DE102021132247A1

DE102021132247A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021132247A1
Application number: DE102021132247.2A
Authority: DE
Inventors: Hiromu Saito; Kazushi AKAMATSU
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-08-04
Also published as: JP2022117829A; CN114843571A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem ist mit einer Batterie, einer Vielzahl von mit der Batterie verbundenen Brennstoffzelleneinheiten und einer Steuervorrichtung ausgestattet, die das Verhalten der Brennstoffzelleneinheiten steuert. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, zur Durchführung von Startvorgängen zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten in der Lage zu sein. Die Startvorgänge umfassen einen ersten Vorgang zum Starten von einer oder einigen von den Brennstoffzelleneinheiten durch Verwendung einer von der Batterie zugeführten elektrischen Leistung und einen zweiten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder zumindest einer von den anderen Brennstoffzelleneinheiten nach einer Durchführung des ersten Vorgangs.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die in der vorliegenden Spezifikation offenbarte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
2. Stand der Technik
In der Druckschrift JP 2018 - 014 177 A ist ein Brennstoffzellensystem offenbart. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten und einer Steuervorrichtung ausgestattet, die das Verhalten der Brennstoffzelleneinheiten steuert. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Startvorgang zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten als Reaktion beispielsweise auf eine Anforderung von einem Benutzer durchzuführen.
ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
Um die Brennstoffzelleneinheiten zu starten, ist es notwendig, die Brennstoffzelleneinheiten mit einem Oxidationsgas (z.B. Sauerstoffgas enthaltende Luft) und einem Brennstoffgas (z.B. Wasserstoffgas) zu versorgen. Wenn die Brennstoffzelleneinheiten gestartet werden, wird daher eine bestimmte elektrische Leistung (die nachstehend in einigen Fällen als „elektrische Startleistung“ bezeichnet ist) benötigt, um eine Ausrüstung zur Zufuhr dieser Gase zu betreiben. Um diese elektrische Startleistung zuzuführen, kann das Brennstoffzellensystem ferner mit einer Batterie ausgestattet sein. In diesem Fall muss hinsichtlich eines gleichzeitigen Startens der Brennstoffzelleneinheiten jede der Brennstoffzelleneinheiten mit einer elektrischen Startleistung versorgt werden, sodass die Batterie eine große Menge einer elektrischen Leistung ausgeben muss. Falls sich jedoch die Batterie in einem bestimmten Zustand befindet, kann es unmöglich sein, die Brennstoffzelleneinheiten ausreichend mit einer elektrischen Startleistung zu versorgen. Falls beispielsweise die Temperatur der Batterie in einem sehr kalten Gebiet extrem gering ist (z.B. bei einer Temperatur von oder geringer als -20°C), kann die elektrische Leistung abfallen, die durch die Batterie ausgegeben werden kann. Wahlweise führt ein Abfallen des Ladezustands (SOC) der Batterie auch zu einem Abfallen der elektrischen Leistung, die durch die Batterie ausgegeben werden kann. Unter solchen bestimmten Bedingungen können die Brennstoffzelleneinheiten nicht ausreichend mit elektrischer Startleistung versorgt werden, und es kann unmöglich werden, die Brennstoffzelleneinheiten zu starten.
Hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Umstände stellt die vorliegende Spezifikation eine Erfindung für ein verlässliches Starten einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten bereit.
Die in der vorliegenden Spezifikation offenbarte Erfindung wird durch ein Brennstoffzellensystem umgesetzt. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit einer Batterie, einer Vielzahl von mit der Batterie verbundenen Brennstoffzelleneinheiten und einer Steuervorrichtung ausgestattet, die das Verhalten der Brennstoffzelleneinheiten steuert. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, zur Durchführung von Startvorgängen zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten in der Lage zu sein. Die Startvorgänge umfassen einen ersten Vorgang zum Starten von einer oder einigen der Brennstoffzelleneinheiten durch Verwendung einer von der Batterie zugeführten elektrischen Leistung und einen zweiten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder zumindest einer von den anderen Brennstoffzelleneinheiten nach der Durchführung des ersten Vorgangs.
Falls bei dem vorstehenden Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelleneinheiten gestartet werden, können die Startvorgänge mit dem ersten Vorgang und dem zweiten Vorgang durchgeführt werden. In dem ersten Vorgang wird/werden nur eine oder einige der Brennstoffzelleneinheiten durch die Verwendung der von der Batterie zugeführten elektrischen Leistung gestartet. Nachfolgend wird in dem zweiten Vorgang die andere Brennstoffzelleneinheit oder zumindest eine von den anderen Brennstoffzelleneinheiten gestartet. In dieser Weise kann durch ein selektives Starten von zumindest einigen der Brennstoffzelleneinheiten zu zueinander verschiedenen Zeitpunkten die durch die Batterie ausgegebene elektrische Startleistung deutlich verringert werden. Somit können die Brennstoffzelleneinheiten verlässlich gestartet werden. Gelegentlich kann eine oder einige von den Brennstoffzelleneinheiten nicht gestartet sein, falls der zweite Vorgang abgeschlossen ist. In diesem Fall können die Startvorgänge ferner einen dritten und einen vierten Vorgang zum Starten von zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten nach der Durchführung des zweiten Vorgangs umfassen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Bedeutung der exemplarischen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente bezeichnen, und wobei:

1 eine Darstellung zeigt, die die schematische Konfiguration eines FC-Systems 10 von einem der Ausführungsbeispiele veranschaulicht;
2 ein Ablaufdiagramm zeigt, das ein Beispiel von besonderen Startvorgängen veranschaulicht;
3 eine Darstellung zeigt, die einen Zustand von jeder von FC-Einheiten FCU in den besonderen Startvorgängen gemäß 2 veranschaulicht;
4 ein Ablaufdiagramm zeigt, das ein Abwandlungsbeispiel der besonderen Startvorgänge veranschaulicht; und
5 eine Darstellung zeigt, die einen Zustand von jeder der FCUs der FC-Einheit bei den besonderen Startvorgängen gemäß 4 veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung können die Startvorgänge unter einer bestimmten Bedingung durchgeführt werden. In diesem Fall kann die bestimmte Bedingung zumindest umfassen, dass eine atmosphärische Temperatur niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist. Auch falls die Temperatur der Batterie relativ gering ist und die elektrische Leistung abgefallen ist, die von der Batterie ausgegeben werden kann, können gemäß dieser Konfiguration die Brennstoffzelleneinheiten verlässlich gestartet werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Startvorgänge nicht notwendigerweise unter der bestimmten Bedingung durchgeführt werden müssen, sondern bei den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung unter jeder Bedingung durchgeführt werden können.
Die bestimmte Bedingung kann zusätzlich oder anstelle des Vorstehenden zumindest umfassen, dass ein SOC der Batterie niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Auch falls der SOC der Batterie relativ gering ist und die elektrische Leistung abgefallen ist, die von der Batterie ausgegeben werden kann, können gemäß dieser Konfiguration die Brennstoffzelleneinheiten verlässlich gestartet werden.
In einem anderen der Ausführungsbeispiele der Erfindung kann der zweite Vorgang ferner ein Starten von zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten durch die Verwendung der elektrischen Leistung umfassen, die durch die Brennstoffzelleneinheit oder die Brennstoffzelleneinheiten ausgegeben wird, die durch den ersten Vorgang gestartet sind. Gemäß dieser Konfiguration kann die Brennstoffzelleneinheit oder die Brennstoffzelleneinheiten in dem zweiten Vorgang gestartet werden, ohne die elektrische Leistung der Batterie zu verbrauchen oder während ein Verbrauch der elektrischen Leistung der Batterie gehemmt ist. Dementsprechend kann die elektrische Leistung, die von der Batterie zuzuführen ist, bei einem Starten der Brennstoffzelleneinheiten verringert werden. Daher können die Brennstoffzelleneinheiten verlässlich gestartet werden, auch falls beispielsweise die elektrische Leistung abgefallen ist, die von der Batterie ausgegeben werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nur eine der Brennstoffzelleneinheiten in dem ersten Vorgang gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration kann die von der Batterie zuzuführende elektrische Leistung bei einem Starten der Brennstoffzelleneinheiten weiter verringert sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können in dem zweiten Vorgang die andere Brennstoffzelleneinheit oder nur eine von den Brennstoffzelleneinheiten gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration kann die in dem zweiten Vorgang benötigte elektrische Startleistung verringert sein. Wahlweise können in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem zweiten Vorgang zwei oder mehr von den anderen Brennstoffzelleneinheiten gleichzeitig gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration kann die zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten benötigte Zeit verringert sein. Gelegentlich ist es nicht notwendig, dass alle Brennstoffzelleneinheiten gestartet sind, wenn der zweite Vorgang abgeschlossen ist. Die Startvorgänge können ferner einen weiteren Vorgang, der auf den zweiten Vorgang folgend durchgeführt wird, wie etwa einen nachstehend beschriebenen dritten Vorgang umfassen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Startvorgänge nach der Durchführung des zweiten Vorgangs ferner den dritten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder von zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten umfassen. Das heißt, die Brennstoffzelleneinheiten können durch drei oder mehr Vorgänge aufeinanderfolgend gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration kann die benötigte elektrische Startleistung durch ein Verringern der Anzahl von Brennstoffzellen verringert werden, die in jedem der Vorgänge gestartet werden. Falls jede der gestarteten Brennstoffzelleneinheiten für eine bestimmte Zeit für ein Aufwärmen betrieben wird, kann außerdem die als Reaktion auf einen Aufwärmbetrieb erzeugte elektrische Leistung überflüssig werden. Auch in dieser Hinsicht kann durch ein Verringern der Anzahl von gleichzeitig gestarteten Brennstoffzelleneinheiten die durch einen Aufwärmbetrieb erzeugte elektrische Leistung danach verringert werden, und die Erzeugung einer überflüssigen elektrischen Leistung kann vermieden oder gehemmt werden.
In einigen der vorstehenden Ausführungsbeispiele kann die Anzahl von in dem zweiten Vorgang gestarteten Brennstoffzelleneinheiten größer als die Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten sein, die in dem ersten Vorgang gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration kann die in dem ersten Vorgang benötigte elektrische Startleistung, und zwar die von der Batterie zuzuführende elektrische Leistung, verringert sein, und eine größere Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten kann in einer kurzen Zeit gestartet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können alle der anderen Brennstoffzelleneinheiten gleichzeitig im dem zweiten Vorgang gestartet werden. Gemäß dieser Konfiguration können alle der Brennstoffzelleneinheiten durch die Durchführung des ersten Vorgangs und des zweiten Vorgangs gestartet werden. Das heißt, die zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten benötigte Zeit kann verringert sein.
Ein Brennstoffzellensystem (nachstehend als das FC-System bezeichnet) 10 von einem der Ausführungsbeispiele ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Das FC-System 10 ist ein elektrisches Leistungserzeugungssystem, das in einem durch eine Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeug (z.B. einem Kraftfahrzeug, einem Bus, einem Lastwagen oder einem Zug) angebracht ist, eine stationäre Brennstoffzellenvorrichtung oder dergleichen zur Ausgabe einer elektrischer Leistung, die einer benötigten elektrischen Leistung entspricht. Gelegentlich kann das FC-System 10 in verschiedenen anderen mobilen Gegenständen (z.B. Schiffen und Flugzeugen) als dem Fahrzeug angebracht sein.
Gemäß 1 ist das FC-System 10 mit einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (nachstehend als die FC-Einheiten) FCU ausgestattet. Es ist hierbei zu beachten, dass zum Zwecke einer einfacheren Erklärung die Anzahl von FC-Einheiten FCU, mit denen das FC-System 10 ausgestattet ist, N ist (N ist eine Ganzzahl größer als oder gleich 2). Das heißt, die FC-Einheiten FCU umfassen die erste bis N-te FC-Einheit FCU1 bis FCUN. Gelegentlich ist die Anzahl (d.h. N) von FC-Einheiten FCU, mit denen das FC-System 10 ausgestattet ist, nicht besonders begrenzt, und kann in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung geeignet geändert sein, die von dem FC-System 10 benötigt ist.
Gemäß 1 ist das FC-System 10 ferner mit einer Systemsteuervorrichtung 12 und einer Batterie 14 ausgestattet. Die Systemsteuervorrichtung 12 ist eine Steuervorrichtung, die das Verhalten der FC-Einheiten FCU und der Batterie 14 steuert. Die Batterie 14 ist beispielsweise eine Lithiumionen-Batterie oder eine Nickel-Hydrid-Batterie, und umfasst eine Vielzahl von Sekundärbatterien. Die Systemsteuervorrichtung 12 ist mit jeder der FC-Einheiten FCU in einer solchen Weise verbunden, dass eine Kommunikation ermöglicht ist, und sie das Verhalten von jeder der FC-Einheiten FCU gemäß der vorstehenden Beschreibung steuert. Im Übrigen ist die Systemsteuervorrichtung 12 in einer solchen Weise mit der Batterie 14 verbunden, dass eine Kommunikation ermöglicht ist, und sie das Verhalten der Batterie 14 gemäß der vorstehenden Beschreibung steuert. Die Batterie 14 ist mit jeder der FC-Einheiten FCU elektrisch verbunden und ist dazu eingerichtet, zur Versorgung von jeder der FC-Einheiten FCU mit elektrischer Leistung in der Lage zu sein. Gelegentlich kann in diesem Fall zwischen der Batterie 14 und jeder der FC-Einheiten FCU bei Bedarf ein Umwandler bereitgestellt sein, der eine elektrische Leistung herauf- oder herunterstuft.
Gemäß 1 ist jede der FC-Einheiten FCU mit einer Brennstoffzellensteuervorrichtung (nachstehend als die Steuervorrichtung der FC-Einheit, bzw. „FC-Einheitensteuervorrichtung“ bezeichnet) 16, einem Brennstoffzellenstapel (nachstehend als der FC-Stapel bezeichnet), einem Kompressor 20 und einem Wasserstoffzufuhrventil 22 ausgestattet. Die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 ist mit der Systemsteuervorrichtung 12 in einer solchen Weise verbunden, dass eine Kommunikation ermöglicht ist und sie das Verhalten des FC-Stapels 18, des Kompressors 20 und des Wasserstoffzufuhrventils 22 auf der Grundlage von Anweisungen von der Systemsteuervorrichtung 12 steuert. In dieser Weise wird das Verhalten von jeder der FC-Einheiten FCU durch die entsprechende der FC-Einheitensteuervorrichtungen 16 gesteuert. Im Übrigen braucht nicht jede der FC-Einheiten FCU unbedingt die entsprechende der FC-Einheitensteuervorrichtungen 16. Beispielsweise kann die Systemsteuervorrichtung 12 direkt jeweilige Komponenten von jeder der FC-Einheiten FCU steuern, ohne dass die entsprechende der FC-Einheitensteuervorrichtungen 16 dazwischengeschaltet ist.
Der FC-Stapel 18 ist beispielsweise eine Polyelektrolyt-Brennstoffzelle, und ist derart strukturiert, dass er eine Vielzahl von laminierten einzelnen Zellen aufweist. Gemäß der vorstehenden Beschreibung steuert die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 das Verhalten des FC-Stapels 18 auf der Grundlage von Anweisungen von der Systemsteuervorrichtung 12. Beispielsweise steuert die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 den Beginn oder das Ende einer elektrischen Leistungserzeugung durch den FC-Stapel 18. Obwohl das Nachstehende nichts anderes als ein Beispiel ist, kann die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 das Verhalten des FC-Stapels 18 in jeder der FC-Einheiten FCU überwachen.
Der Kompressor 20 komprimiert die von außen angesaugte Luft, und versorgt den FC-Stapel 18 damit. Andererseits ist das Wasserstoffzufuhrventil 22 zwischen einem mit dem FC-System 10 verbundenen Wasserstofftank 24 und dem FC-Stapel 18 bereitgestellt. Gemäß der vorstehenden Beschreibung steuert die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 das Verhalten des Kompressors 20 und des Wasserstoffzufuhrventils 22 auf der Grundlage von Anweisungen von der Systemsteuervorrichtung 12. Beispielsweise steuert die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 den Kompressor 20, und versorgt den FC-Stapel 18 mit der Sauerstoffgas enthaltenden Luft. Aus demselben Grund steuert die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 das Wasserstoffzufuhrventil 22, und stellt die Menge eines von dem Wasserstofftank 24 an den FC-Stapel 18 zugeführten Wasserstoffgases ein. Die für ein solches Verhalten des Kompressors 20 und des Wasserstoffzufuhrventils 22 benötigte elektrische Leistung kann von der Batterie 14 zugeführt werden, oder kann von der betreffenden FC-Einheit FCU oder zumindest einer anderen der FC-Einheiten FCU zugeführt werden. Die Luft und das Wasserstoffgas, für die/das eine Erzeugung einer elektrischen Leistung in dem FC-Stapel 18 beendet ist, werden von dem FC-Stapel 18 zu der Außenseite hin abgegeben. In diesem Fall kann das von dem FC-Stapel 18 nach außen hin abgegebene Gas ein unreagiertes Wasserstoffgas enthalten. Daher kann jede der FC-Einheiten FCU ferner mit einem (nicht gezeigten) Zirkulationspfad ausgestattet sein, der es einem unreagierten Wasserstoffgas ermöglicht, zu dem FC-Stapel 18 zu zirkulieren. Im Übrigen ist der Kompressor 20 ein Beispiel einer Ausrüstung zur Versorgung von jeder der FC-Einheiten FCU mit Luft. Außerdem ist ein Wasserstoffgas ein Beispiel eines Kraftstoffgases, und Luft ist ein Beispiel eines Oxidationsgases. Obwohl das Nachstehende nicht besonders begrenzt ist, kann das FC-System 10 ferner mit einem (nicht gezeigten) Kühlsystem ausgestattet sein, das jede der FC-Einheiten FCU durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch diese kühlt.
Nachstehend ist das Verhalten hinsichtlich des Startens des FC-Systems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben. Das FC-System 10 wird durch die Systemsteuervorrichtung 12 und jeweils die in den FC-Einheiten FCU bereitgestellten FC-Einheitensteuervorrichtungen 16 gestartet. Im Allgemeinen gibt die Systemsteuervorrichtung 12 gleichzeitig eine Startanweisung an die jeweiligen FC-Einheiten FCU aus, sodass alle der FC-Einheiten FCU gleichzeitig starten. Gleichzeitig wird von der Batterie 14 die zum Starten der jeweiligen FC-Einheiten FCU benötigte elektrische Startleistung zugeführt. Falls jedoch die Batterie 14 sich in einem bestimmten Zustand befindet, kann es unmöglich sein, die FC-Einheiten FCU ausreichend mit elektrischer Startleistung zu versorgen. Falls beispielsweise die Temperatur der Batterie 14 in einem sehr kalten Gebiet (z.B. bei einer Temperatur kleiner als oder gleich zu -20°C) extrem gering ist, kann die elektrische Leistung abfallen, die von der Batterie 14 ausgeben werden kann. Wahlweise kann ein Abfallen des SOC der Batterie 14 auch zu einem Abfallen der elektrischen Leistung führen, die von der Batterie 14 ausgegeben werden kann. Unter einer solchen bestimmten Bedingung können die FC-Einheiten FCU nicht ausreichend mit elektrischer Startleistung versorgt werden, sodass es unmöglich werden kann, die FC-Einheiten FCU zu starten.
Was das Vorangegangene betrifft, ist das FC-System 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dazu eingerichtet, besondere Startvorgänge durchzuführen, die nachstehend beschrieben sind, falls die FC-Einheiten FCU unter einer bestimmten Bedingung gestartet werden müssen. Die hierbei erwähnte bestimmte Bedingung kann beispielsweise umfassen, dass die atmosphärische Temperatur des Brennstoffzellensystems 10 geringer als eine vorbestimmte Temperatur ist. Zusätzlich oder anstelle dessen kann die bestimmte Bedingung umfassen, dass der SOC der Batterie 14 niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Die bestimmte Bedingung ist nicht auf das Vorstehende begrenzt. Verschiedene Bedingungen, die zu einem Abfallen der elektrischen Leistung führen können, die von der Batterie 14 ausgegeben werden kann, können als die bestimmte Bedingung eingestellt sein. Es ist jedoch zu beachten, dass die Startvorgänge nicht notwendigerweise unter der bestimmten Bedingung durchgeführt werden müssen, sondern unter jeder Bedingung in den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung durchgeführt werden können. Diese besonderen Startvorgänge sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Bei Erfassen einer Startbeeinflussung (JA in Schritt S10), schaltet gemäß 2 die Systemsteuervorrichtung 12 zu der Verarbeitung, die von einem Schritt S12 beginnt (zu einem Zeitpunkt T0 gemäß 3). Es ist hierbei zu beachten, dass eine Startbeeinflussung beispielsweise bedeutet, dass ein Benutzer einen Hauptschalter des FC-Systems 10 anschaltet. Falls andererseits keine Startbeeinflussung erfasst wird (NEIN in Schritt S10), kehrt die Systemsteuervorrichtung 12 zu Schritt S10 zurück. Das heißt, falls keine Startbeeinflussung erfasst ist, wiederholt die Systemsteuervorrichtung 12 die Verarbeitung von Schritt S10.
Zunächst stellt in Schritt S12 die Systemsteuervorrichtung 12 „1“ als einen Parameter n ein. Der Parameter n gibt die zu startende FC-Einheit FCU an und bedeutet, dass die n-te FC-Einheit FCUn in der nachfolgenden Verarbeitung der Schritte S14 bis S18 gestartet wird. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als der Parameter n zunächst „1“ eingestellt ist, wird zunächst nur die erste FC-Einheit FCU1 gestartet.
In Schritt S14 gibt die Systemsteuervorrichtung 12 eine Startanweisung an die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 der ersten FC-Einheit FCU1 aus (zu einem Zeitpunkt T1 gemäß 3). Die FC-Einheitensteuervorrichtung 16, die die Startanweisung empfangen hat, startet eine Verarbeitung zum Starten der ersten FC-Einheit FCU1. Der Kompressor 20 beginnt, aktiviert zu sein, komprimiert die von außen angesaugte Luft und versorgt damit den FC-Stapel 18. Zu dieser Zeit wird auch das Wasserstoffzufuhrventil 22 gesteuert, um die Menge von an dem FC-Stapel 18 zugeführtem Wasserstoffgas einzustellen. Somit wird in der ersten FC-Einheit FCU1 die Erzeugung einer elektrischen Leistung durch die Verwendung einer von dem Kompressor 20 zugeführten Luft und des von dem Wasserstofftank 24 zugeführten Wasserstoffgases gestartet. Das heißt, die erste FC-Einheit FCU1 wird gestartet. In der Verarbeitung von Schritt S14 werden die jeweiligen Komponenten der ersten FC-Einheit FCU1 wie etwa der Kompressor 20 mit elektrischer Leistung von der Batterie 14 versorgt. Das heißt, die elektrische Leistung für ein Starten der ersten FC-Einheit FCU1 wird von der Batterie 14 zugeführt.
In Schritt S16 wird in der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 ein schneller Aufwärmbetrieb (bzw. schneller Aufwärmvorgang) durchgeführt. Ein schneller Aufwärmbetrieb ist ein Beispiel eines Aufwärmbetriebs zum Aufwärmen des Niedrigtemperatur-FC-Stapels 18 unmittelbar nach dessen Start. Im Allgemeinen wird bei dem Aufwärmbetrieb des FC-Stapels 18 eine elektrische Leistung mit einer niedrigeren Effizienz einer elektrischen Leistungserzeugung als zu der Zeit einer normalen elektrischen Leistungserzeugung erzeugt, und die Temperatur des FC-Stapels 18 wird durch die Verwendung der als Reaktion auf einen Verlust einer elektrischen Leistungserzeugung erzeugten Wärme angehoben. Im Gegensatz dazu ist bei einem schnellen Aufwärmbetrieb beispielsweise die Menge einer zu dem FC-Stapel 18 zugeführten Luft ferner begrenzt, und der Verlust einer elektrischen Leistungserzeugung in dem FC-Stapel 18 erhöht sich, um dadurch die Temperatur des FC-Stapels 18 in einer kürzeren Zeit anzuheben.
Falls in Schritt S18 der schnelle Aufwärmbetrieb der ersten FC-Einheit FCU1 abgeschlossen ist, wird von der FC-Einheitensteuervorrichtung 16 ein Abschlusssignal an die Systemsteuervorrichtung 12 übermittelt. Im Übrigen kann der schnelle Aufwärmbetrieb nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit abgeschlossen werden, oder kann auf der Grundlage einer gemessenen Temperatur des FC-Stapels 18 abgeschlossen werden. Beispielsweise kann die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 die Temperatur des FC-Stapels 18 während des schnellen Aufwärmbetriebs überwachen, und kann bestimmen, dass der schnelle Aufwärmbetrieb abgeschlossen ist, falls die Temperatur größer oder gleich einem Schwellwert wird.
In Schritt S20 bestimmt die Systemsteuervorrichtung 12, die das Abschlusssignal empfangen hat, ob der eingestellte Wert des Parameters n „N“ ist oder nicht. Falls der eingestellte Wert des Parameters n nicht „N“ ist, schreitet die Systemsteuervorrichtung 12 zu der Verarbeitung von Schritt S22 fort, und stellt „n + 1“ als den Parameter n ein. Es ist hierbei zu beachten, dass, da als der Parameter n „1“ eingestellt wurde, „2“ als der Parameter n neu eingestellt wird. Nachfolgend kehrt die Systemsteuervorrichtung 12 zu der Verarbeitung von Schritt S14 zurück, und gibt an die zweite FC-Einheit FCU2 (zu einem Zeitpunkt T2 gemäß 3) eine Startanweisung aus. Somit wird die zweite FC-Einheit FCU2 gestartet, und in der gestarteten zweiten FC-Einheit FCU2 wird ein schneller Aufwärmbetrieb durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die elektrische Leistung zum Starten der zweiten FC-Einheit FCU2 von der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 zugeführt, wie durch den Pfeil gemäß 3 schematisch angedeutet ist. Im Übrigen kann die elektrische Leistung zum Starten der zweiten FC-Einheit FCU2 zusätzlich oder anstelle der ersten FC-Einheit FCU1 von der Batterie 14 zugeführt werden. Nachfolgend wird der vorstehend genannte Vorgang (zu T3, ... TN gemäß 3) wiederholt, bis das Starten und ein schneller Aufwärmbetrieb der N-ten FC-Einheit FCUN abgeschlossen sind, und zwar, bis das Ergebnis der Bestimmung in der Verarbeitung von Schritt S20 JA wird. Zu dieser Zeit wird die elektrische Leistung für ein Starten der dritten FC-Einheit FCU3 von der gestarteten zweiten FC-Einheit FCU2 zugeführt, wie schematisch durch einen anderen Pfeil gemäß 3 angedeutet ist. Im Übrigen kann die elektrische Leistung für ein Starten der dritten FC-Einheit FCU3 anstelle von oder zusätzlich zu der zweiten FC-Einheit FCU2 von zumindest einer von der Batterie 14 und der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 zugeführt werden. Das heißt, die elektrische Leistung zum Starten der N-ten FC-Einheit FCUN kann von der Batterie 14 zugeführt werden, oder ein Teil oder das gesamte der elektrischen Leistung kann von zumindest einer der gestarteten anderen FC-Einheiten FCU zugeführt werden. Somit wird das Starten von allen der FC-Einheiten FCU zu einem Zeitpunkt TF gemäß 3 abgeschlossen.
Gemäß 3 wird entsprechend der vorgenannten Serie von Startvorgängen zunächst als der erste Vorgang (zu dem Zeitpunkt T1) nur die erste FC-Einheit FCU1 gestartet. Nachfolgend wird als der zweite Vorgang (zu dem Zeitpunkt T2) nur die zweite FC-Einheit FCU2 gestartet. Danach werden auch (zu den Zeitpunkten T3, ..., TN) ähnliche Vorgänge wiederholt, sodass die FC-Einheiten FCU eine nach der anderen aufeinanderfolgend gestartet werden. Wie bisher beschrieben, umfassen die Startvorgänge zumindest den ersten Vorgang und den zweiten Vorgang, und die Anzahl von gleichzeitig gestarteten FC-Einheiten FCU können begrenzt werden, indem selektiv zumindest einige der FC-Einheiten FCU zu gegenseitig verschiedenen Zeitpunkten gestartet werden. Daher kann die von der Batterie 14 auszugebende elektrische Startleistung deutlich verringert sein. Auch falls die Temperatur der Batterie 14 extrem gering ist und die elektrische Leistung abgefallen ist, die von der Batterie 14 ausgegeben werden kann, können beispielsweise die FC-Einheiten FCU verlässlich gestartet werden. Im Übrigen ist es nicht unbedingt notwendig, dass die FC-Einheiten FCU eine nach der anderen aufeinanderfolgend gestartet werden. Als ein anderes der Ausführungsbeispiele können zwei oder mehr der FC-Einheiten FCU gleichzeitig gestartet werden.
Falls in dem FC-System des gegenwärtigen Ausführungsbeispiels jede der FC-Einheiten FCU gestartet wird, wird als ein Teil des Verhaltens hinsichtlich von deren Start ein schneller Aufwärmbetrieb durchgeführt. Bei dem schnellen Aufwärmbetrieb (oder dem Aufwärmbetrieb) wird in dem FC-Stapel 18 eine elektrische Leistung erzeugt. Falls daher viele der FC-Einheiten FCU gleichzeitig gestartet werden, kann eine relativ große Menge von elektrischer Leistung durch einen schnellen Aufwärmbetrieb umsonst erzeugt werden. Auch in dieser Hinsicht kann die Erzeugung einer durch einen schnellen Aufwärmbetrieb verursachten überflüssigen elektrischen Leistung durch ein selektives Starten von zumindest einigen der FC-Einheiten FCU zu gegenseitig verschiedenen Zeitpunkten und somit durch eine Begrenzung der Anzahl von gleichzeitig gestarteten FC-Einheiten FCU vermieden werden.
Falls zusätzlich die durch einen schnellen Aufwärmbetrieb der zuerst gestarteten FC-Einheit FCU erzeugte elektrische Leistung als die elektrische Leistung für ein Starten der nachfolgend gestarteten FC-Einheit FCU zugeführt wird, kann die von der Batterie 14 auszugebende elektrische Startleistung weiter verringert sein. Nach dem Starten von zumindest einer der FC-Einheiten FCU kann in diesem Fall die Systemsteuervorrichtung 12 an die nächste FC-Einheit FCU vor dem Abschluss eines Aufwärmbetriebs der zumindest einen der FC-Einheiten FCU (d.h. vor dem Schritt S18 gemäß 2) eine Startanweisung ausgeben.
Nachstehend ist ein Abwandlungsbeispiel der besonderen Startvorgänge unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. Bei diesem Abwandlungsbeispiel umfassen die Startvorgänge den ersten Vorgang und den zweiten Vorgang. Die erste FC-Einheit FCU1 wird in dem ersten Vorgang gestartet, und die zweite bis N-te FC-Einheit FCU2 bis FCUN werden in dem zweiten Vorgang gleichzeitig gestartet. Dementsprechend sind die Schritte S24 bis S30 gemäß 4 zu dem vorgenannten ersten Vorgang und zwar den Schritten S10 bis S18 in dem Fall identisch, dass n in Schritt S12 gemäß 2 auf „1“ eingestellt wird.
Bei Erfassung einer Startbeeinflussung (JA in Schritt S24), schaltet gemäß 4 die Systemsteuervorrichtung 12 (zu einem Zeitpunkt T0 gemäß 5) zu der Verarbeitung, die von Schritt S26 startet. Falls andererseits keine Startbeeinflussung erfasst wird, kehrt die Systemsteuervorrichtung 12 zu Schritt S24 zurück, und wiederholt die Verarbeitung von Schritt S24 bis eine Startbeeinflussung erfasst wird. In Schritt S26 gibt die Systemsteuervorrichtung 12 an die FC-Einheitensteuervorrichtung 16 der ersten FC-Einheit FCU1 (zu einem Zeitpunkt T1 gemäß 5) eine Startanweisung aus. Die FC-Einheitensteuervorrichtung 16, die die Startanweisung empfangen hat, startet einen Vorgang zum Starten der ersten FC-Einheit FCU1. In der Verarbeitung von Schritt S26 wird die elektrische Leistung zum Starten der ersten FC-Einheit FCU1 von der Batterie 14 zugeführt. In Schritt S28 wird ein schneller Aufwärmbetrieb in der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 durchgeführt. Falls ein schneller Aufwärmbetrieb der ersten FC-Einheit FCU1 abgeschlossen ist, wird in Schritt S30 von der FC-Einheitensteuervorrichtung 16 ein Abschlusssignal an die Systemsteuervorrichtung 12 übermittelt.
Nachfolgend gibt die Systemsteuervorrichtung 12 in Schritt S32 (zu einem Zeitpunkt T2 gemäß 5) an die jeweiligen FC-Einheitensteuervorrichtungen 16 der zweiten bis N-ten FC-Einheit FCU2 bis FCUN gleichzeitig eine Startanweisung aus. Die jeweiligen FC-Einheitensteuervorrichtungen 16, die die Startanweisung empfangen haben, starten gleichzeitig den Vorgang zum Starten der zweiten bis N-ten FC-Einheit FCU2 bis FCUN. In der Verarbeitung von Schritt S32 wird die elektrische Leistung zum Starten von jeder der zu startenden FC-Einheiten FCU von der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 zugeführt, wie schematisch durch einen Pfeil in 5 gezeigt ist. Im Übrigen kann ein Teil der elektrischen Leistung zum Starten von jeder der FC-Einheiten FCU von der Batterie 14 anstelle von der ersten FC-Einheit FCU1 zugeführt werden.
In Schritt S34 wird in der gestarteten zweiten bis N-ten FC-Einheit FCU2 bis FCUN ein schneller Aufwärmbetrieb durchgeführt. Falls der schnelle Aufwärmbetrieb der zweiten bis N-ten FC-Einheit FCU2 bis FCUN abgeschlossen ist, wird in Schritt S36 von jeder der FC-Einheitensteuervorrichtungen 16 ein Abschlusssignal an die Systemsteuervorrichtung 12 übermittelt. Somit ist zu einem Zeitpunkt TF gemäß 5 das Starten von allen FC-Einheiten FCU abgeschlossen.
Gemäß der vorstehenden Serie von Startvorgängen wird als der erste Vorgang (zu dem Zeitpunkt T1) gemäß 5 zuerst nur die erste FC-Einheit FCU1 gestartet. Darauffolgend wird als der zweite Vorgang (zu dem Zeitpunkt T2) die zweite bis N-te FC-Einheit FCU2 bis FCUN gestartet. Das heißt, in dem zweiten Vorgang werden alle der anderen FC-Einheiten FCU gestartet, die in dem ersten Vorgang nicht gestartet wurden. Dementsprechend kann durch Annehmen dieser Konfiguration die Zeit verringert werden, die zum Starten aller der in dem FC-System 10 umfassten FC-Einheiten FCU benötigt ist. Außerdem kann bei dieser Konfiguration die elektrische Leistung zum Starten von jeder der in dem zweiten Vorgang zu startenden FC-Einheiten FCU von der gestarteten ersten FC-Einheit FCU1 zu jeder der FC-Einheiten FCU zugeführt werden. Auch in dem Fall, dass beispielsweise die elektrische Leistung abgefallen ist, die von der Batterie 14 ausgegeben werden kann, können daher die FC-Einheiten FCU verlässlich gestartet werden.
Übrigens ist es nicht unbedingt erforderlich, dass in dem ersten Vorgang nur eine der FC-Einheiten FCU gestartet wird. Als noch ein weiteres Ausführungsbeispiel kann der erste Vorgang dazu entworfen sein, zwei oder mehr der FC-Einheiten FCU simultan zu starten. Außerdem ist es in dem zweiten Vorgang nicht unbedingt erforderlich, dass alle von der zweiten bis N-ten FC-Einheit FCU2 bis FCUN simultan gestartet werden. Als noch ein weiteres Ausführungsbeispiel kann der zweite Vorgang dazu entworfen sein, zumindest zwei der FC-Einheiten FCU simultan zu starten. Auch in diesen Fällen kann die Anzahl von in dem zweiten Vorgang gestarteten FC-Einheiten FCU größer als die Anzahl von in dem ersten Vorgang gestarteten FC-Einheiten FCU sein, obwohl die Erfindung nicht hierauf besonders begrenzt ist. Darüber hinaus kann die Systemsteuervorrichtung 12 ferner nachfolgend auf den zweiten Vorgang einen oder eine Vielzahl von Vorgängen zum Starten von zumindest einer nicht gestarteten FC-Einheit FCU durchführen.
Obwohl einige konkrete Beispiele vorstehend ausführlich beschrieben sind, sind diese nicht mehr als Veranschaulichungen, und sind nicht dazu beabsichtigt, die Patentansprüche zu begrenzen. Die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung umfasst verschiedene Abwandlungen und Änderungen der vorstehend ausgeführten konkreten Beispiele. Die in der vorliegenden Spezifikation oder in der Zeichnung beschriebenen technischen Bauelemente weisen entweder alleine oder in Kombinationen miteinander technischen Nutzen auf.
Ein Brennstoffzellensystem ist mit einer Batterie, einer Vielzahl von mit der Batterie verbundenen Brennstoffzelleneinheiten und einer Steuervorrichtung ausgestattet, die das Verhalten der Brennstoffzelleneinheiten steuert. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, zur Durchführung von Startvorgängen zum Starten der Brennstoffzelleneinheiten in der Lage zu sein. Die Startvorgänge umfassen einen ersten Vorgang zum Starten von einer oder einigen von den Brennstoffzelleneinheiten durch Verwendung einer von der Batterie zugeführten elektrischen Leistung und einen zweiten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder zumindest einer von den anderen Brennstoffzelleneinheiten nach einer Durchführung des ersten Vorgangs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018014177 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer Batterie; einer Vielzahl von mit der Batterie verbundenen Brennstoffzelleneinheiten; und einer Steuervorrichtung, die ein Verhalten der Brennstoffzelleneinheiten steuert, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, zur Durchführung von Startvorgängen zum Starten der Brennstoffzellen in der Lage zu sein, und die Startvorgänge einen ersten Vorgang zum Starten von einer oder einigen der Brennstoffzelleneinheiten durch eine Verwendung einer von der Batterie zugeführten elektrischen Leistung und einen zweiten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder zumindest einer von den anderen Brennstoffzelleneinheiten nach einer Durchführung des ersten Vorgangs umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Startvorgänge unter einer bestimmten Bedingung durchgeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die bestimmte Bedingung zumindest umfasst, dass eine atmosphärische Temperatur niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die bestimmte Bedingung zumindest umfasst, dass ein SOC der Batterie niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Vorgang ferner ein Starten der zumindest einen von den Brennstoffzelleneinheiten durch eine Verwendung einer elektrischen Leistung umfasst, die durch die Brennstoffzelleneinheit oder die Brennstoffzelleneinheiten ausgegeben wird, die durch den ersten Vorgang gestartet wurden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem ersten Vorgang nur eine von den Brennstoffzelleneinheiten gestartet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem zweiten Vorgang die andere Brennstoffzelleneinheit oder nur eine von den anderen Brennstoffzelleneinheiten gestartet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem zweiten Vorgang zwei oder mehr von den anderen Brennstoffzelleneinheiten simultan gestartet werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Startvorgänge ferner einen dritten Vorgang zum Starten der anderen Brennstoffzelleneinheit oder von zumindest einer von den Brennstoffzelleneinheiten nach einer Durchführung des zweiten Vorgangs umfassen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Anzahl der in dem zweiten Vorgang gestarteten Brennstoffzelleneinheiten größer als die Anzahl der in dem ersten Vorgang gestarteten Brennstoffzelleneinheiten ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in dem zweiten Vorgang alle von den anderen Brennstoffzelleneinheiten simultan gestartet werden.