Leerlaufspannung der FC 4-2 entspricht, hoch werden und der Elektrodenkatalysator könnte leicht eluieren. Es ist daher zu bevorzugen, dass die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a größer ist als die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 wie in der fünften Ausführungsform.
  • Bei der fünften Ausführungsform beträgt die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a 200, aber die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a ist nicht auf 200 beschränkt und die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a kann größer gleich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 sein. Ferner ist es in diesem Fall zu bevorzugen, dass die Durchflussrate pro Einzelzelle, die erhalten wird, indem die niedrige Durchflussrate QL2a des Kathodengases, das der FC 4-2a zugeführt wird, durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a dividiert wird, im Wesentlichen die gleiche ist wie die Durchflussrate pro Einzelzelle, die erhalten wird, indem die niedrige Durchflussrate QL des Kathodengases, das der FC 4-1 zugeführt wird, durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 dividiert wird. Ebenso ist es zu bevorzugen, dass die Durchflussrate pro Einzelzelle, die erhalten wird, indem die hohe Durchflussrate QH2a des Kathodengases, das der FC 4-2a zugeführt wird, durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-2a dividiert wird, im Wesentlichen die gleiche ist wie die Durchflussrate pro Einzelzelle, die erhalten wird, indem die hohe Durchflussrate QH des Kathodengases, das der FC 4-1 zugeführt wird, durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-1 dividiert wird. Folglich sind die Spannung V1 und die Gesamtspannung Vt hinsichtlich der Spannungsverringerungsrate pro Einzelzelle und der Erhöhungsrate pro Einzelzelle im Wesentlichen gleich.
  • Bei der fünften Ausführungsform kann die ECU 3 die Steuerung, die in 5 dargestellt ist, für die FC 4-1 ausführen und die Steuerung, die in 6 oder 11 dargestellt ist, für die FC 4-2a ausführen. Ferner kann die ECU 3 die Steuerung, die in 9 dargestellt ist, für die FC 4-1 ausführen und die Steuerung, die in 12 dargestellt ist, für die FC 4-2a ausführen. Die ECU 3 kann die Steuerung, die in 13 dargestellt ist, für die FC 4-1 ausführen und die Steuerung, die in 14 dargestellt ist, für die FC 4-2a ausführen.
  • Sechste Ausführungsform
  • 18 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1b gemäß einer sechsten Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 1b umfasst FCs 4-1, 4-2 und 4-3, Kathodengaszufuhrsysteme 10-1, 10-2 und 10-3 und ein Leistungssteuersystem 30b. In den FCs 4-1, 4-2 und 4-3 sind die gleichen Einzelzellen gestapelt und die Anzahl an Einzelzellen in jeder der FCs 4-1, 4-2 und 4-3 ist die gleiche wie 100. Die FCs 4-1, 4-2 und 4-3 sind Beispiele für Brennstoffzelleneinheiten. Ein Spannungssensor S2 erfasst eine Spannung V2 der FC 4-2. Der Spannungssensor St erfasst die Gesamtspannung Vt der FCs 4-1, 4-2 und 4-3. Ein FDC 32b des Leistungssteuersystems 30b passt den Gleichstrom von den FCs 4-1, 4-2 und 4-3 an und gibt den Gleichstrom an den INV 38 aus.
  • Die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1, 10-2 und 10-3 steuern die Durchflussraten Q1, Q2 und Q3 des Kathodengases, das den FCs 4-1, 4-2 und 4-3 jeweils zuzuführen ist. Bei der Leerlaufspannungssteuerung werden insbesondere die Durchflussraten Q1, Q2 und Q3 jeweils auf entweder die niedrige Durchflussrate QL oder die hohe Durchflussrate QH gesteuert. Daher sind in der Leerlaufspannungssteuerung die Verringerungsrate der Spannung V1 pro Einzelzelle der FC 4-1, die Verringerungsrate der Spannung V2 pro Einzelzelle der FC 4-2 und die Verringerungsrate der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle der gesamten Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen gleich. Ebenso sind die Erhöhungsraten im Wesentlichen gleich.
  • Wie bei der ersten Ausführungsform sind der obere Grenzwert VH1 und der untere Grenzwert VL1 der Spannung V1 jeweils auf 85 V und 75 V eingestellt, die jeweils gleich einem eingestellten oberen Grenzwert VH2 und unteren Grenzwert VL2 der Spannung V2 sind. Daher betragen der obere Grenzwert VH1p und der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle jeweils 0,85 V und 0,75 V, die jeweils gleich einem oberen Grenzwert VH2p und einem unteren Grenzwert VL2p der Spannung V2 pro Einzelzelle sind. Der obere Grenzwert VHt und der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt sind jeweils auf 245 V und 235 V eingestellt. Der obere Grenzwert VHtp und der untere Grenzwert VLtp der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle betragen jeweils 0,817 V und 0,783 V. Wie oben beschrieben, beträgt der untere Grenzwert VLtp pro Einzelzelle des unteren Grenzwerts VLt der Gesamtspannung Vt 0,783 V, was höher ist als jeweils der untere Grenzwert VL1p und der untere Grenzwert VL2p. Dies stellt das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1, 4-2 und 4-3 zur Zeit eines Neustarts der Leistungserzeugung sicher. Ferner wird veranlasst, dass der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, von dem Zeitpunkt abweicht, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht.
  • Bei der sechsten Ausführungsform führt die ECU 3 die in 4 dargestellte Steuerung aus, führt die in 5 dargestellte Steuerung für die Spannung V1 aus und führt die in 6 dargestellte Steuerung für die Gesamtspannung Vt aus, während die Durchflussrate Q2 durch die Durchflussrate Q3 des der FC 4-3 zugeführten Kathodengases ersetzt wird. Bezüglich der Spannung V2 wird die Durchflussrate Q2 zu einer hohen Durchflussrate QH umgeschaltet, wenn die Spannung V2 während des ersten Sinkens der Spannung V1 einen anfänglichen unteren Grenzwert erreicht, der höher ist als der untere Grenzwert VL2, und die Durchflussrate Q2 wird zu der hohen Durchflussrate QH umgeschaltet, wenn die Spannung V2 nach dem ersten Sinken der Spannung V1 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, um nicht mit dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, übereinzustimmen. Eine solche Steuerung erlaubt es, dass die Spannung V1, die Spannung V2 und die Gesamtspannung Vt auf geeignete Weise steigen und sinken, sodass sie innerhalb vorbestimmter Bereiche gehalten werden können.
  • Ferner kann in der sechsten Ausführungsform die ECU 3 die in 9 dargestellte Steuerung für die Spannung V1 ausführen und kann die in 10 dargestellte Steuerung für die Gesamtspannung Vt ausführen, wobei die Durchflussrate Q2 durch die Durchflussrate Q3 ersetzt wird, die der FC 4-3 zugeführt werden soll. In Bezug auf die Spannung V2 kann durch Verwendung eines anfänglichen unteren Grenzwerts, der sich von dem anfänglichen unteren Grenzwert VLα1 für die Spannung V1, dargestellt in 9, unterscheidet, veranlasst werden, dass der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1, die Spannung V2 und die Gesamtspannung Vt einen jeweiligen unteren Grenzwert erreichen, voneinander abweicht.
  • Bei der sechsten Ausführungsform kann die ECU 3 in Bezug auf die Gesamtspannung Vt die Durchflussrate, die der Gesamtspannung Vt entspricht, auf die hohe Durchflussrate QH umschalten, sodass die Gesamtspannung Vt steigt, wenn die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLt ist und wenn die Spannungen V1 und V2 oder mindestens eine der Spannungen V1 und V2 relativ hoch innerhalb des entsprechenden Bereichs ist.
  • Bei der sechsten Ausführungsform kann die ECU 3 die Steuerung ausführen, die in den 13 und 14 dargestellt ist. Es wird zum Beispiel angenommen, dass die Spannung V1, die Spannung V2 und die Gesamtspannung Vt angepasst werden, sodass sie die jeweils entsprechenden unteren Grenzwerte in dieser Reihenfolge in einem Anfangszustand erreichen, nachdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat. T gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem anschließenden Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht. U1 gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und danach folgt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht. U2 gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und danach folgt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht. U3 gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht. In diesem Fall ist der ideale Zeitpunkt (U1/T) = (U2/T) = (U3/T) = 1/3. In einem Fall, in dem der zulässige Zeitabweichungsbetrag (1/6) ist, ist der zulässige Zeitpunktbereich (1/6) ≤ (U1/T) ≤ (3/6), (1/6) ≤ (U2/T) ≤ (3/6) und (1/6) ≤ (U3/T) ≤ (3/6).
  • In einem Fall, in dem (1/6) > (U1/T) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Spannung V1 derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V1 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL1 erreicht. In einem Fall, in dem (U1/T) > (3/6) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Spannung V2 derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V2 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL2 erreicht. In diesen Fällen, wie bei den Zeitintervallen T und U1, ist der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ein Beispiel für den ersten Zeitpunkt und auch ein Beispiel für den zweiten Zeitpunkt, und der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ist ein Beispiel für den dritten Zeitpunkt. Ferner steuert die ECU 3 in einem Fall, in dem (1/6) > (U2/T) erfüllt ist, die Spannung V2 derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V2 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL2 erreicht. In einem Fall, in dem (U2/T) > (3/6) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Gesamtspannung Vt derart, dass sie steigt, wenn die Gesamtspannung Vt sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VLt erreicht. Es ist so möglich, den Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1, die Spannung V2 und die Gesamtspannung Vt jeweils die entsprechenden unteren Grenzwerte erreichen, in dieser Reihenfolge an den idealen Zeitpunkt anzunähern. In diesem Fall, wie bei den Zeitintervallen T und U2, ist der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ein Beispiel für den ersten Zeitpunkt, der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, ist ein Beispiel für den zweiten Zeitpunkt und der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, ist ein Beispiel für den dritten Zeitpunkt.
  • Falls sich der Zeitpunkt dem idealen Zeitpunkt annähert, wie bei den Zeitintervallen U1 und U2, wie oben beschrieben, nähert sich der Zeitpunkt zwangsläufig dem idealen Zeitpunkt an, wie bei dem Zeitintervall U3. Allerdings kann die ECU 3 eine Steuerung wie folgt ausführen. In einem Fall, in dem (1/6) > (U3/T) erfüllt ist, kann die ECU 3 die Gesamtspannung Vt derart steuern, dass sie steigt, wenn die Gesamtspannung Vt sinkt, bevor sie die untere Grenze VLt erreicht. In einem Fall, in dem (U3/T) > (3/6) erfüllt ist, kann die ECU 3 die Spannung V1 derart steuern, dass sie steigt, wenn die Spannung V1 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL1 erreicht. In diesen Fällen, wie bei den Zeitintervallen T und U3, ist der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, ein Beispiel für den ersten Zeitpunkt, der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, ist ein Beispiel für den zweiten Zeitpunkt und der Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt1 erreicht, ist ein Beispiel für den dritten Zeitpunkt.
  • Bei der sechsten Ausführungsform wurde die ECU 3, die integral die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1, 10-2 und 10-3 steuert, als Beispiel beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann eine ECU, die das Kathodengaszufuhrsystem 101 steuert, eine ECU, die das Kathodengaszufuhrsystem 10-2 steuert, und eine ECU, die das Kathodengaszufuhrsystem 10-3 steuert, separat ausgebildet sein. Ferner muss die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-3 lediglich größer gleich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen von jeweils den FCs 4-1 und FC 4-2 sein. Ferner können sich die FCs 4-1 und 4-2 hinsichtlich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen unterscheiden. In jedem Fall muss der untere Grenzwert VLtp, welcher der untere Grenzwert VLt der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle ist, höher sein als jeweils der untere Grenzwert VL1p der Spannung V1 pro Einzelzelle und der untere Grenzwert VL2p der Spannung V2 pro Einzelzelle. Die Gesamtspannung Vt wird durch den Spannungssensor St erfasst, ist aber nicht darauf beschränkt. Anstelle des Spannungssensors St kann ein Spannungssensor zum Erfassen der Spannung ausschließlich der FC 4-3 ausgebildet sein, und der Gesamtwert des Erfassungswerts dieses Spannungssensors und der Spannungssensoren S1 und S2 kann als Gesamtspannung Vt verwendet werden.
  • Siebte Ausführungsform
  • 19 ist eine schematische Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1c gemäß einer siebten Ausführungsform. Dieses Brennstoffzellensystem 1c umfasst FCs 4-1, 4-2, ... und 4-n, das heißt, das Brennstoffzellensystem 1c umfasst n Brennstoffzellen. Die FCs 4-1 bis 4-n sind Beispiele für eine Brennstoffzelleneinheit. Ebenso umfasst das Brennstoffzellensystem 1c Kathodengaszufuhrsysteme 10-1, 10-2, ... und 10-n, das heißt, das Brennstoffzellensystem 1c umfasst n Kathodengaszufuhrsysteme. Spannungssensoren S1, S2, ... und S(n-1) erfassen jeweils die Spannung V1 der FC 4-1, die Spannung V2 der FC 4-2, ... und die Spannung V(n-1) der FC 4-(n-1). Bei der siebten Ausführungsform ist n≥4 erfüllt. In 19 sind die FCs 4-3 bis 4-(n-1), das Kathodengaszufuhrsystem 10-3 bis 10-(n-1) und die Spannungssensoren S3 bis S(n-1) nicht dargestellt.
  • Die FCs 4-1 bis 4-n sind einander hinsichtlich verwendeter Einzelzellen und der Anzahl an gestapelten Einzelzellen gleich und die spezifische Anzahl gestapelter Einzelzellen beträgt 100. Der Spannungssensor St erfasst die Gesamtspannung Vt der FCs 4-1 bis 4-n. Ein FDC 32c eines Leistungssteuersystems 30c passt den Gleichstrom von den FCs 4-1 und 4-n an und gibt ihn an den INV 38 aus.
  • Die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 bis 10-n steuern die Durchflussraten Q1, bis Qn des Kathodengases, das den FCs 4-1 bis 4-n jeweils zuzuführen ist. Insbesondere werden bei der Leerlaufspannungssteuerung die Durchflussraten Q1 bis Qn jeweils auf die niedrige Durchflussrate QL oder die hohe Durchflussrate QH gesteuert. Daher ist bei der Leerlaufspannungssteuerung die Verringerungsgeschwindigkeit der Spannungen V1 bis V(n-1) und die Gesamtspannung Vt im Wesentlichen die gleiche und die Steigungsgeschwindigkeit ist ebenfalls im Wesentlichen gleich.
  • Die Spannung des unteren Grenzwerts VLt der Gesamtspannung Vt pro Einzelzelle in der Leerlaufspannungssteuerung ist höher als die Spannung von einem der unteren Grenzwerte der Spannungen V1 bis (Vn-1) pro Einzelzelle. Insbesondere ist der untere Grenzwert der Gesamtspannung VI pro Einzelzelle der FC 4-n höher als die jeweiligen unteren Grenzwerte pro Einzelzelle der FCs 4-1 bis 4- (n-1). Dies stellt das Ausgangsleistungsansprechverhalten der FCs 4-1 bis 4-n sicher, wenn die Leistungserzeugung neustartet. Dies veranlasst auch, dass der Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, von dem Zeitpunkt abweicht, zu dem die andere Spannung den unteren Grenzwert erreicht.
  • Bei der siebten Ausführungsform führt die ECU 3 die in 4 dargestellte Steuerung aus, führt die in 5 dargestellte Steuerung für die Spannung VI aus und führt die in 6 dargestellte Steuerung für die Gesamtspannung Vt aus, während die Durchflussrate Q2 durch die Durchflussrate Qn des der FC 4-n zugeführten Kathodengases ersetzt wird. In Bezug auf die Spannungen V2 bis V(n-1) kann jede der Spannungen V2 bis V(n-1), um nicht wechselseitig mit dem Zeitpunkt übereinzustimmen, zu dem die Spannungen V1 bis V(n-1) die entsprechenden unteren Grenzwerte erreichen, derart gesteuert werden, dass sie während des ersten Sinkens steigt, bevor sie den entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, und zu steigen, wenn der entsprechende untere Grenzwert nach dem ersten Sinken erreicht wird, oder kann derart gesteuert werden, dass sie während dem ersten Anstieg sinkt, bevor sie den oberen Grenzwert erreicht, und zu sinken, wenn der entsprechende obere Grenzwert nach dem ersten Anstieg erreicht wird. Eine solche Steuerung erlaubt es, dass die Spannung V1 bis V(n-1) und die Gesamtspannung Vt auf geeignete Weise steigen und sinken, sodass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten werden.
  • Ferner führt in der siebten Ausführungsform die ECU 3 die in 9 dargestellte Steuerung für die Spannung VI aus und führt die in 10 dargestellte Steuerung für die Gesamtspannung Vt aus, während die Durchflussrate Q2 durch die Durchflussrate Qn des der FC 4-n zugeführten Kathodengases ersetzt wird. In Bezug auf die Spannungen V2 bis V(n-1) wird jede der Spannungen V2 bis V(n-1), um nicht wechselseitig mit dem Zeitpunkt übereinzustimmen, zu dem die Spannungen V1 bis V(n-1) die entsprechenden unteren Grenzwerte erreichen, derart gesteuert, dass sie während des ersten Sinkens steigen, bevor sie den entsprechenden unteren Grenzwert erreichen, und zu steigen, wenn der entsprechende untere Grenzwert nach dem ersten Sinken erreicht wird. Indem sie auf diese Weise gesteuert werden, steigen und sinken die Spannung V1 bis V(n-1) und die Gesamtspannung Vt auf geeignete Weise, sodass sie innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten werden.
  • Bei der siebten Ausführungsform, wie der in 11 dargestellten Steuerung, kann die ECU 3 die Durchflussrate, die der Gesamtspannung Vt entspricht, auf die hohe Durchflussrate QH umschalten, sodass die Gesamtspannung Vt steigt, wenn die Gesamtspannung Vt kleiner gleich dem entsprechenden unteren Grenzwert ist, und wenn jede der Spannungen VI bis V(n-1) höher ist als ein Wert, der erhalten wird, indem der entsprechende untere Grenzwert mit einer vorbestimmten Spanne addiert wird. Zudem ist der Wert, der erhalten wird, indem der entsprechende untere Grenzwert mit einer vorbestimmten Spanne addiert wird, kleiner als ein mittlerer Wert zwischen dem vorbestimmten oberen Grenzwert und dem vorbestimmten unteren Grenzwert und ist, zum Beispiel, ein Wert, der erhalten wird, indem der untere Grenzwert zu einer Spanne addiert wird, die etwa ein Zehntel einer Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert beträgt. Diese Spanne wird vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der verringert wird, sowie die Anzahl an Brennstoffzellen steigt, die in dem Brennstoffzellensystem umfasst sind.
  • Bei der siebten Ausführungsform kann die ECU 3 die Steuerungen ausführen, die in den 13 und 14 dargestellt sind. Zum Beispiel angenommen, dass die Spannung V1, V2, ... V(n-1) und die Gesamtspannung Vt jeweils derart angepasst werden, dass sie den entsprechenden unteren Grenzwert in dieser Reihenfolge in der Anfangsphase erreichen, nachdem der Umschalter 36 den Zustand in den getrennten Zustand umschaltet, gibt T das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung VI den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem anschließenden Zeitpunkt, zu dem die Spannung VI den unteren Grenzwert VL1 erreicht, an, und U1 gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V1 den unteren Grenzwert VL1 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Spannung VI den unteren Grenzwert VL1 erreicht, an. U2 gibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V3 den unteren Grenzwert VL3 erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem die Spannung V2 den unteren Grenzwert VL2 erreicht. Ebenso gibt U(n-1) ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt an, zu dem V(n-1) den entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung Vt den unteren Grenzwert VLt erreicht, welcher an den Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, zu dem V(n-1) den entsprechenden unteren Grenzwert erreicht. In diesem Fall wird der ideale Zeitpunkt erzielt, wenn (U1/T) = (U2/T) = ... (U(n-1)/T) = 1/n erfüllt ist. Angenommen, der zulässige Betrag der Zeitpunktabweichung ist (1/2n), so beträgt der zulässige Zeitpunktbereich (1/2n) ≤ (U1/T) ≤ (3/2n). Gleiches gilt für jeden zulässigen Bereich der anderen Zeitintervalle U2 bis U(n-1).
  • In einem Fall, in dem (1/2n) > (U1/T) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Spannung V1 derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V1 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL1 erreicht. In einem Fall, in dem (U1/T) > (3/2n) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Spannung V2 derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V2 sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VL2 erreicht. Ferner steuert die ECU 3 in einem Fall, in dem (1/2n) > (U(n-1)/T) erfüllt ist, die Spannung V(n-1) derart, dass sie steigt, wenn die Spannung V(n-1) sinkt, bevor sie den entsprechenden unteren Grenzwert erreicht. In einem Fall, in dem (U(n-1)/T) > (3/2n) erfüllt ist, steuert die ECU 3 die Gesamtspannung Vt derart, dass sie steigt, wenn die Gesamtspannung Vt sinkt, bevor sie den unteren Grenzwert VLt erreicht. Es ist so möglich, den Zeitpunkt, zu dem die Spannungen V1, V2, ... und die Gesamtspannung Vt die ihnen entsprechenden unteren Grenzwerte erreichen, in dieser Reihenfolge an den idealen Zeitpunkt anzunähern.
  • Bei der siebten Ausführungsform wurde die ECU 3, die integral die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 bis 10-n steuert, als Beispiel beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können ECUs ausgebildet sein, die individuell die Kathodengaszufuhrsysteme 10-1 bis 10-n steuern. Ferner muss die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FC 4-n lediglich größer gleich jeder Anzahl an gestapelten Einzelzellen der FCs 4-1 bis 4-(n-1) sein. Ferner können sich die FCs 4-1 bis 4-(n-1) hinsichtlich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen unterscheiden. Die Gesamtspannung Vt wird durch den Spannungssensor St erfasst, ist aber nicht darauf beschränkt. Anstelle des Spannungssensors St kann ein Spannungssensor ausgebildet sein, der lediglich die Spannung der FC 4-n erfasst, und der Gesamtwert der Erfassungswerte, die durch den Spannungssensor und die Spannungssensoren S1 bis S(n-1) erfasst werden, kann als Gesamtspannung Vt verwendet werden.
  • Die oben erwähnten Brennstoffzellensysteme sind in Fahrzeugen installiert, wie beispielsweise Privatautos, Bussen und Kühlwagen, sind aber nicht darauf beschränkt. Es kann sich zum Beispiel um ein stationäres Brennstoffzellensystem handeln. Ferner kann das Fahrzeug kann nicht nur ein Automobil sein, sondern auch ein zweirädriges Fahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug oder dergleichen. Ferner kann das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug sein, bei dem ein Elektromotor und eine Verbrennungskraftmaschine kombiniert zum Fahren verwendet werden können.
  • Obwohl manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie beansprucht abgewandelt oder abgeändert 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 2020 [0002]
    • JP 061228 A [0002]

Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem (1, 1a, 1b, 1c) aufweisend: eine Brennstoffzelleneinheit (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) umfassend erste bis n-te (n ist eine ganze Zahl größer gleich zwei) Brennstoffzellen (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n), die zueinander in Reihe geschaltet sind, um einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuzuführen, wobei die erste bis n-te Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) jeweils gleiche Einzelzellen umfasst, die gestapelt sind; erste bis n-te Zufuhrsysteme (10-1, 10-2, 10-2a, 10-3, 10-n), die jeweils der ersten bis n-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) unabhängig Kathodengas zuführen; eine Umschaltvorrichtung (36), die fähig ist, einen Zustand zwischen einem verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) und die Lastvorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind, und einem getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) und die Lastvorrichtung elektrisch voneinander getrennt sind, umzuschalten; und eine Steuereinheit (3), die, wenn eine erforderliche Ausgangsleistung (P) an die Brennstoffzelleneinheit (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) kleiner gleich einem Schwellenwert (Pα) ist, eingerichtet ist, die Umschaltvorrichtung (36) zu steuern, den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umzuschalten, und das erste bis n-te Zufuhrsystem (10-1, 10-2, 10-2a, 10-3, 10-n) zu steuern, sodass sie jeweils die erste bis n-te Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) steuern, um jeweils Durchflussraten (Q1, Q2, Q2a, Q3, Qn) des Kathodengases zu steuern, das der ersten bis n-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) zuzuführen ist, wobei die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der n-ten Brennstoffzelle (4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) größer gleich der Anzahl an gestapelten Einzelzellen von jeweils der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) ist, die Steuereinheit (3) eingerichtet ist, zu umfassen: eine Bezugseinrichtung (3), die eingerichtet ist, in dem getrennten Zustand eine erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) von jeweiligen Leerlaufspannungen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) und eine Gesamtleerlaufspannung (Vt) der Brennstoffzelleneinheit (4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) zu beziehen; und einen Controller (3), der eingerichtet ist, jeweils die Durchflussraten (Q1, Q2) des Kathodengases, das der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) zuzuführen ist, auf die erste bis (n-1)-te hohe Durchflussrate (QH) zu steuern, sodass jeweils die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung (VI, V2, V3, V(n-1)) erhöht wird, wenn die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) jeweils kleiner gleich einem ersten bis (n-1)-ten unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) ist, und der eingerichtet ist, jeweils die Durchflussraten (Q1, Q2) des Kathodengases, das der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) zuzuführen ist, auf die erste bis (n-1)-te niedrige Durchflussrate (QL) zu steuern, die niedriger ist als eine erste bis (n-1)-te hohe Durchflussrate (QH), sodass jeweils die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung (VI, V2, V3, V(n-1)) gesenkt wird, wenn die erste bis (n-1)-te Leerlaufspannung (VI, V2, V3, V(n-1)) jeweils größer gleich einem ersten bis (n-1)-ten oberen Grenzwert (VH1, VH2) ist, der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate (Q2, Q2a, Q3, Qn) des Kathodengases, das den n-ten Brennstoffzellen (4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) zuzuführen ist, auf eine n-te hohe Durchflussrate (QH, QH2a) zu steuern, um die Gesamtleerlaufspannung (Vt) zu erhöhen, wenn die Gesamtleerlaufspannung (Vt) kleiner gleich einem n-ten unteren Grenzwert (VLt) ist, und eingerichtet ist, die Durchflussrate (Q2, Q2a, Q3, Qn) des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle (4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) zuzuführen ist, auf eine n-te niedrige Durchflussrate (QL, QL2a) zu steuern, um die Gesamtleerlaufspannung (Vt) zu senken, wenn die Gesamtleerlaufspannung (Vt) größer gleich einem n-ten oberen Grenzwert (VHt) ist, ein Wert, der erhalten wird, indem der n-te untere Grenzwert (VLt) durch die Gesamtanzahl an gestapelten Einzelzellen der Brennstoffzelleneinheit (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) geteilt wird, größer ist als jeder Wert, der erhalten wird, indem jeweils der erste bis (n-1)-te untere Grenzwert (VL1, VL2, VL3) durch die Anzahl der gestapelten Einzelzellen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzellen (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) geteilt wird.
  2. Brennstoffzellensystem (1, 1b) nach Anspruch 1, wobei der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate (Q2, Q2a, Q3, Qn) des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle (4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) zuzuführen ist, auf die n-te niedrige Durchflussrate (QL, QL2a) umzuschalten, wenn die Gesamtleerlaufspannung (Vt) zum ersten Mal ansteigt, seitdem die Umschaltvorrichtung (36) den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und bevor die Gesamtleerlaufspannung (Vt) den n-ten oberen Grenzwert (VHt) erreicht hat.
  3. Brennstoffzellensystem (1a, 1b) nach Anspruch 1, wobei der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate (Q1, Q2) des Kathodengases, das einer der ersten bis (n-1)ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) zuzuführen ist, auf eine entsprechende hohe Durchflussrate (QH) umzuschalten, wenn die Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) der einen von der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2,4-3, 4-(n-1)) zum ersten Mal sinkt, seitdem die Umschaltvorrichtung (36) den Zustand von dem verbundenen Zustand in den getrennten Zustand umgeschaltet hat, und bevor die Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) der einen der ersten bis (n-1)-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-3, 4-(n-1)) einen entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) erreicht.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate (Q2, Q2a, Q3, Qn) des Kathodengases, das der n-ten Brennstoffzelle (4-2, 4-2a, 4-3, 4-n) zuzuführen ist, auf die n-te hohe Durchflussrate (QH, QH2a) umzuschalten, wenn die Gesamtleerlaufspannung (Vt) kleiner gleich dem n-ten unteren Grenzwert (VLt) ist, und wenn mindestens eine der ersten bis (n-1)-ten Leerlaufspannungen (V1, V2, V3, V(n-1)) größer gleich einem vorgegebenen Wert zwischen einem entsprechenden oberen Grenzwert (VH1, VH2) und einem entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein erster Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem eine von der ersten bis (n-1)-ten Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) einen entsprechenden unteren Grenzwert erreicht, ein zweiter Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem eine von zwei der Leerlaufspannungen aus der ersten bis (n-1)-ten Leerlaufspannung (V1, V2, V3, V(n-1)) und der Gesamtleerlaufspannung (Vt) einen entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) erreicht, ein dritter Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem der andere der zwei von den Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) erreicht, T ein Zeitintervall zwischen dem ersten Zeitpunkt ist, U ein Zeitintervall zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt ist, welcher an den zweiten Zeitpunkt angrenzt und darauf folgt, in einem Fall, in dem (1/2n) > (U/T) erfüllt ist, der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate des Kathodengases, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, entsprechend der einen der zwei der Leerlaufspannungen auf eine entsprechende hohe Durchflussrate (QH) umzuschalten, wenn die eine der zwei der Leerlaufspannungen sinkt, bevor die eine der zwei der Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) erreicht, in einem Fall, in dem (U/T) > (3/2n) erfüllt ist, der Controller (3) eingerichtet ist, die Durchflussrate des Kathodengases, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, entsprechend der anderen der zwei der Leerlaufspannungen auf eine entsprechende hohe Durchflussrate (QL) umzuschalten, wenn die andere der zwei der Leerlaufspannungen sinkt, bevor die andere der zwei der Leerlaufspannungen einen entsprechenden unteren Grenzwert (VL1, VL2, VL3) erreicht.
  6. Brennstoffzellensystem (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Werte, die erhalten werden, indem jeweils die erste bis n-te niedrige Durchflussrate (QL) durch die Anzahl an gestapelten Einzelzellen der ersten bis n-ten Brennstoffzelle (4-1, 4-2, 4-2a, 4-3, 4-(n-1), 4-n) geteilt werden, gleich sind.
  7. Brennstoffzellensystem (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei n = 2 erfüllt ist.
  8. Brennstoffzellensystem (1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei n = 3 erfüllt ist.
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