DE10354021A1

DE10354021A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10354021A1
Application number: DE10354021A
Authority: DE
Inventors: Tomonori Kariya Imamura; Akimasa Kariya Osaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: JP4904661B2; US20040101724A1; US7604884B2; DE10354021B4; JP2004186137A

Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) erzeugt elektrische Energie, basierend auf einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgasen. Eine Gaszufuhr-Stoppvorrichtung (22, 23, 32) stoppt die Zufuhr der Reaktionsgase in die Brennstoffzelle (10). Zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) beendet wird, fährt die Brennstoffzelle (10) damit fort, Energie für eine Weile zu erzeugen, und zwar bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr von einem der Reaktionsgase durch die Gaszufuhr-Stoppvorrichtung (22, 23, 32) gestoppt ist. Bei diesem Betrieb wird restliches Reaktionsgas in der Brennstoffzelle (10) gleichmäßig verbraucht, während die Brennstoffzelle (10) mit der Energieerzeugung fortfährt, nachdem die Zufuhr von einem Reaktionsgas gestoppt wurde. Das elektrische Potential einer Kathodenelektrode fällt prompt ab. Eine Verschlechterung der Kathodenelektrode wird dadurch in sicherer Weise verhindert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle enthält, die dafür ausgebildet ist, um elektrische Energie basierend auf einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Die Erfindung ist effektiv bei Automobilen, Schiffen, tragbaren Leistungsgeneratoren und anderen mobilen Vorrichtungen anwendbar.
Wenn der Betrieb eines Brennstoffzellensystems gestoppt wird, ohne den Wasserstoff oder den Sauerstoff auszuspülen, der in einer Brennstoffzelle zurückbleibt, steigt das elektrische Potential einer Kathode an. Dies reduziert die Kohlenstoffoxidationsreaktion und demzufolge wird die Kathodenelektrode gelöscht und verschlechtert sich. Ferner kann Reaktionsgas, welches in einer Brennstoffzelle zurückbleibt, über eine Elektrolytmembran zu einer gegenüberliegenden Elektrode durchlecken. Diese sogenannte Kreuzleck-Erscheinung, die eine anormale Wärmeerzeugung induziert, kann daher einen Katalysator zerstören. Um diesen Nachteil zu umgehen, ist es allgemeine Praxis den Wasserstoff oder den Sauerstoff, der in der Brennstoffzelle zurückbleibt, auszuspülen, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt wird.

Ferner ist es in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem, welches an einem Kraftfahrzeug installiert ist, herkömmlich bekannt, daß ein Entladungswiderstand verwendet wird, um die elektrische Energie der Brennstoffzelle zu verbrauchen, wenn ein Schlüsselschalter von einer EIN-Position in eine AUS-Position geschaltet wird und demzufolge der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt wird, wobei das Brennstoffzellensystem damit fortfahren kann Energie zu erzeugen, um wenigstens eine der Stoffe gemäß dem Wasserstoff oder dem Sauerstoff zu entfernen. (Siehe beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-345114 entsprechend der US Patentanmeldungsveröffentlichungsnummer US 2001/0055705 A1).

Jedoch erfordert das Spülsystem im allgemeinen das Vorsehen eines inaktiven Gastanks für das Spülmittel und demzufolge kann dieses nicht effektiv für mobile Fahrzeuge verwendet werden und zwar aufgrund der Schwierigkeit bei der Installation.

Gemäß dem Brennstoffzellensystem, welches in der oben angesprochenen japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2001-345114 offenbart ist, wäre es möglich, zu verhindern, daß sich die Kathodenelektrode verschlechtert, wenn der Schlüsselschalter bzw. Zündschalter in die AUS-Position geschaltet wird. Jedoch ist die Zufuhr von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle zu einem Elektromotor, der als eine Fahrzeugantriebsquelle dient, unnötig, wenn ein Reisefahrzeug verzögert oder wenn das Fahrzeug angehalten wird, um auf ein Verkehrssignal zu warten. In solchen Fällen erreicht der Spannungspegel der Brennstoffzelle nahezu ein offenes elektrisches Potential. Dies fördert jedoch die Verschlechterung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Hinblick auf die dem Stand der Technik anhaftenden oben beschriebenen Probleme ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu verhindern, daß sich die Kathodenelektrode verschlechtert bzw. eine solche Verschlechterung zu unterdrükken und zwar aufgrund eines nachteiligen Einflusses, der sich aus dem Reaktionsgas ergibt, welches in der Brennstoffzelle zurückbleibt, wenn die Energieerzeugung angehalten wird.

Ferner ist es ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, das sogenannte Kreuzleckphänomen zu diagnostizieren, gemäß welchem das Reaktionsgas über die Elektrolytmembran zu einer gegenüberliegenden Elektrode hindurchleckt.

Um die oben genannte Aufgabe und andere damit in Verbindung stehende Ziele zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines oxidierenden Gases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, mit einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung zum Anhalten der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, und elektrisch angetriebene Zusatzeinrichtungen, die den Betrieb der Brennstoffzelle betreffen. Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird zu einem Zeitpunkt, bei dem die Energieerzeugung der Brennstoffzelle beendet wird, die durch die Brennstoffzelle erzeugte Energie in den Zubehöreinrichtungen verbraucht und zwar unter einer Bedingung oder Zustand, daß die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung gestoppt wird.

Gemäß dieser Anordnung verbrauchen selbst dann, wenn eine Sekundärzelle sich in einem vollgeladenen Zustand befindet, die Zusatzeinrichtungen elektrische Energie. Es wird somit möglich, das restliche Reaktionsgas zu verbrauchen, welches in der Brennstoffzelle verbleibt. Als ein Ergebnis wird es möglich zu verhindern, daß sich die Elektrodenkathode verschlechtert bzw. die Verschlechterung der Kathodenelektrode zu unterdrücken.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle enthält, die eine Vielzahl von Zellen oder Zellengruppen aufweist, um elektrische Energie basierend auf einer chemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, zu erzeugen, mit einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung zum Stoppen der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, und mit einer Speichereinrichtung für elektrische Energie zum Speichern der elektrischen Energie. Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle beendet wird, die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle unter einer Bedingung bzw. Zustand ausgeführt, bei dem bzw. bei der die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung gestoppt wird. Die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert. Und es wird auch der Speichervorgang der elektrischen Energie, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gestoppt, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung aufweist, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.

Nebenbei bemerkt muß die Energieerzeugung nicht gestoppt werden und zwar selbst dann nicht, wenn der Spannungspegel von einer oder von einigen Zellen unter einen vorbestimmten Spannungswert abfällt. In diesem Fall fahren die energieerzeugungsfähigen Zellen, die von den oben erläuterten Niedrigspannungszellen verschieden sind, damit fort eine beträchtliche Menge des Stromes zuzuführen und dieser Strom kann die Niedrigspannungszellen beschädigen. Jedoch wird gemäß der oben beschriebenen Anordnung dann, wenn eine Niedrigspannungszelle vorhanden ist, der Speichervorgang der elektrischen Energie in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gestoppt und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle wird ebenfalls gestoppt. Es wird somit möglich, zu verhindern, daß eine Niedrigspannungszelle beschädigt oder zerstört wird.

In bevorzugter Weise enthält die Brennstoffzelle eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen und es wird der Verbrauch der elektrischen Energie der Brennstoffzelle durch die Zubehöreinrichtungen gestoppt, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung erreicht, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.

Wenn bei dieser Anordnung eine Niedrigspannungszelle vorhanden ist, wird der Verbrauch der elektrischen Energie durch die Zubehöreinrichtungen gestoppt und es wird auch die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt. Es wird somit möglich zu verhindern, daß eine Niedrigspannungszelle beschädigt oder zerstört wird.

In bevorzugter Weise enthält die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Zellen oder Zellengruppen. Ein elektrischer Widerstand, der an die Brennstoffzelle anschließbar ist, ist unabhängig für jede Zelle oder Zellengruppe der Brennstoffzelle vorgesehen, und der elektrische Widerstand verbraucht die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle bei einer Bedingung oder Zustand erzeugt wird, bei der bzw. bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt wird.

Bei dieser Anordnung wird das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle zurückbleibt, effektiv verbraucht, um dadurch zu verhindern, daß die Kathodenelektrode sich verschlechtert bzw. um eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu unterdrücken.

In bevorzugter Weise enthält die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Zellen oder Zellengruppen. Ein elektrischer Widerstand ist vorgesehen, der an die Brennstoffzelle anschließbar ist. Der elektrische Widerstand besteht aus einem einzelnen elektrischen Widerstand, der selektiv zwischen wenigstens zwei Zellen oder Zellengruppen der Brennstoffzelle anschließbar ist. Der elektrische Widerstand verbraucht die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle bei einem Zustand verbraucht wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt wird.

Bei dieser Anordnung wird das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle zuruckbleibt, effektiv verbraucht, so daß verhindert wird, daß sich die Kathodenelektrode verschlechtert bzw. diese Verschlechterung unterdrückt wird.

In bevorzugter Weise enthält die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Zellen oder Zellengruppen ein elektrischer Widerstand, der an die Brennstoffzelle anschließbar ist, ist vorgesehen. Wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen nicht dazu fähig ist, elektrische Energie zu erzeugen, wird die elektrische Energie, die durch andere Zellen oder Zellengruppen erzeugt wird, durch den elektrischen Widerstand verbraucht.

Bei dieser Anordnung wird selbst dann, wenn die Brennstoffzelle als Ganzes keine elektrische Energie erzeugen kann, das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle verbleibt, effektiv verbraucht, so daß verhindert wird, daß sich die Kathodenelektrode verschlechtert bzw. eine solche Verschlechterung unterdrückt wird.

Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung zu bevorzugen, eine Spannungsmeßeinrichtung vorzusehen, um eine Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe zu detektieren, wenn die Energieerzeugung bei einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt wird. Auch ist eine Diagnoseeinrichtung vorgesehen, um Spannungsinformationen von jeder Zelle oder Zellengruppe zu speichern, die durch die Spannungsmeßeinrichtung delektiert wurden, und um ein Kreuz-Lecken von jeder Zelle oder Zellengruppe basierend auf der Alterungserscheinung zu diagnostizieren, die sich in der Spannungscharakteristik von jeder Zelle oder Zellengruppe bemerkbar macht.

Wenn das Kreuzlecken auftritt, so induziert oder fördert diese Kreuzleckerscheinung den Verbrauch des Reaktionsgases in der Brennstoffzelle. Wenn demzufolge die Kreuzleckerscheinung auftritt, fällt die Spannung prompt um einen Betrag ab, der diesem Kreuzlecken entspricht. Die oben erläuterte Anordnung macht es somit möglich, die Kreuzleckerscheinung, die in der Zelle auftritt, zu diagnostizieren. Ferner wird der Diagnosevorgang jedesmal dann durchgeführt, wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle beendet wird. Es wird damit möglich, ein Kreuzlecken zu einem frühen Zeitpunkt zu delektieren.

Es wird ferner möglich das Kreuzlecken der Zelle basierend auf den Spannungseigenschaften von jeder Zelle oder Zellengruppe zu diagnostizieren, die eine Spannungsänderung relativ zu einem spezifischen Stromänderungsmuster aufweist. Alternativ ist es möglich, das Kreuzlecken der Zelle der oder Zellengruppe basierend auf eine Beurteilung zu diagnostizieren, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter einem vorbestimmten Wert abgefallen ist oder nicht und zwar innerhalb einer vorbestimmten Zeit, wenn die Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase entsprechend dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas gestoppt wird.

Ferner ist es basierend auf dem Ergebnis von vergangenen Diagnosen, die zu vorbestimmten Zeitpunkten ausgeführt wurden, möglich, eine Wahrscheinlichkeit abzuleiten, dahingehend, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter den vorbestimmten Wert innerhalb der vorbestimmten Zeit abfällt oder nicht abfällt, wenn die Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt ist. Es wird dann die Diagnose des Kreuzleckens der Zelle der oder Zellengruppe basierend auf der erhaltenen Wahrscheinlichkeit ausgeführt.

Ferner ist es zu bevorzugen, ein Warnsignal auszugeben, wenn eine Kreuzleckerscheinung identifiziert worden ist.

Darüber hinaus ist gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem in einem Automobil installiert, welches eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie enthält, wobei die Energieerzeugung basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, erfolgt, und wobei ein Elektromotor vorgesehen ist, der die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie empfängt, um eine Antriebskraft für ein Reisefahrzeug zu erzeugen, wobei der Reisevorgang oder Fahrvorgang des Fahrzeugs zugelassen wird, wenn ein Schlüsselschalter des Fahrzeugs in eine EIN-Position gebracht ist, und wobei das Fahren des Fahrzeugs verhindert wird, wenn der Schlüsselschalter in eine AUS-Position gebracht wird.

Dieses Brennstoffzellensystem enthält eine Gaszufuhr-Stoppeinrichtung und eine Systemsteuereinrichtung. Die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung stoppt die Zufuhr des Oxidationsgases oder des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle. Die Systemsteuereinrichtung beurteilt, ob die Energieerzeugung der Brennstoffzelle erforderlich ist oder nicht erforderlich ist, basierend auf der Position des Schlüsselschalters und dem Fahrzustand des Fahrzeugs, und steuert den Betrieb der Gaszufuhr-Stoppeinrichtung als auch der Energieerzeugung oder Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle.

Die Systemsteuereinrichtung veranlaßt die Brennstoffzelle elektrische Energie zu erzeugen bis die Spannung der Brennstoffzelle gleich wird mit oder kleiner wird als ein Energieerzeugung-Stopp-Sollspannungswert unter einem Zustand, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung angehalten wird, wenn der Schlüsselschalter von der EIN-Position in die AUS-Position gebracht wird, und wenn der Schlüsselschalter sich in der EIN-Position befindet und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle als nicht erforderlich beurteilt wird. Bei dieser Anordnung wird es nicht nur dann, wenn der Schlüsselschalter aus der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird, sondern auch dann, wenn die Energieerzeugung der Brennstoffzelle als nicht erforderlich beurteilt wird und zwar selbst dann, wenn der Schlüsselschalter sich in der EIN-Position befindet (beispielsweise, wenn das Reisefahrzeug verzögert oder wenn das Fahrzeug angehalten wird, um auf ein Verkehrssignal zu warten) möglich, das restliche Reaktionsgas zu verbrauchen, welches in der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist, wodurch eine Verschlechterung der Kathodenelektrode verhindert oder unterdrückt wird.

In bevorzugter Weise ist eine elektrische Energiespeichereinrichtung zum Speichern der elektrischen Energie vorgesehen und die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird in der elektrischen Energiespeichereinrichtung in einem Zustand gespeichert, bei dem die Zufuhr des Gases angehalten ist.

Es wird bei dieser Anordnung möglich, daß elektrische Energie ohne einen Verlust gespeichert werden kann und es wird auch möglich, das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle verbleibt, praktisch zu verwenden.

In bevorzugter Weise sind elektrische Antriebs-Zusatzeinrichtungen vorgesehen, die den Betrieb der Brennstoffzelle betreffen, und die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird durch die Zusatzeinrichtungen unter einem Zustand verbraucht, in welchem die Zufuhr des Gases angehalten ist.

Bei dieser Anordnung verbrauchen die Zusatzeinrichtungen elektrische Energie und zwar selbst dann, wenn eine Sekundärzelle sich in einem vollgeladenen Zustand befindet. Es wird somit möglich, das Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle zurückbleibt, zu verbrauchen. Als ein Ergebnis wird es möglich, eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.

In bevorzugter Weise wird ein Klimatisierungsgerät für die Luftaufbereitung einer Fahrzeugzelle des Fahrzeugs in dem Fahrzeug installiert. Das Klimatisierungsgerät enthält einen elektrisch angetriebenen Kühlmittel-Kompressor zum Komprimieren und zum Austragen des Kühlmittels. Auch wird die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie durch den Kühlmittelkompressor verbraucht und zwar in einem Zustand, bei dem die Zufuhr des Gases angehalten ist.

Bei dieser Anordnung verbraucht der Kühlmittelkompressor elektrische Energie selbst dann, wenn eine Sekundärzelle sich in einem vollgeladenen Zustand befindet. Es wird somit möglich, das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle verbleibt, zu verbrauchen. Als ein Ergebnis wird es möglich, eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.

In bevorzugter Weise enthält das Klimatisierungsgerät eine Wärmespeichereinrichtung zum Speichern von kalter oder heißer thermischer Energie und es wird die kühle oder heiße thermische Energie, die dann erhalten wird, wenn der Kühlmittelkompressor arbeitet, in der Wärmespeichereinrichtung gespeichert.

Bei dieser Anordnung kann die kalte oder heiße thermische Energie ohne einen Verlust gespeichert werden und es wird demzufolge möglich, das restliche Reaktionsgas, welches in der Brennstoffzelle verbleibt, praktisch zu verwenden.

In bevorzugter Weise enthält die Brennstoffzelle eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle wird angehalten, wenn eine Vielzahl der Zellen oder der Zellengruppen mit ihrem Spannungspegel niedriger liegen als die Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung.

Es wird mit Hilfe dieser Anordnung möglich, in sicherer Weise zu verhindern, daß alle die Zellen oder Zellengruppen sich verschlechtern oder diese Verschlechterung zumindest zu unterdrücken.

In bevorzugter Weise wird die Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung gemäß der Position des Schlüsselschalters differenziert.

Wenn bei dieser Anordnung die Energieerzeugung zeitweilig angehalten wird, und zwar aufgrund einer fortgesetzten Verzögerung eines fahrenden Fahrzeugs oder aufgrund des Anhaltens des Fahrzeugs beim Warten auf ein Verkehrssignal, kann die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung auf einen höheren Wert eingestellt werden, so daß der Sauerstoff oder der Wasserstoff soweit wie möglich gehalten werden kann, um eine unmittelbare Reaktivierung zu realisieren. Wenn auf der anderen Seite die Energieerzeugung fortlaufend oder dauerhaft angehalten wird und zwar entsprechend einem Ausschalten des Schlüsselschalters, kann die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden, so daß das Reaktionsgas soweit wie möglich verbraucht wird, um in sicherer Weise eine Verschlechterung der Zellen zu verhindern oder zu unterdrücken.

Die Brennstoffzelle enthält in bevorzugter Weise eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen und es ist eine Spannungsabgleichschaltung vorgesehen, um die Spannungsdifferenz zwischen der Vielzahl der Zellen oder der Zellengruppen abzugleichen.

Es wird bei dieser Anordnung möglich das Reaktionsgas zu verbrauchen, ohne dabei eine Spannungsdifferenz zwischen den Zellen oder Zellengruppen zu verursachen.

In bevorzugter Weise ist eine elektrische Energiespeichereinrichtung vorgesehen, um elektrische Energie zu speichern. Eine Berechnungseinrichtung für die erzeugbare elektrische Energie ist dafür vorgesehen, um eine elektrische Energie zu berechnen, die aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung erzeugt werden kann. Außerdem beurteilt die Systemsteuereinrichtung unter Bezugnahme auf die elektrische Energie, die von der elektrischen Energiespeichereinrichtung erzeugt werden kann, ob die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle erforderlich ist oder nicht.

Es können in bevorzugter Weise elektrisch angetriebene Zusatzeinrichtungen vorgesehen sein, die den Betrieb der Brennstoffzelle betreffen, und es kann die Systemsteuereinrichtung entscheiden, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle unnötig ist, wenn ein Fahrzeug nach Energie anfragt, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte elektrische Energie und die elektrische Energie, die aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung erzeugbar ist, gleich ist mit oder größer ist als die von dem Fahrzeug angefragte elektrische Energie. In diesem Fall stellt die von dem Fahrzeug benötigte oder angefragte elektrische Energie eine Summe einer elektrischen Energie dar, die durch die Zubehöreinrichtungen verbraucht wird und einer elektrischen Energie, die durch den Elektromotor verbraucht wird.

In bevorzugter Weise wird eine erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung eingestellt, wenn der Schlüsselschalter sich in der EIN-Position befindet und wenn beurteilt wird, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle unnötig ist. Ein zweiter Energieerzeugung-Stopp-Sollspannungswert wird eingestellt, wenn der Schlüsselschalter von der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird. Dabei ist die erste Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung höher als die zweite Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung.

Bei dieser Anordnung wird die erste Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung so eingestellt, daß sie höher ist als die zweite Stromerzeugung-Stopp-Sollspannung. Wenn demzufolge die Stromerzeugung zeitweilig gestoppt wird, kann Sauerstoff oder Wasserstoff soweit wie möglich gehalten werden, um eine prompte oder schnelle Drehaktivie rung zu realisieren. Wenn auf der anderen Seite die Energieerzeugung dauerhaft gestoppt wird, kann das Reaktionsgas soweit wie möglich verbraucht werden, um in sicherer Weise eine Verschlechterung der Zellen zu verhindern oder zu unterdrücken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die oben angesprochenen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigen:

1 ein Diagramm, welches eine Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

2A und 2B Schaltungsdiagramme, von denen jedes eine Anordnung einer Zellenspannung-Beseitigungsschaltung zeigt, die in 1 dargestellt ist;

3 ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

4 ein Flußdiagramm, welches einen anderen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

5A einen Graphen, der die Eigenschaften der Zellenspannung wiedergibt, die bei der Erläuterung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

5B einen Graphen, der die Eigenschaften des Sauerstoff-Beseitigungs-Steuerstroms gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

6 ein Schaltungsdiagramm, welches einen wesentlichen Teil des Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

7 einen Graphen, der die Eigenschaften des Sauerstoff beseitigenden Steuerstroms gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

8 einen Graphen, der die Eigenschaften des Sauerstoff beseitigenden Steuerstroms gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

9 ein Diagramm, welches eine Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

10 ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

11 ein Flußdiagramm, welches einen anderen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

12 ein Diagramm, welches eine Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

13 ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

14 eine Spannungsabgleichschaltung, die in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

15 ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerprozedur des Brennstoffzellensystems gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt; und

16 ein Diagramm, welches eine Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, welches die Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt. Dieses Brennstoffzellensystem wird beispielsweise bei einem Elektro-Automobil angewendet, welches eine Brennstoffzelle verwendet, die als Energiequelle zum Fahren dient.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10, die elektrische Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 schickt elektrische Energie zu einer elektrischen Last 11, einer Sekundärzelle 12 oder anderen elektrischen Vorrichtungen. Beispielsweise besteht die elektrische Last 11 des Elektro-Automobils aus einem Elektromotor, der eine Antriebskraft zum Fahren des Fahrzeugs erzeugen kann. Die Sekundärzelle 12 speichert elektrische Energie, die von der Brennstoffzelle 10 aus zugeführt wird und schickt auch gespeicherte elektrische Energie zu verschiedenen elektrischen Lasten. Die Sekundärzelle 12 entspricht einer elektrischen Energiespeichereinrichtung der Erfindung.
Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Brennstoffzelle 10 aus einer Festkörperhochpolymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle, die eine Vielzahl an Zellen enthält, von denen jede als fundamentale Einheit dient, wobei die Zellen in vielen Schichten angeordnet sind oder laminiert angeordnet sind und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wenn Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) in die Brennstoffzelle 10 eingeleitet werden, erfolgt die folgende elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff, wobei elektrische Energie erzeugt wird. (Brennstoffelektrodenseite) H₂ → 2H⁺ 2e^– (Luftelektrodenseite) 2H⁺ + 1/20₂ + 2e^– → H₂O
Es ist ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13, der für die Spannungsumsetzung verwendet wird, zwischen der Brennstoffzelle 10 und der Sekundärzelle 12 zwischengefügt. Ein Zellen-Monitor 14 detektiert eine Ausgangsspannung von jeder Zelle. Die Ausgangsspannung, die durch den Zellen-Monitor 14 von jeder Zelle detektiert wurde, wird in Form eines Zellenspannungssignals zu einem noch später beschriebenen Steuerabschnitt 40 gesendet. Der Zellen-Monitor 14 entspricht einer Spannungsmeßeinrichtung der vorliegenden Erfindung.
Ferner ist eine Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15 vorgesehen, die einen elektrischen Widerstand aufweist, der an die Zellen der Brennstoffzelle 10 anschließbar ist. Die Zellenspannungs-Beseitigungsschaltung 15 enthält, wie in 2A oder in 2B gezeigt ist, eine Vielzahl an elektrischen Widerständen 151 und zugeordneten Schaltern 152, deren Zahl identisch ist mit einer Gesamtzahl der Zellen, die in der Brennstoffzelle 10 aufgenommen sind. Der Steuerabschnitt 40 steuert den Betrieb von jedem Schalter 152, um auf diese Weise den elektrischen Widerstand 151 selektiv mit einer entsprechenden Zelle zu verbinden. Wenn eine Vielzahl der Zellen in Form einer Zellengruppe angeordnet sind, wird es möglich, elektrische Widerstände 152 und die Schalter 152 vorzusehen, der Zahl identisch ist mit der Gesamtzahl der Zellengruppen. In diesem Fall steuert der Steuerabschnitt 40 den Betrieb von jedem Schalter 152, um auf diese Weise den elektrischen Widerstand 151 mit einer entsprechenden Zellengruppe zu verbinden.
Das Brennstoffzellensystem enthält einen Luftströmungskanal 20 und einen Brennstoffströmungskanal 30. Es wird Luft (d.h. Sauerstoff) über den Luftströmungskanal 20 zu einer Luftelektrodenseite (d.h. der Kathodenelektrode) der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Der Wasserstoff wird über den Brennstoffströmungskanal 30 zu einer Brennstoffelektrodenseite (d.h. der Anodenelektrode) der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Der Luftströmungskanal 20 enthält einen Abschnitt, der innerhalb der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist, wo die Luft hindurch verläuft. Der Brennstoffströmungskanal 30 enthält einen Abschnitt, der innerhalb der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist, wo der Wasserstoff hindurch verläuft. Die Luft entspricht dabei einem Oxidiergas bei der Erfindung und der Wasserstoff entspricht einem Brennstoffgas bei der Erfindung.
Eine elektrisch angetriebene Luftpumpe 21, die an dem stromaufwärtigen Ende des Luftströmungskanals 20 vorgesehen ist, komprimiert die Ansaugluft und führt diese in die Brennstoffzelle 10 ein. Ein erstes Luftventil 22, welches zwischen der Luftpumpe 21 und der Brennstoffzelle 10 zwischengefügt ist, kann den Luftströmungskanal 20 schließen und kann demzufolge die Zufuhr von Luft in die Brennstoffzelle 10 anhalten. Ein zweites Luftventil 23, welches an der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist, kann ebenfalls den Luftströmungskanal 20 schließen und ist demzufolge im Stande die Zufuhr von Luft in die Brennstoffzelle 10 zu stoppen. Die Luftpumpe 21 entspricht einer Oxidiergas-Zuführeinrichtung oder einer der Zusatzeinrichtungen nach der Erfindung. Beide Luftventile 22 und 23 entsprechen einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung nach der Erfindung.
Eine Wasserstoffbombe 31, die mit Wasserstoffgas gefüllt ist, ist an einem stromaufwärtigen Ende des Brennstoffströmungskanals 30 vorgesehen. Ein Wasserstoffventil 32, welches zwischen die Wasserstoffbombe 31 und die Brennstoffzelle 10 zwischengefügt ist, kann den Brennstoffströmungskanal 30 verschließen und kann demzufolge die Zufuhr von Wasserstoff in die Brennstoffzelle 10 hinein stoppen. Das Wasserstoffventil 32 entspricht hier der Gaszufuhr-Stoppeinrichtung nach der Erfindung.
Der Steuerabschnitt (d.h. die ECU: elektronische Steuereinheit) 40 besteht aus einem Mikrocomputer, der eine CPU (d.h. eine zentrale Verarbeitungseinheit), einen ROM (d.h. einen Nur-Lese-Speicher) und einen RAM (d.h. einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff) und deren periphere Schaltungen enthält. Der Steuerabschnitt 40 empfängt das Zellenspannungssignal, welches von dem Zellen-Monitor 14 zugeführt wird. Ferner führt der Steuerabschnitt 40 verschiedene Berechnungen durch und gibt Steuersignale an den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13, die Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15, die Luftpumpe 21, die Luftventile 22 und 23 und an das Wasserstoffventil 32 basierend auf den Berechnungsergebnissen aus.
Der Steuerabschnitt 40 ist an eine Warnvorrichtung 50 angeschlossen, die ein Warnsignal in Ansprechen auf das Detektieren eines Kreuzleckvorgangs ausgibt. Die Warnvorrichtung 50 besteht praktisch aus einer Anzeigelampe, einem Summer oder aus einer Zeichen- und/oder graphischen Anzeigeeinheit.
Als nächstes wird die Betriebsweise des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems unter Hinweis auf die 1 bis 5 beschrieben. 3 ist ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerverarbeitung darstellt, die in dem Steuerabschnitt 40 ausge führt wird, wobei es sich um eine Rest-Reaktionsgas-Verbrauchsverarbeitung zum Verbrauchen (oder Beseitigen) des Rest-Reaktionsgases handelt, welches in der Brennstoffzelle 10 zurückbleibt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten wird. 4 ist ein Flußdiagramm, welches einen anderen Teil der Steuerverarbeitung zeigt, die in dem Steuerabschnitt 40 ausgeführt wird, wobei es sich um eine Kreuzleck-Diagnoseverarbeitung handelt, um ein Kreuzlecken der Zellen zu diagnostizieren, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten wird.
Wenn in 3 die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 nicht erforderlich ist (zum Beispiel wenn das Fahrzeug angehalten wird oder im Falle eines regenerativen Betriebsmodus) empfängt der Steuerabschnitt 40 ein Brennstoffzellen-Deaktivierungs-Befehlssignal (Schritt S10). Im Ansprechen auf dieses Signal stoppt der Steuerabschnitt 40 den Betrieb der Luftpumpe 21 und steuert die Luftventile 22 und 23, um den Luftströmungskanal 20 zu schließen, wodurch dann die Zufuhr von Luft zu der Brennstoffzelle 10 angehalten wird (Schritt S11). In diesem Fall befindet sich das Wasserstoffventil 32 in einem geöffneten Zustand. Es wird daher die Zufuhr von Wasserstoff in die Brennstoffzelle 10 fortgesetzt. Demzufolge ist die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 solange möglich, als Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 vorhanden bleibt. Nachdem somit der Steuerabschnitt 40 das Brennstoffzellensystem-Deaktivierung-Befehlssignal empfangen hat, wird die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 für eine Weile fortgesetzt.
Als nächstes wird ein Strom (d.h. ein Sauerstoffbeseitigungs-Steuerstrom) an die Brennstoffzelle 10 angelegt, um die Brennstoffzelle 10 zu veranlassen, eine Energieerzeugung auszuführen und um als ein Ergebnis des Verbrauchs (oder Beseitigung) des restlichen Sauerstoffs, der in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist, zu bewirken (Schritt S12). Der Sauerstoffbeseitigung-Steuerstrom wird im voraus eingestellt, so daß dieser ein vorbestimmtes Muster hat. Gemäß dieser Ausführungsform nimmt der Sauerstoffbeseitung-Steuerstrom einseitig mit Verstreichen der Zeit t ab, wie in 5B gezeigt ist. Der Steuerabschnitt 40 steuert den Betrieb des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13, um den Stromwert auf das oben beschriebene vorbestimmte Muster einzustellen.
Als nächstes prüft der Steuerabschnitt 40 den Zustand der Ladung in der Sekundärzelle 12 (Schritt S13). Wenn die Sekundärzelle 12 nicht vollständig geladen ist (d.h. JA bei dem Schritt S14), steuert der Steuerabschnitt 40 den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 10, um die Sekundärzelle 12 mit elektrischem Strom zu laden, der durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird (Schritt S15). Wenn die Sekundärzelle 12 voll geladen ist (d.h. NEIN bei dem Schritt S14), betätigt der Steuerabschnitt 40 die Luftpumpe 21, um elektrische Energie zu verbrauchen, die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird (Schritt S16).
Bei diesem Betrieb wird der restliche Sauerstoff, der in der Brennstoffzelle 10 zurückgeblieben ist, sanft oder glatt verbraucht und die Spannung der Brennstoffzelle 10 nimmt allmählich ab. In diesem Fall entsteht, wie in 5A gezeigt ist, eine signifikante Spannungsdifferenz unter den jeweiligen Zellen abhängig von der Menge des Restsauerstoffs in den jeweiligen Zellen. Wenn der Strom kontinuierlich angelegt wird und zwar selbst nachdem eine Zelle 0V erreicht hat, verschiebt sich der Wasserstoff, der an der Anoden-Elektrode vorherrscht durch einen Pumpvorgang zu der Kathodenelektrode hin. Dies wird nicht erwünscht.
Wenn auf der anderen Seite irgendeine der Vielzahl der Zellen 0V erreicht, wird es unmöglich, elektrische Energie durch all die Zellen zu erzeugen, aus denen die Brennstoffzelle 10 besteht. In diesem Fall speichert jede Zelle, die 0V noch nicht erreicht hat, den restlichen Sauerstoff. Der restliche Sauerstoff fördert eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff, der in der Kathodenelektrode enthalten ist.
Damit veranlaßt der Steuerabschnitt 40 den Zellen-Monitor 14 die Ausgangsspannung von jeder Zelle zu messen, und speichert die gemessenen Spannungsdaten (Schritt S17). Wenn irgendeine der Vielzahl der Zellen 0V erreicht (d.h. JA bei dem Schritt S18), beendet der Steuerabschnitt 40 die oben beschriebene Steuerung der Energieerzeugung, die durch die Brennstoffzelle 10 durchgeführt wird, als Ganzes. Anschließend veranlaßt der Steuerabschnitt 40 die Zellen, die noch nicht 0V erreicht haben, mit der Energieerzeugung fortzufahren, um den restlichen Sauerstoff zu verbrauchen.
Spezifischer ausgedrückt, steuert der Steuerabschnitt 40 die jeweiligen Schalter 152, um jeden elektrischen Widerstand 151 in der Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15 an eine entsprechende Zelle anzuschließen, wenn diese Zelle noch nicht 0V erreicht hat. Somit wird die elektrische Energie, die durch die Zellen erzeugt wird, die noch nicht 0V erreicht haben, entladen (oder verbraucht) und zwar durch den elektrischen Widerstand 151. Mit anderen Worten kann der restliche Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 mit Sicherheit verbraucht werden (Schritt S19). Nachfolgend bewirkt der Steuerabschnitt 40, daß der Zellen-Monitor 14 die Ausgangsspannung von jeder Zelle mißt, und speichert die gemessenen Spannungsdaten (Schritt S20). Wenn alle Zellen 0V erreicht haben (d.h. JA bei dem Schritt S21) beurteilt der Steuerabschnitt 40 oder führt eine Berechnung durch, daß der Restsauerstoff, der in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist, vollständig verbraucht worden ist. Dann beendet der Steuerabschnitt 40 die oben erläuterte Steuerung, gemäß welcher die Zellen, die noch nicht 0V erreicht haben, veranlaßt werden, elektrische Energie zu erzeugen.
Nachdem als nächstes alle Zellen 0V erreicht haben, diagnostiziert der Steuerabschnitt 40 das Vorhandensein einer Kreuzleckerscheinung (Schritt S22). Die Kreuzleck-Diagnose wird mehr in Einzelheiten unter Hinweis auf das Flußdiagramm von 4 erläutert.
Zu aller erst liest der Steuerabschnitt 40 die Spannungsdaten von jeder Zelle, die erhalten werden, wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 ausgeführt wird und zwar als Ganzes, um den restlichen Sauerstoff zu verbrauchen, der in der Brennstoffzelle 10 verbleibt (Schritt S221). Der Steuerabschnitt 40 mißt eine Spannungs-Reduzierzeit von jeder Zelle (Schritt S222).
Für den Fall, daß eine Kreuzleckerscheinung in den jeweiligen Zellen auftritt, bewirkt der Wasserstoff, der zu der Kathodenelektrode hin diffundiert ist, eine Reaktion mit dem Sauerstoff und es wird demzufolge auch Sauerstoff verbraucht. Die Reduzierungsgeschwindigkeit der Spannung wird in der Zelle hoch, was dann die Kreuzleckage als ein Ergebnis des Verbrauchs des Sauerstoffs auf diese Weise bewirkt.
Somit nimmt der Steuerabschnitt 40 an, daß die Wahrscheinlich einer Kreuzleckage in einer strichlierten Zone von 5A hoch ist, d.h. wenn die Zeit t, die nach dem Feststellen des Restreaktionsgas-Verbrauchsprozesses bzw. Verbrauchsverarbeitung verstrichen ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeit t1 liegt und die Zellenspannung nicht größer ist als eine vorbestimmte Spannung V1. Der Steuerabschnitt 40 führt eine Beurteilung für jede Zelle durch, ob die Zellenspannung diesen strichlierten Bereich bzw. diese strichlierte Zone passiert oder nicht (d.h. die Kreuzleckage-Zone) (Schritt S223).
Wenn die Zellenspannung nicht durch die Kreuzleckagezone hindurch verlaufen ist (d.h. NEIN bei dem Schritt S223), beurteilt der Steuerabschnitt 40 oder führt eine Schlußfolgerung durch, daß keine Kreuzleckage aufgetreten ist (Schritt S224).
Wenn auf der anderen Seite die Zellenspannung durch die Kreuzleckagezone hindurch verlaufen ist (d.h. JA bei dem Schritt 223), leitet der Steuerabschnitt 40 eine Kreuzleckage-Auftritt-Wahrscheinlich ab (Schritt S225). Gemäß dieser Ausführungsform ermittelt der Steuerabschnitt 40 die Zahl von malen, die die Zellenspannung durch die Kreuzleckagezone während vorbestimmter Prüfoperationen hindurchverläuft. Dann teilt der Steuerabschnitt 40 die erhaltene Zahl von Malen durch die Zahl der vorbestimmten Prüfoperationen, wodurch dann die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Kreuzleckage erhalten wird.
Wenn dann die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Kreuzleckage einen vorbestimmten Wert überschreitet (d.h. JA bei dem Schritt S226), beurteilt der Steuerabschnitt 40 oder führt eine Schlußfolgerung durch, daß eine Kreuzleckage-Verschlechterung vorhanden ist (Schritt S227). Wenn auf der anderen Seite die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Kreuzleckage gleich ist mit oder kleiner ist als der vorbestimmte Wert (d.h. NEIN bei dem Schritt S226) beurteilt der Steuerabschnitt 40 oder führt eine Schlußfolgerung dahingehend durch, daß eine Wahrscheinlichkeit für eine Kreuzleckage-Verschlechterung vorhanden ist (Schritt S228).
Als nächstes speichert der Steuerabschnitt 40 das Kreuzleckage-Diagnoseergebnis (Schritt S229). Der Steuerabschnitt 40 fährt damit fort, die oben beschriebene Kreuzleckage-Diagnose durchzuführen, bis die Diagnose von allen Zellen erreicht worden ist (d.h. JA bei dem Schritt S230).
Wenn gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 unnötig ist, und das Brennstoffzellensystem deaktiviert wird, wird die Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt, bei dem die Zufuhr von Luft unterbrochen ist. Es kann daher der restliche Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 mit Sicherheit verbraucht werden. Das elektrische Potential der Kathodenelektrode nimmt daher schnell ab. Es wird demzufolge möglich, einen nachteiligen Einfluß des Restsauerstoffs, der in der Brennstoffzelle 10 verbleibt, zu beseitigen und eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.
Ferner wird die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Energie in der Sekundärzelle 12 beim Deaktivieren des Brennstoffzellensystems gespeichert. Es wird somit möglich in effektiver Weise den Restsauerstoff zu verwenden, der in der Brennstoffzelle 10 zurückbleibt.
Für den Fall, daß schließlich die Sekundärzelle 12 voll aufgeladen ist, wird die Luftpumpe 21 angetrieben, um die elektrische Energie zu verbrauchen, während die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie erzeugt und den restlichen Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 verbraucht, wodurch eine Verschlechterung der Kathodenelektrode verhindert oder unterdrückt wird.
Wenn ferner die Energieerzeugung unter der Bedingung fortgesetzt wird, daß eine oder einige der Zellen eine Spannung aufweisen, die nicht größer ist als eine vorbe stimmte Spannung, ergibt sich die Möglichkeit, daß diese Niedrigspannung-Zellen beschädigt werden können. Jedoch werden bei dieser Ausführungsform die elektrischen Widerstände 151 mit den Hochspannungszellen verbunden, wenn die Niedrigspannungszellen vorhanden sind, so daß dadurch die elektrische Energie entladen wird, die durch die Hochspannungszellen erzeugt wird, was über die elektrischen Widerstände 151 erfolgt. Somit wird der restliche Sauerstoff mit Sicherheit verbraucht, um eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.
Wenn ferner ein Kreuzlecken aufgrund einer Verschlechterung der Elektrolytmembran oder ähnlichem auftritt, leckt das Reaktionsgas über die Elektrolytmembran zu der gegenüberliegenden Elektrode hin. Dies induziert die Reduzierung in der Ausgangsgröße der Brennstoffzelle und beschädigt oder zerstört den Katalysator. Jedoch wird bei dieser Ausführungsform die Diagnose jedesmal dann ausgeführt, nachdem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 vervollständigt worden ist. Es wird somit möglich, ein Kreuzlecken zu einem frühen Zeitpunkt zu erfassen.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf 6 beschrieben.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform enthält die Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15 eine Vielzahl an elektrischen Widerständen 151. Wie jedoch in 6 gezeigt ist, ist es möglich, lediglich einen elektrischen Widerstand 151 in der Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15 vorzusehen. In diesem Fall wird der elektrische Widerstand 151 für eine Vielzahl der Zellen umgeschaltet.
Dritte und vierte Ausführungsform
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird der Stromwert des Sauerstoff-beseitigenden Steuerstrom, der an die Brennstoffzelle 10 zu dem Zeitpunkt angelegt wird, zu welchem das Brennstoffzellensystem deaktiviert wird, reduziert und zwar mit dem Verstreichen der Zeit t, wie dies in 5B gezeigt ist. Jedoch wird gemäß einer dritten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, die Möglichkeit geschaffen, den Sauerstoffbeseitigungs-Steuerstrom auf einen konstanten Stromwert einzustellen. Alternativ ist es gemäß einer vierten Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, möglich, den Sauerstoffbeseitigungs-Steuerstrom so einzustellen, um eine schrittweise Reduzierung zu erreichen.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, schafft die vorliegende Erfindung ein erstes Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen von elektrischer Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, mit einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) zum Stoppen der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, die zu der Brennstoffzelle (10) zugeführt werden, und mit elektrisch angetriebenen Zusatzeinrichtungen (21), die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen. Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems wird zu dem Zeitpunkt, wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) beendet wird, die durch die Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie für eine Weile in den Zubehöreinrichtungen (21) verbraucht und zwar bei einem Zustand, bei dem wenigstens eines der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas angehalten wird und zwar mit Hilfe der Gaszuführ-Stoppeinrichtung (22, 23, 32).
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung ein zweites Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle (10) enthält, die aus einer Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen besteht, um elektrische Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, zu erzeugen, mit einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) zum Anhalten der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, die der Brennstoffzelle (10) zugeführt werden und mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (12) zum Speichern der elektrischen Energie.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) beendet wird, die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) für eine Weile unter einem Zustand fortgeführt, bei dem wenigstens eines der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas angehalten wird und zwar mit Hilfe der Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32). Die durch die Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie wird in der Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie gespeichert. Und es wird dabei die Speicherung der elektrischen Energie, die durch die Brennstoffzelle (10) erzeugt wird, in der Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie angehalten, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder der Zellengruppen eine Spannung aufweist, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.
Gemäß dem ersten Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen, und es wird der Verbrauch der elektrischen Energie der Brennstoffzelle (10) durch die Zubehöreinrichtungen (21) gestoppt, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung aufweist, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.
Gemäß dem ersten oder zweiten Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen. Ein elektrischer Widerstand (151), der mit der Brennstoffzelle (10) verbindbar ist, ist unabhängig für jede Zelle oder Zellengruppe der Brennstoffzelle (10) vorgesehen, und der elektrische Widerstand (151) verbraucht elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle (10) unter einem Zustand erzeugt wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt wird.
Ferner ist ein elektrischer Widerstand (151) selektiv zwischen wenigstens zwei Zellen oder Zellengruppen der Brennstoffzelle (10) anschließbar. Der elektrische Widerstand (151) verbraucht die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle (10) unter einem Zustand erzeugt wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt wird.
Wenn ferner wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen nicht dazu fähig ist elektrische Energie zu erzeugen, wird die elektrische Energie, die durch andere Zellen oder Zellengruppen erzeugt wird, durch den elektrischen Widerstand (151) verbraucht.
Gemäß dem ersten Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen. Eine Spannungsmeßeinrichtung (14) ist dafür vorgesehen, um eine Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe zu detektieren, wenn die Energieerzeugung unter einem Zustand oder Bedingung durchgeführt wird, bei dem bzw. bei der die Zufuhr des Gases gestoppt ist. Ferner ist eine Diagnoseeinrichtung (40) vorgesehen, um Spannungsinformationen von jeder Zelle oder Zellengruppe zu speichern, die durch die Spannungsmeßeinrichtung (14) detektiert wurden, und um ein Kreuzlecken von jeder Zelle oder Zellengruppe basierend auf einer Alterungserscheinung zu diagnostizieren, die sich in den Spannungseigenschaften von jeder Zelle oder Zellengruppe bemerkbar macht.
Ferner diagnostiziert das erste Zellensystem ein Kreuzlecken der Zelle, basierend auf den Spannungseigenschaften von jeder Zelle oder Zellengruppe, die eine Spannungsänderung wiedergeben und zwar relativ zu einem spezifischen Stromänderungsmuster. Alternativ diagnostiziert das erste Zellensystem das Kreuzlecken einer Zelle oder einer Zellengruppe basierend auf einer Beurteilung, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter einem vorbestimmten Wert abgefallen ist oder nicht und zwar innerhalb einer vorbestimmten Zeit, wenn die Stromerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei welchem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas gestoppt ist.
Ferner erhält das erste Brennstoffzellensystem basierend auf dem Ergebnis von vergangenen Diagnosen, die eine vorbestimmte Anzahl von Malen durchgeführt wurden, eine Wahrscheinlichkeit dahingehend, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter dem vorbestimmten Wert innerhalb der vorbestimmten Zeit abfällt oder nicht, wenn die Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr von Gas angehalten ist. Dann wird eine Diagnose hinsichtlich des Kreuzleckens der Zelle oder Zellengruppe durchgeführt und zwar basierend auf der erhaltenen Wahrscheinlichkeit.
Ferner wird ein Warnsignal ausgegeben, wenn das Auftreten eines Kreuzleckens identifiziert wurde.
Fünfte Ausführungsform
9 ist ein Diagramm, welches die Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Brennstoffzellensystem wird beispielsweise bei einem Elektro-Automobil angewendet, welches eine Brennstoffzelle verwendet, die als Energiequelle bzw. Antriebsquelle zum Fahren dient. Die Abschnitte oder Komponenten, die identisch sind mit oder äquivalent sind mit solchen, die bei der ersten Ausführungsform offenbart wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht mehr erneut erläutert.
Wie in 9 gezeigt ist, ist bei der fünften Ausführungsform die elektrische Last 11, die Zellenspannung-Beseitigungsschaltung 15, die Luftventile 22 und 23 und die Warnvorrichtung 50 weggelassen, die bei der ersten Ausführungsform verwendet sind.
Auf der anderen Seite enthält die fünfte Ausführungsform einen Elektromotor 11a, der eine Antriebskraft zum Fahren des Fahrzeugs erzeugt. Der Elektromotor 11a arbeitet unter einem Zustand, bei dem elektrische Energie von der Brennstoffzelle 10 oder von der Sekundärzelle 12 zugeführt wird.
Der Brennstoffströmungskanal 30 ist als eine geschlossene Schleife ausgebildet, so daß eine stromabwärtige Seite der Brennstoffzelle 10 mit einer stromabwärtigen Seite des Wasserstoffventils 32 verbunden ist. Bei dieser Anordnung zirkuliert der Wasserstoff in den Brennstoffströmungskanal 30. Der Wasserstoff, der in der Brennstoffzelle 1Π nicht verwendet wird, wird erneut zu der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Eine elektrisch angetriebene Wasserstoffpumpe 33, die auf einer stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 10 in dem Brennstoffströmungskanal 10 vorgesehen ist, läßt den Wasserstoff in den Brennstoffströmungskanal 10 zirkulieren. Der Steuerabschnitt 40 steuert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 33 in solcher Weise, daß die Wasserstoffzirkulati onsmenge und demzufolge die Menge an Wasserstoff, die in die Brennstoffzelle 10 gefördert wird, in geeigneter Weise gesteuert werden kann.
Das Brennstoffzellensystem enthält ein Kühlsystem, welches die Temperatur der Brennstoffzelle 10 in solcher Weise steuert, daß die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 auf einer vorbestimmten Temperatur bzw. Temperaturwert (angenähert 80 °C) gehalten wird, welche Temperatur für die elektrochemische Reaktion geeignet ist. Das Kühlsystem enthält einen Kühlwasserpfad 60 zum Zuführen von Kühlwasser (d.h. einem Heizmedium) zu der Brennstoffzelle 10, eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe 61, um das Kühlwasser zirkulieren zu lassen, einen Radiator 62 zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kühlwasser und der Kühlluft, und einen elektrisch angetriebenen Lüfter 63 zum Zuführen von Kühlluft zu dem Radiator 62.
Ein Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 beurteilt, ob die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 erforderlich ist oder nicht und sendet das Beurteilungsergebnis zu dem Steuerabschnitt 40. Der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 besteht beispielsweise aus einem Mikrocomputer, der eine CPU, einen ROM und einen RAM und deren periphere Schaltungen enthält.
Der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 empfängt ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, welches von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 71 ausgesendet wird, der eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs detektiert, ein Gaspedalöffnungsgrad-Signal, welches von einem Gaspedalsensor 72 gesendet wird, der das Ausmaß des Niederdrückens eines Gaspedals detektiert, ein Schlüsselschaltersignal, welches die Betriebsposition des Schlüsselschalters 73 wiedergibt, ein Schiebepositionssignal, welches von einem Schiebeposition-Sensor 74 gesendet wird, der die Schiebeposition bzw. Schaltposition des Getriebes detektiert, und SOC Informationen, die von einem sekundären Zellenmanagementgerät 75 gesendet werden, welches einen Zustand der Ladung (im folgenden mit SOC bezeichnet) der Sekundärzelle 12 verwaltet. Der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 beurteilt, ob die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 erforderlich ist oder nicht und zwar auf der Grundlage der Signale, die von den Sen soren 71 bis 74 gesendet werden und auch aufgrund der SOC Informationen, die von dem Sekundärzellen-Managementgerät 75 gesendet werden.
Das Fahren des Fahrzeugs wird erlaubt, wenn der Schlüsselschalter 73 sich in der EIN-Position befindet und das Fahren des Fahrzeugs wird verhindert, wenn sich der Schlüsselschalter 73 in der AUS-Position befindet. Um dies spezifischer zum Ausdruck zu bringen, wenn das Gaspedal unter einer Bedingung niedergedrückt wird, daß der Schlüsselschalter 73 sich in der EIN-Position befindet, wird dem Elektromotor 11a elektrische Energie zugeführt und demzufolge erzeugt der Elektromotor 11a eine Antriebskraft. Wenn auf der anderen Seite der Schlüsselschalter 73 in der AUS-Position ist, wird keine elektrische Energie dem Elektromotor 11a zugeführt und zwar selbst dann nicht, wenn das Gaspedal niedergedrückt wird.
Der Steuerabschnitt 40 und der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 funktionieren kooperativ als eine Systemsteuereinrichtung der Erfindung. Ferner berechnet das Sekundärzellen-Managementgerät 75 die elektrische Energie, die durch die Sekundärzelle 12 erzeugt werden kann und dient somit als eine Berechnungseinrichtung für die erzeugbare elektrische Energie nach der Erfindung.
Als nächstes wird die Betriebsweise des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems unter Hinweis auf die Flußdiagramme der 10 und 11 beschrieben. 10 zeigt ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerverarbeitung wiedergibt, die in dem Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 durchgeführt wird, der eine Verarbeitung zur Beurteilung dahingehend ausführt, ob die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 erforderlich ist oder nicht erforderlich ist. 11 zeigt ein Flußdiagramm, welches einen Teil der Steuerverarbeitung wiedergibt, die in dem Steuerabschnitt 40 durchgeführt wird, wobei es sich um eine Restreaktionsgas-Verbrauchsverarbeitung handelt zum Verbrauchen (oder Beseitigen) des restlichen Reaktionsgases, welches in der Brennstoffzelle 10 zu dem Zeitpunkt zurückbleibt, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems angehalten wird.
In 10 wird dann beurteilt, ob der Schlüsselschalter 73 in der AUS-Position ist oder nicht (Schritt S30). Wenn sich der Schlüsselschalter 73 in der AUS-Position befindet (d.h. JA bei dem Schritt S30), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70, oder führt eine Schlußfolgerung durch, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 unnötig ist (Schritt S31). Der Steuerfluß kehrt dann zurück.
Wenn sich der Schlüsselschalter 73 nicht in der AUS-Position befindet (d.h. NEIN bei dem Schritt S30), liest der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, welches von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 71 zugeführt wird (Schritt S32) und liest auch das Gaspedalöffnungsgrad-Signal, welches von dem Gaspedal-Sensor 72 zugeführt wird (Schritt S33). Dann berechnet der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 eine Antriebskraft, die von einem Fahrer gefordert wird und zwar basierend auf dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal und dem Gaspedalöffnungsgrad-Signal (Schritt S34). Als nächstes erhält der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 eine Leistung der elektrisch angetriebenen Zusatzeinrichtungen (Luftpumpe 21 usw.), die den Betrieb der Brennstoffzelle 10 betreffen, und zwar von einem Plan basierend auf einer angefragten Antriebskraft, die bei dem Schritt S34 berechnet wurde (Schritt S35). Als nächstes berechnet der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 eine Fahranfrage-Elektroenergie, die aus einer Summe aus einer elektrischen Energie, die von dem Elektromotor 11a zugeführt wird, und einer elektrischen Energie besteht, die der Leistung der Zubehöreinrichtungen (21) entspricht, welche bei dem Schritt S35 berechnet wurde (Schritt S36).
Wenn die von dem Fahrzeug angefragte elektrische Energie, die bei dem Schritt S36 berechnet wurde, kleiner ist als eine erste voreingestellte elektrische Energie P1 (d.h. JA bei dem Schritt S37), beispielsweise, wenn das Fahrzeug verzögert oder angehalten wird, um auf einen Verkehr zu warten, wobei die vom Fahrzeug benötigte elektrische Energie gering ist, vergleicht der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 die von der Sekundärzelle erzeugbare elektrische Energie (d.h. die erzeugbare elektrische Energie der Sekundärzelle 12) mit der vom Fahrzeug benötigten oder vom Fahrzeug angefragten elektrischen Energie (Schritt S38). Wenn dann die durch die Sekundärzelle er zeugbare elektrische Energie gleich ist mit oder größer ist als die vom Fahrzeug angefragte oder benötigte elektrische Energie (d.h. JA bei dem Schritt S38), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder zieht die Schlußfolgerung, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 nicht erforderlich ist (Schritt S39). Der Steuerfluß kehrt dann zurück. Wenn auf der anderen Seite die von der Sekundärzelle erzeugbare elektrische Energie kleiner ist als die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie (d.h. NEIN bei dem Schritt 38), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder zieht die Schlußfolgerung, daß die Energieerzeugung erforderlich ist (Schritt S40). Der Steuerfluß wird dann zurückgeführt.
Wenn die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie gleich ist mit oder größer ist als die erste voreingestellte elektrische Energie P1 (d.h. NEIN bei dem Schritt S37), vergleicht der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie mit einer zweiten voreingestellten elektrischen Energie P2 (Schritt S41). In diesem Fall ist die zweite voreingestellte elektrische Energie P2 größer als die erste voreingestellte elektrische Energie P1 (d.h. P1 < P2). Die zweite voreingestellte elektrische Energie P2 besteht aus einem Schwellenwert, der bei einer Beurteilung zum Wiederstarten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 verwendet wird und zwar von einem zeitweilig angehaltenen Zustand aus. Wenn demzufolge die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie gleich ist mit oder größer ist als die zweite voreingestellte elektrische Energie P2 (d.h. NEIN bei dem Schritt S41), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder zieht die Schlußfolgerung, daß die vom Fahrzeug angefragte Last bzw. die Fahrzeuglast zugenommen hat und demzufolge ein Wiederstarten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 erforderlich ist und damit die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle benötigt wird.
In dieser Weise wird die erste voreingestellte elektrische Energie P1 für ein zeitweiliges Anhalten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 bestimmt, beispielsweise für den Fall, daß das Fahrzeug verzögert wird. Die zweite voreingestellte elektrische Energie P2 wird zum Wiederstarten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 von einem zeitweiligen Anhaltezustand aus bestimmt. Die Einstellung der zweiten voreingestellten elektrischen Energie P2, so daß diese größer ist als die erste voreingestellte elektrische Energie P1, schafft die Möglichkeit zu verhindern, daß die Brennstoffzelle 10 zwischen einem Wiederstarten des Betriebes und dem zeitweiligen Anhaltezustand hin und her sucht oder hin und her wechselt, wenn die vom Fahrzeug benötigte Energie sich in der Nähe der ersten voreingestellten elektrischen Energie P1 bewegt.
Wenn auf der anderen Seite die vom Fahrzeug benötigte elektrische Energie kleiner ist als die zweite voreingestellte elektrische Energie P2 (d.h. JA bei dem Schritt S41) wird angenommen, daß die Brennstoffzelle 10 sich momentan beim Erzeugen von elektrischer Energie befindet oder daß der Betrieb der Brennstoffzelle 10 zeitweilig angehalten ist, daß jedoch die vom Fahrzeug angefragte oder benötigte elektrische Energie nicht einen Energiewert erreicht, der ein Widerstarten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 erforderlich macht. Somit beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70, ob die Brennstoffzelle 10 sich momentan beim Erzeugen von elektrischer Energie befindet oder ob deren Betrieb zeitweilig angehalten ist (Schritt S42).
Wenn dann die Brennstoffzelle 10 momentan elektrische Energie erzeugt (JA bei dem Schritt S42), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder macht die Schlußfolgerung, daß die vom Fahrzeug benötigte oder angefragte elektrische Energie ausreichen größer ist und die Brennstoffzelle 10 damit fortfahren muß, elektrische Energie zu erzeugen (Schritt S43). Der Steuerfluß wird dann zurückgeführt. Wenn auf der anderen Seite die Brennstoffzelle 10 nicht momentan elektrische Energie erzeugt (d.h. NEIN bei dem Schritt S42), beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder macht die Schlußfolgerung, daß die Brennstoffzelle 10 sich in einem zeitweiligen Anhaltezustand befindet, jedoch die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie nicht einen Energiewert erreicht hat, der ein Wiederstarten des Betriebes der Brennstoffzelle 10 erforderlich macht. Der Steuerfluß verläuft dann weiter zu dem Schritt S38, bei dem es, wie oben beschrieben wurde, erforderlich ist, daß elektrische Energie durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird und dies basierend auf einem Vergleichsergebnis beurteilt wird und zwar zwischen der erzeugbaren elektrischen Energie der Sekundärzelle 12 und der vom Fahrzeug angefragten oder vom Fahrzeug benötigten elektrischen Energie.
Wenn die erzeugbare elektrische Energie der Sekundärzelle 12 kleiner ist als die vom Fahrzeug angefragte elektrische Energie, beurteilt der Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 oder macht die Schlußfolgerung, daß die Brennstoffzelle 10 aus dem zeitweilig angehaltenen Zustand freigegeben werden sollte und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wieder aufgenommen werden sollte.
Gemäß 11 empfängt der Steuerabschnitt 40 einen Befehl, der über die Notwendigkeit der Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 informiert, der von dem Fahrzustand-Beurteilungsabschnitt 70 aus übertragen oder gesendet wird (Schritt S50). Wenn dann die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 erforderlich wird (d.h. JA bei dem Schritt S51), steuert der Steuerabschnitt 40 die Brennstoffzelle 10 in solcher Weise, um elektrische Energie unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen zu erzeugen (Schritt S58).
Wenn auf der anderen Seite die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 nicht erforderlich ist (d.h. NEIN bei dem Schritt S51), führt der Steuerabschnitt 40 die Verarbeitung der Schritte S52 bis S57 durch, bei denen die Spannung von jeder Zelle in der Brennstoffzelle 10 auf einen Pegel abgesenkt wird, der gleich ist mit oder kleiner ist als eine Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs. In diesem Fall ist die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs eine kritische Spannung, bei der eine Verschlechterung der Zelle verhindert werden kann.
Es deaktiviert der Steuerabschnitt 40 nämlich zuerst die Luftpumpe 21, um die Zufuhr von Luft in die Brennstoffzelle 10 zu stoppen (Schritt S52). Wenn dann als nächstes die Sekundärzelle 12 noch aufladbar ist (d.h. JA bei dem Schritt 53), steuert der Steuerabschnitt 40 das Aufladungsausmaß in Verbindung mit der Sekundärzelle 12 (Schritt S54). Die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wird fortlaufend durchgeführt, um den restlichen Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 zu verbrauchen. Wenn ferner die Sekundärzelle 12 noch aufladbar ist (d.h. JA bei dem Schritt S53), steuert der Steuerabschnitt die Ausgangsleistung der Wasserstoffpumpe 33 (Schritt S55). Bei dieser Steuerung fährt die Brennstoffzelle 10 damit fort Energie zu erzeugen und verbraucht dabei den restlichen Sauerstoff, der in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist.
Es nimmt die Zellenspannung proportional zu der Menge des restlichen Sauerstoffes ab. Die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wird solange fortgesetzt, bis die Zellenspannung unter die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs abgefallen ist und zwar in allen Zellen und zwar bis die Beurteilung bei dem Schritt S56 zu JA wird. Nachdem die Zellenspannung unter die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs in allen Zellen abgefallen ist, stoppt der Steuerabschnitt 40 die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 (Schritt 57). Vermittelt dieser sequentiellen Operationen wird es möglich, die Zellenspannung auf einen Pegel zu reduzieren, der gleich ist mit oder kleiner ist als die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs, wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 unnötig wird.
Gemäß der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wird nicht nur dann, wenn der Schlüsselschalter 73 von der EIN-Position in die AUS-Position verschoben wird, sondern auch dann, wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 unnötig ist und zwar selbst wenn der Schlüsselschalter 73 sich in der EIN-Position befindet (beispielsweise wenn das Fahrzeug verzögert wird oder wenn das Fahrzeug angehalten wird, um auf ein Verkehrssignal zu warten) das restliche Reaktionsgas in der Brennstoffzelle 10 verbraucht, bis die Zellenspannung unter die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs abgefallen ist. Es wird somit möglich, in sicherer Weise eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.
In Verbindung mit dem Schritt S55 von 11 kann die Wasserstoffpumpe 33 durch die Wasserpumpe 61 oder den Lüfter 63 des Radiators 62 ersetzt werden. In diesem Fall wird die Energie bzw. Leistung der Wasserpumpe 61 oder des Radiator-Lüfters 63 so gesteuert, daß der restliche Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 verbraucht wird, während die Brennstoffzelle 10 damit fortfährt, Energie zu erzeugen.
Sechste Ausführungsform
12 ist ein Diagramm, welches die Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Brennstoffzellensystem wird beispielsweise bei einem Elektro-Automobil angewendet, welches mit einem Luftaufbereitungsgerät ausgerüstet ist. Die Abschnitte oder Komponenten, die mit denjenigen identisch sind oder äquivalent zu denjenigen sind, die bei der fünften Ausführungsform realisiert sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine erneute Erläuterung derselben wird hier weggelassen.
In 12 enthält ein Luftaufbereitungsgerät 80, um eine Luftaufbereitung in einem Passagierraum des Fahrzeugs durchzuführen, einen Kühlmittelkompressor 81, einen Kondensator 82, ein Expansionsventil 83, und einen Verdampfer 84. Der Kühlmittelkompressor 81 hat die Funktion das Kühlgas zu komprimieren und das komprimierte Kühlgas auszutragen und zwar in einen elektrischen Kühlmittelkompressor, der durch einen Elektromotor angetrieben ist (nicht gezeigt).
Bei der fünften Ausführungsform wird die Leistung der Wasserstoffpumpe 33 bei dem Schritt S55 von 11 gesteuert. Jedoch wird bei dieser Ausführungsform die Leistung des Kühlmittelkompressors 81 bei dem Schritt S55 von 11 gesteuert. Bei dieser Steuerung fährt die Brennstoffzelle 10 damit fort, Energie zu erzeugen, so daß der restliche Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10 in ausreichender Weise verbraucht wird.
Es ist möglich, daß der Verdampfer 84 mit einem Kälte-Akkumulatorteil ausgerüstet ist, welches dazu befähigt ist, kalte thermische Energie zu speichern, während der Kondensator mit einem Hitze-Akkumulatorteil ausgerüstet sein kann, welches dazu befähigt ist, heiße thermische Energie zu speichern. Es wird mit dieser Anordnung möglich, kalte oder heiße thermische Energie in dem Kälte- oder Wärme-Akkumulatorteil zu speichern, wenn der Kühlmittelkompressor 81 arbeitet. Die während der Verarbeitung bei dem Schritt S55 von 11 verbrauchte elektrische Energie kann dabei effektiv verwendet werden. Demzufolge kann das restliche Reaktionsgas in der Brennstoffzelle 10 ohne Verlust verwendet werden oder ausgenutzt werden.
Siebente Ausführungsform
13 zeigt ein Flußdiagramm, welches einen Teil einer Rest-Reaktionsgas-Verbrauch-Verarbeitung wiedergibt, um das restliche Reaktionsgas in der Brennstoffzelle 10 zu verbrauchen (oder zu beseitigen), wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems in Einklang mit einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestoppt wird. Die Abschnitte oder Komponenten, die identisch sind mit oder äquivalent sind zu denjenigen der fünften Ausführungsform, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut erläutert.
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs variabel ist und zwar abhängig von einer Beurteilung dahingehend, ob die Energieerzeugung zeitweilig oder für eine lange Zeit unnötig ist. Wenn beispielsweise das Fahrzeug verzögert oder angehalten wird, um auf ein Verkehrssignal zu warten, ist die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 zeitweilig unnötig. Wenn auf der anderen Seite der Schlüsselschalter 73 einmal ausgeschaltet wird, ist die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 für eine relativ lange Zeitdauer unnötig. Zu diesem Zweck sind, wie in 13 gezeigt ist, bei dieser Ausführungsform eine Steuerverarbeitung der Schritte S60 bis S62 zwischen den Schritten S51 und S52 der fünften Ausführungsform hinzugefügt.
Um dies spezieller zu beschreiben, stellt dann, wenn der Schlüsselschalter 73 sich in der EIN-Schaltstellung befindet und die Energieerzeugung unnötig ist (d.h. NEIN bei dem Schritt S60), der Steuerabschnitt 40 die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs auf einen ersten Energieerzeugung-Stopp-Sollwert Vs1 ein (Schritt S61). Wenn der Schlüsselschalter 73 in die AUS-Position geschaltet wird und die Energieerzeugung unnötig wird (d.h. JA bei dem Schritt S60), stellt der Steuerabschnitt 40 die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs auf eine zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs2 ein (Schritt S62). In diesem Fall ist die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs1 größer als die zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs2, d.h. Vs1 > Vs2.
Es ist zu bevorzugen, daß die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs1 so eingestellt wird, daß sie dicht bei dem höchsten Wert in dem Spannungsbereich liegt, bei dem eine Verschlechterung der Zelle verhindert werden kann. Im Falle eines zeitweiligen Anhaltens der Energieerzeugung ist es zu bevorzugen, den Sauerstoff oder den Wasserstoff soweit wie möglich zu halten, so daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle glatt und unmittelbar wieder gestartet werden kann.
Im Gegensatz dazu ist es in einem Fall eines lang anhaltenden Stoppens der Energieerzeugung zu bevorzugen, den Wasserstoff (oder den Sauerstoff) soweit wie möglich zu verbrauche. Dies ist der Grund dafür, warum die zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs2 so eingestellt wird, daß sie niedriger ist als die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung Vs1. Ein komplettes Verbrauchen des restlichen Wasserstoffs in der Brennstoffzelle, wenn der Schlüsselschalter ausgeschaltet wird, ist vorteilhaft und zwar mit Sicht auf die Sicherheit, die bei dieser Art von Automobilen ernsthaft erforderlich ist.
Achte Ausführungsform
Als nächstes wird eine achte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf 14 erläutert. Beim Steuern der Verbrauchsmenge des Wasserstoffes oder des Sauerstoffes in Einklang mit der Steuerung der Energieerzeugungsmenge in der Brennstoffzelle 10, kann die Spannung in jeder Zelle stark differenziert werden und zwar abhängig von einer Zellenstruktur. In solch einem Fall ist es zu bevorzugen, eine Spannungsabgleichschaltung vorzusehen, die an die Brennstoffzelle angeschlossen ist, um eine Spannungsdifferenz unter den Zellen oder Zellengruppen zu beseitigen. Mit dem Vorsehen der Spannungsabgleichschaltung wird es möglich, einen einheitlichen Verbrauch von Wasserstoff oder von Sauerstoff in den jeweiligen Zellen oder Zellengruppen zu realisieren.
14 zeigt eine Spannungsabgleichschaltung für eine Brennstoffzelle, die einen Gesamtzahl von fünf Zellen 101 bis 105 enthält. Eine Ausgangsspannung E1 der ersten Zelle 101 wird an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß eines ersten Differenzverstärkers 111 angelegt. Eine mittlere Spannung ER der fünf Zellen 101 bis 105, die in Reihe geschaltet sind, wird einen invertierenden Eingangsanschluß des ersten Differenzverstärkers 111 eingespeist. Damit gibt der erste Differenzverstärker 111 eine elektrische Potentialdifferenz ΔV1. aus, die die Differenz zwischen der Ausgangsspannung E1 und der mittleren Spannung ER wiedergibt. In diesem Fall wird die mittlere Spannung ER dadurch erhalten, indem die Summe aus den Ausgangsspannungen E1 bis E5 der jeweiligen Zellen 101 bis 105 mit Hilfe von fünf Widerständen 121 bis 125 geteilt wird, von denen jeder den gleichen Widerstandswert aufweist. Somit kann die mittlere Spannung ER durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: ER = (E1 + E2 + E3 + E4 + E5)/5.
In der gleichen Weise werden die Ausgangsspannungen E2 bis E4 den nicht invertierenden Eingangsanschlüssen eines zweiten bis vierten Differenzverstärkers 112 bis 114 eingespeist, und es wird eine mittlere Spannung ER den invertierenden Eingangsanschlüssen der zweiten bis vierten Differenzverstärker 112 bis 114 eingespeist. Die zweiten bis vierten Differenzverstärker 112 bis 114 geben elektrische Potentialdifferenzen ΔV2 bis ΔV4 aus, welche die Differenz zwischen den jeweiligen Ausgangsspannungen E2 bis E4 und der mittleren Spannung ER wiedergeben.
Eine Steuerschaltung 130, die im folgenden noch in Einzelheiten beschrieben wird, steuert den ersten bis fünften Schalter 141 bis 145 basierend auf den elektrischen Potentialdifferenzen ΔV1 bis ΔV4, um den Strom einzustellen, der über die ersten bis fünften Entladungswiderstände 161 bis 165 fließt.
Zu aller erst wird die Spannungssteuerung der ersten Zelle 101 erläutert. Wenn gilt ΔV1 > 0, wird die Beziehung E1 > ER erstellt. Wenn ΔV1 ≤ 0 ist, wird die Beziehung E1 ≤ ER aufgebaut. Wenn E1 > E3, ist die Ausgangsspannung E1 der ersten Zelle 10l höher als die mittlere Spannung ER. Demzufolge schließt die Steuerschaltung 130 den ersten Schalter 141, um die erste Zelle 101 über den ersten Entladungswiderstand 161 zu entladen, um dadurch die Spannungsdifferenz zu beseitigen.
Wenn als nächstes im Falle der zweiten Zelle 101 gilt ΔV2 + ΔV1 > 0, ist die Ausgangsspannung E2 der Sekundärzelle 102 höher als die mittlere Spannung ER. Demzufolge schließt die Steuerschaltung 130 den zweiten Schalter 142, um die zweite Zelle 102 über den zweiten Entladungswiderstand 162 zu entladen, um dadurch die Spannungsdifferenz zu beseitigen.
Ahnlich schließt im Falle der dritten Zelle 103, wenn ΔV3 + ΔV2 > 0 ist, die Steuerschaltung 130 den dritten Schalter 143, um die dritte Zelle 103 über den dritten Entladungswiderstand 163 zu entladen. Im Falle der vierten Zelle 104, wenn ΔV4 + ΔV3 > 0 ist, schließt die Steuerschaltung 130 den vierten Schalter 144, um die vierte Zelle 104 über den vierten Entladungswiderstand 164 zu entladen.
Ferner wird auch die Spannungssteuerung der fünften Zelle 105 erläutert. Wenn ΔV4 < 0 ist, wird die Beziehung E5 > ER erstellt. Wenn ΔV4 ≥ 0 ist, wird die Beziehung E5 ≤ ER erstellt. Wenn E5 > ER ist, ist die Ausgangsspannung E5 der fünften Zelle 105 höher als die mittlere Spannung ER. Demzufolge schließt die Steuerschaltung 130 den fünften Schalter 145, um die fünfte Zelle 105 über den fünften Entladungswiderstand 165 zu entladen, um die Spannungsdifferenz zu beseitigen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Spannung einer Zelle, die eine Ausgangsspannung hat, deren Pegel höher liegt als die mittlere Spannung, durch Entladung abgesenkt werden. Es wird somit möglich, einen einheitlichen Verbrauch von Wasser stoff oder von Sauerstoff in den jeweiligen Zellen zu realisieren, ohne dabei eine Spannungsdifferenz zwischen den Zellen zu verursachen.
Neunte Ausführungsform
Als nächstes wird eine neunte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf das Flußdiagramm von 15 erläutert. Gemäß der fünften Ausführungsform wird die Zufuhr von Luft unterbrochen, wenn das restliche Reaktionsgas in der Brennstoffzelle 10 verbraucht ist (oder beseitigt ist). Jedoch wird gemäß dieser Ausführungsform die Zufuhr von Wasserstoff gestoppt. Zu diesem Zweck werden bei dieser Ausführungsform die Schritte S52 und S55 gemäß der fünften Ausführungsform modifiziert. Der Rest dieser Ausführungsform ist identisch mit demjenigen der fünften Ausführungsform.
Wenn in 15 die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 nicht erforderlich ist (d.h. NEIN bei dem Schritt S51), bewirkt der Steuerabschnitt 40, daß das Wasserstoffventil 32 den Brennstoffströmungskanal 30 schließt und demzufolge wird die Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle 10 gestoppt (Schritt S52a). Wenn als nächstes die zweite Zelle 12 nicht aufladbar ist (NEIN bei dem Schritt S53), steuert der Steuerabschnitt 40 die Ausgangsleistung der Luftpumpe 21 (Schritt S55a). Bei dieser Betriebsweise setzt die Brennstoffzelle 10 die Energieerzeugung fort, um den restlichen Wasserstoff in der Brennstoffzelle 10 zu verbrauchen.
Gemäß der oben beschriebenen neunten Ausführungsform ähnlich der fünften Ausführungsform ist es somit möglich, in sicherer Weise eine Verschlechterung der Kathodenelektrode zu verhindern oder zu unterdrücken.
Zehnte Ausführungsform
Als nächstes wird eine zehnte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf 16 beschrieben. Gemäß der fünften Ausführungsform wird die Luftpumpe 21 de aktiviert, um die Zufuhr von Luft zu stoppen. Es ist jedoch möglich, das erste Luftventil 22 wie in 16 gezeigt ist, vorzusehen. Gemäß der zehnten Ausführungsform wird die Zufuhr von Luft in die Brennstoffzelle 10 gestoppt, wenn der Luftströmungskanal 20 durch das erste Luftventil 22 geschlossen wird.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, schafft die vorliegende Erfindung ein drittes Brennstoffzellensystem, welches in einem Automobil installiert werden kann, welches eine Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen von elektrischer Energie enthält, basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, und mit einem Elektromotor (11a), der die elektrische Energie empfängt, die durch die Brennstoffzelle (10) erzeugt wird, um eine Antriebskraft zum Fahren des Fahrzeugs zu erzeugen, wobei das Fahren des Fahrzeugs zugelassen wird, wenn ein Schlüsselschalter bzw. Zündschalter (73) des Fahrzeugs in einer EIN-Position ist und wobei das Fahren des Fahrzeugs verhindert wird, wenn der Schlüsselschalter bzw. Zündschalter (73) in einer AUS-Position ist.
Das dritte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält eine Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (21, 32, 33) und eine Systemsteuereinrichtung (40, 70). Die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (21, 32, 33) stoppt die Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle (10). Die Systemsteuereinrichtung (40, 70) beurteilt, ob die Energieerzeugung der Brennstoffzelle (10) erforderlich ist oder nicht und zwar basierend auf der Position des Schlüsselschalters (73) und des Fahrzustandes des Fahrzeugs, und steuert den Betrieb der Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (21, 32, 33) als auch die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10).
Die Systemsteuereinrichtung (40, 70) veranlaßt die Brennstoffzelle (10) elektrische Energie zu erzeugen, bis die Spannung der Brennstoffzelle (10) gleich wird mit oder geringer wird als eine Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs) unter einem Zustand, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) gestoppt ist, wenn der Schlüsselschalter (73) von der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird und wenn der Schlüsselschalter (73) sich in der EIN-Position befindet und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) als unnötig beurteilt wird.
Das dritte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält eine Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie, um die elektrische Energie zu speichern, und es wird dabei die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie in der Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie gespeichert und zwar bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr des Gases angehalten ist.
Es sind elektrisch angetriebene Zusatzeinrichtungen (21) in dem Automobil vorgesehen, die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen, und es wird die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie durch die Zubehöreinrichtungen (21) unter einer Bedingung verbraucht, bei der die Zufuhr des Gases angehalten ist.
In dem Fahrzeug ist ein Luftaufbereitungsgerät (80) zur Luftaufbereitung im Fahrgastraum des Fahrzeugs installiert. Das Luftaufbereitungsgerät (80) enthält einen elektrisch angetriebenen Kühlmittelkompressor (81) zum Komprimieren und zum Austragen des Kühlmittels. Es wird die von der Brennstoffzelle (10) unter einer Bedingung, bei der die Zufuhr von Gas angehalten ist erzeugte elektrische Energie durch den Kühlmittelkompressor (81) verbraucht.
Das Luftaufbereitungsgerät (80) enthält eine Wärmespeichereinrichtung zum Speichern von kalter oder heißer thermischer Energie, und die kalte oder heiße thermische Energie, die erhalten wird, wenn der Kühlmittelkompressor (81) arbeitet, wird in der Wärmespeichereinrichtung gespeichert.
Die Brennstoffzelle (10) enthält eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) wird gestoppt, wenn alle der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung aufweisen, deren Spannungspegel niedriger liegt aus die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs).
Die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs) wird entsprechend der Position des Schlusselschalters (73) differenziert.
Die Spannungsabgleichschaltung (111∼114, 121∼125, 130, 141∼145, 161∼165) ist dafür vorgesehen, um die Spannungsdifferenz zwischen der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen auszugleichen.
Die Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie dient zum Speichern von elektrischer Energie. eine Berechnungseinrichtung (75) für die erzeugbare elektrische Energie ist zu dem Zweck vorgesehen, um eine elektrische Energie zu berechnen, die mit Hilfe der Speichereinrichtung (12) für die elektrische Energie erzeugbar ist. Auch beurteilt die Systemsteuereinrichtung (40, 70) unter Bezugnahme auf die elektrische Energie, die durch die Speichereinrichtung für die elektrische Energie erzeugt werden kann, ob eine Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) erforderlich ist oder nicht.
In dem Fahrzeug sind elektrisch angetriebene Zusatzeinrichtungen (21) vorgesehen, die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen, und die Systemsteuereinrichtung (40, 70) entscheidet, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) unnötig ist, wenn die von dem Fahrzeug geforderte oder benötigte elektrische Energie gleich ist mit oder kleiner ist als die vorbestimmte elektrische Energie, und die von der Speichereinrichtung für elektrische Energie erzeugbare elektrische Energie gleich ist mit oder größer ist als die vom Fahrzeug angefragte oder benötigte elektrische Energie. In diesem Fall bildet die vom Fahrzeug benötigte oder angefragte elektrische Energie eine Summe aus der durch die Zubehöreinrichtungen (21) verbrauchten elektrischen Energie und der elektrischen Energie, die durch den Elektromotor (11a) verbraucht wird.
Die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs1) wird eingestellt, wenn der Schlusselschalter (73) sich in der EIN-Position befindet und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) als unnötig beurteilt wird. Die zweite Energieerzeugung- Stopp-Sollspannung (Vs2) wird eingestellt, wenn der Schlüsselschalter (73) von der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird. Und es ist die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs1) höher als die zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs2).
Andere Ausführungsform
Wenn gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ein das Brennstoffzellensystem deaktivierendes Befehlssignal empfangen wird (d.h. Schritt S10 in 3), wird die Zufuhr von Luft in die Brennstoffzelle 10 gestoppt (d.h. Schritt S11). Es ist jedoch möglich anstelle des Unterbindens der Zufuhr von Luft auch die Zufuhr von Wasserstoff in die Brennstoffzelle 10 zu stoppen.
Spezifischer ausgedrückt bewirkt der Steuerabschnitt 40, daß das Wasserstoffventil 32 den Brennstoffströmungskanal 30 schließt, um die Zufuhr von Wasserstoff in die Brennstoffzelle 10 zu stoppen. Dabei treibt der Steuerabschnitt 40 die Luftpumpe 21 unter einer Bedingung an, daß die Luftventile 22 und 23 geöffnet sind, um auf diese Weise fortlaufend Luft in die Brennstoffzelle 10 einzuleiten. Dann veranlaßt der Steuerabschnitt 40 wie bei der ersten Ausführungsform die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie zu erzeugen und zwar entsprechend dem Verbrauch (Beseitigung) des restlichen Wasserstoffes in der Brennstoffzelle 10. Es wird somit möglich, die Wirkungen zu erhalten ähnlich denjenigen, wie sie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden.
Wenn ferner bei der oben beschriebenen Ausführungsform beurteilt wird, daß eine Verschlechterung hinsichtlich der Kreuzleckerscheinung auftritt (d.h. Schritt S227 von 4) ist es zu bevorzugen, die Zellen abzuspeichern, die eine Verschlechterung hinsichtlich der Kreuzleckerscheinung unterworfen sind. Es ist auch zu bevorzugen ein Warnsignal auszugeben, um über das Vorhandensein einer Zelle zu informieren, bei der eine Verschlechterung der Kreuzleckerscheinung aufgetreten ist.
Ferner wird gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Energie in der Sekundärzelle 12 zu einem Zeitpunkt gespeichert, zu den der Betrieb des Brennstoffzellensystems unterbrochen oder angehalten ist. Es ist jedoch möglich, die Sekundärzelle 12 durch einen Kondensator zu ersetzen, der als eine Speichereinrichtung für elektrische Energie dienen kann. In diesem Fall wird die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Energie in diesem Kondensator gespeichert und zwar zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten ist.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen von elektrischer Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält; einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) zum Stoppen der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, welches der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird; und elektrisch angetriebenen Zusatzeinrichtungen (21), die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) beendet wird, die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie in den Zubehöreinrichtungen (21) unter einem Zustand verbraucht wird, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) gestoppt ist.
Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle (10), die eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, um elektrische Energie basierend auf einer elektrochemischen Reaktion ei nes Oxidiergases, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und eines Brennstoffgases, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, zu erzeugen; einer Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) zum Stoppen der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases, welches der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, und einer Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie, um elektrische Energie zu speichern, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) beendet wird, die von der Brennstoffzelle (10) durchgeführte Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) gestoppt ist, die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie in der Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie gespeichert wird, und das Einspeichern der elektrischen Energie, die durch die Brennstoffzelle (10) erzeugt wird, in die Speichereinrichtung (12) für elektrische Energie gestoppt wird, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppen der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung aufweist, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, und der Verbrauch der elektrischen Energie der Brennstoffzelle (10) durch die Zubehöreinrichtungen (21) gestoppt wird, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen eine Spannung aufweist, die gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, ein elektrischer Widerstand (151) an die Brennstoffzelle (10) anschließbar ist und dieser Widerstand unabhängig für jede Zelle oder Zellengruppe der Brennstoffzelle (10) vorgesehen ist und der elektrische Widerstand (151) die elektrische Energie verbraucht, die durch die Brennstoffzelle (10) in einem Zustand erzeugt wird, bei dem die Zufuhr von Gas angehalten ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, ein elektrischer Widerstand (151) vorgesehen ist, der an die Brennstoffzelle (10) anschließbar ist, wobei der elektrische Widerstand (151) einen elektrischen Widerstand (151) enthält, der selektiv zwischen wenigstens zwei Zellen oder Zellengruppen der Brennstoffzelle (10) anschließbar ist, der elektrische Widerstand (151) die elektrische Energie verbraucht, die durch die Brennstoffzelle (10) in einer Bedingung oder Zustand verbraucht wird, gemäß welchem die Zufuhr von Gas gestoppt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, ein elektrischer Widerstand (151) vorgesehen ist, der an die Brennstoffzelle (10) anschließbar ist, wobei dann, wenn wenigstens eine Zelle oder Zellengruppe der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen unfähig ist, elektrische Energie zu erzeugen, die durch andere Zellen oder Zellengruppen erzeugte elektrische Energie durch den elektrischen Widerstand (151) verbraucht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, eine Spannungsmeßeinrichtung (14) vorgesehen ist, um eine Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe zu erfassen, wenn die Energieerzeugung unter einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr von Gas gestoppt ist, und eine Diagnoseeinrichtung (40) vorgesehen ist, um Spannungsinformationen von jeder Zelle oder Zellengruppe zu speichern, die durch die Spannungsmeßeinrichtung (14) erfaßt wurde, und um eine Diagnose hinsichtlich einer Kreuzlekkerscheinung von jeder Zelle oder Zellengruppe basierend auf einer Alterungserscheinung durchzuführen, die sich in den Spannungseigenschaften von jeder Zelle oder Zellengruppe bemerkbar macht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, bei dem die Spannungseigenschaften von jeder Zelle oder Zellengruppe aus einer Spannungsänderung relativ zu einem spezifischen Stromänderungsmuster besteht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Diagnoseeinrichtung (40) die Kreuzleckerscheinung der Zelle oder Zellengruppe diagnostiziert und zwar basierend auf einer Beurteilung, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter einen vorbestimmten Wert innerhalb einer vorbestimmten Zeit abgefallen ist oder nicht, wenn die Energieerzeugung in einem Zustand ausgeführt wird, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas gestoppt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, bei dem die Diagnoseeinrichtung (40) dafür ausgebildet ist, eine Wahrscheinlichkeit basierend auf dem Ergebnis vergangener Diagnosen abzuleiten, die vorbestimmte Male ausgeführt wurden, um zu ermitteln, ob die Spannung von jeder Zelle oder Zellengruppe unter den vorbestimmten Wert innerhalb der vorbestimmten Zeit abfällt oder nicht, wenn die Energieerzeugung in einem Zustand durchgeführt wird, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt ist, und wobei die Diagnoseeinrichtung (40) die Kreuzleckerscheinung der Zelle oder Zellengruppe basierend auf der erhaltenen Wahrscheinlichkeit diagnostiziert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn das Auftreten einer Kreuzleckerscheinung identifiziert wurde.
Brennstoffzellensystem, welches in einem Automobil installiert ist, welches eine Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen von elektrischer Energie enthält, basierend auf einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidiergas, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, und einen Brennstoffgas, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, und einen Elektromotor (11a) enthält, der die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie empfängt, um eine Antriebskraft zum Fahren des Fahrzeugs zu erzeugen, wobei das Fahren des Fahrzeugs dann zugelassen wird, wenn ein Schlüsselschalter oder Zündschalter (73) des Fahrzeugs in einer EIN-Position ist, und das Fahren des Fahrzeugs verhindert wird, wenn der Schlüsselschalter oder Zündschalter (73) in einer AUS-Position ist, wobei das Brennstoffzellensystem folgendes aufweist: eine Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (21, 32, 33) zum Stoppen der Zufuhr des Oxidiergases oder des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle (10); und eine Systemsteuereinrichtung (40, 70), um eine Beurteilung durchzuführen, ob die Energieerzeugung der Brennstoffzelle (10) erforderlich ist oder nicht erforderlich ist und zwar basierend auf der Position des Schlüsselschalters (73) und dem Fahrzustand des Fahrzeugs, und um den Betrieb der Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (21, 32, 33) als auch die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) zu steuern; dadurch gekennzeichnet, daß die Systemsteuereinrichtung (40, 70) die Brennstoffzelle (10) veranlaßt, elektrische Energie zu erzeugen, bis die Spannung der Brennstoffzelle (10) gleich wird mit oder kleiner wird als eine Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs), bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr von wenigstens einem Gas entsprechend dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas durch die Gaszufuhr-Stoppeinrichtung (22, 23, 32) gestoppt ist, wenn der Schlüsselschalter (73) von der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird, und wenn der Schlüsselschalter (73) in der EIN-Position ist und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) als unnötig beurteilt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem eine elektrische Energie-Speichereinrichtung (12) zum Speichern von elektrischer Energie vorgesehen ist und die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie in der elektrischen Energie-Speichereinrichtung (12) in einen Zustand oder Bedingung gespeichert wird, bei der die Zufuhr des Gases gestoppt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem elektrisch angetriebene Zubehöreinrichtungen (21), die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen, vorgesehen sind, und die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie durch die Zubehöreinrichtungen (21) verbraucht werden und zwar bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr des Gases gestoppt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem ein Luftaufbereitungsgerät (80) für die Luftaufbereitung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs in dem Fahrzeug installiert ist, das Luftaufbereitungsgerät (80) einen elektrisch angetriebenen Kühlmittelkompressor (81) enthält, um ein Kühlmittel zu komprimieren und auszutragen und die von der Brennstoffzelle (10) erzeugte elektrische Energie durch den Kühlmittelkompressor (81) verbraucht wird und zwar bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr des Gases angehalten ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, bei dem das Luftaufbereitungsgerät (80) eine Wärmespeichereinrichtung enthält, um kalte oder heiße thermische Energie zu speichern, und die kalte oder heiße thermische Energie, die erhalten wird, wenn der Kühlmittelkompressor (81) arbeitet, in der Wärmespeichereinrichtung gespeichert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen oder Zellengruppen enthält, und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) angehalten wird, wenn alle der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen einen Spannungspegel aufweist, der niedriger ist als die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem die Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs) entsprechend der Position des Schlüsselschalters (73) differenziert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem die Brennstoffzelle (10) eine Vielzahl an Zellen (101∼105) oder Zellengruppen enthält, und eine Spannungsabgleichschaltung (111∼114, 121∼125, 130, 141∼145, 161∼165) zum Abgleichen der Spannungsdifferenz zwischen der Vielzahl der Zellen oder Zellengruppen vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem die elektrische Energie-Speichereinrichtung (12) zum Speichern von elektrischer Energie vorgesehen ist, eine Berechnungseinrichtung (75) für die erzeugbare elektrische Energie vorgesehen ist, um eine elektrische Energie zu berechnen, die von der elektrischen Energie-Speichereinrichtung (12) erzeugt werden kann und die Systemsteuereinrichtung (40, 70) dafür ausgebildet ist, unter Bezugnahme auf die elektrische Energie, die von der elektrischen Energie-Speichereinrichtung erzeugbar ist, zu beurteilen, ob eine Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) erforderlich ist oder nicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, bei dem elektrisch angetriebene Zubehöreinrichtungen (21), die den Betrieb der Brennstoffzelle (10) betreffen, vorgesehen sind und die Systemsteuereinrichtung (40, 70) dafür ausgebildet ist zu entscheiden, daß die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) unnötig ist, wenn eine vom Fahrzeug geforderte elektrische Energie gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte elektrische Energie und die von der elektrischen Energie-Speichereinrichtung erzeugbare elektrische Energie gleich ist mit oder größer ist als die vom Fahrzeug benötigte elektrische Energie, wobei die vom Fahrzeug benötigte oder geforderte elektrische Energie aus einer Summe aus einer elektrischen Energie besteht, die durch die Zubehöreinrichtungen (21) verbraucht wird, und einer elektrischen Energie, die durch den Elektromotor (11a) verbraucht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, bei dem eine erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs1) eingestellt wird, wenn der Schlüsselschalter (73) in der EIN-Position ist und die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) als unnötig beurteilt wird, eine zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs2) eingestellt wird, wenn der Schlüsselschalter (73) aus der EIN-Position in die AUS-Position geschaltet wird, und die erste Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs1) größer ist als die zweite Energieerzeugung-Stopp-Sollspannung (Vs2).