DE112004001186B4

DE112004001186B4 - Brennstoffzellensystem sowie ein das Brennstoffzellensystem enthaltendes Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE112004001186B4
Application number: DE112004001186.8T
Authority: DE
Inventors: Tetsuhiro Ishikawa; Hiroshi Yoshida; Hitoshi Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: DE112004001186T8; JP2005071797A; CN100534828C; DE112004001186T5; JP4811626B2; CN1832872A; US20060257698A1; WO2005018979A1; WO2005018979A8; US7939213B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20), einer Speichereinrichtung für elektrische Leistung (30) und einer Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und der Speichereinrichtung für elektrische Leistung, wobei
die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) enthält:
eine intermittierende Betriebseinrichtung (50) zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn eine Menge an vom Verbraucher benötigter elektrischer Leistung niedriger ist als ein Referenzwert (Ps, Pon), und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als der Referenzwert;
dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) ferner eine Grenzwerteinstelleinrichtung (50) enthält, zum Einstellen des Referenzwertes (Ps, Pon) basierend auf einer Leerlaufspannung (Vocv) der Brennstoffzelle (20), deren Versorgung mit Wasserstoff vollständig gestoppt wurde.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein elektrisches Fahrzeug bzw. ein Elektrofahrzeug. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer Speichereinrichtung für elektrische Leistung, sowie ein Elektrofahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem enthält.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es besteht Bedarf für eine Verbesserung der Energieeffizienz in einem Elektrofahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Beispielsweise offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP 2001-307758 A ein Brennstoffzellensystem, bei welchem eine benötigte Menge an elektrischer Leistung von einer Brennstoffzelle und einer sekundären Batterie bzw. Sekundärbatterie geliefert wird, wenn eine Last höher als ein Referenzwert ist, und die benötigte Menge der elektrischen Leistung von der Sekundärbatterie geliefert wird während der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist, wenn die Last gleich oder höher als der Referenzwert ist. Bei dem Brennstoffzellensystem wird die Brennstoffzelle intermittierend betrieben, so daß der Betrieb der Brennstoffzelle in einem Niedriglastbereich, bei dem die Effizienz des Brennstoffzellensystem abnimmt, zeitweise gestoppt wird, und die Brennstoffzelle in einem Bereich betrieben wird, bei dem die Energiewandlungseffizienz hoch ist, wodurch die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Obwohl die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems durch den intermittierenden Betrieb der Brennstoffzelle verbessert wird, fluktuiert eine Last in einem elektrischen Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug häufig. Daher muß, in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle intermittierend betrieben wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle zeitweilig gestoppt ist und die Versorgung mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle zeitweilig gestoppt ist, der Betrieb der Brennstoffzelle innerhalb kurzer Zeit neu gestartet werden. Demgemäß können ein Druckluftkompressor und eine Wasserstoffpumpe (Hilfsmaschinen) betrieben werden, so daß die Leerlaufspannung (OCV) an einem Ausgangsende der Brennstoffzelle auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, selbst während die Versorgung mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle gestoppt ist. In diesem Fall wird jedoch Wasserstoff (Kraftstoff) durch die Brennstoffzelle verbraucht, um die Leerlaufspannung aufrecht zu erhalten, und dementsprechend verschlechtert sich die Kraftstoffökonomie.
Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist ferner offenbart in der DE 102 60 013 A1 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem eine Brennstoffzelle intermittierend betrieben wird, die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, und das Ansprechverhalten der Brennstoffzelle verbessert werden kann, das bedeutet die benötigte Zeit zum Neustarten der Brennstoffzelle, die gestoppt wurde, verringert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, das eine Brennstoffzelle und eine sekundäre Batterie bzw. Sekundärbatterie aufweist, bei welchem die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, und das Ansprechverhalten des Fahrzeugs verbessert werden kann.
Um die vorstehend angeführten Aufgaben zu erreichen bezieht sich die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Speichereinrichtung für elektrische Leistung und einer Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und der Speichereinrichtung für elektrische Leistung. Bei dem Brennstoffzellensystem umfaßt die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung eine intermittierende Betriebseinrichtung zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle, wenn eine Menge an vom Verbraucher benötigter elektrischer Leistung niedriger ist als ein Referenzwert, und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als der Referenzwert, und eine Grenzwerteinstelleinrichtung zum Einstellen des Referenzwertes gemäß der internen elektromotorischen Kraft in der Brennstoffzelle, deren Betrieb gestoppt wurde.
Mit dieser Konfiguration kann, da der Grenzwert zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle gemäß der internen elektromotorischen Kraft (Leerlaufspannung), welche durch das verbleibende Brenngas in der Brennstoffzelle erzeugt wird, angepaßt wird, der Betrieb der Brennstoffzelle in kurzer Zeit neu gestartet werden. Demgemäß kann, selbst wenn die Versorgung der Brennstoffzelle mit Kraftstoff (Wasserstoff) vollständig während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle gestoppt wird, die Brennstoffzelle schnell neu gestartet werden. Daher kann die Effizienz der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs verbessert werden, und die Funktionsfähigkeit bzw. Bedienbarkeit der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs kann verbessert werden, das bedeutet, eine Startansprechzeit des Brennstoffzellensystems kann verringert werden.
Bei dem Brennstoffzellensystem kann die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung die intermittierende Betriebseinrichtung zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle, wenn eine Menge an vom Verbraucher benötigter elektrischer Leistung niedriger ist als ein erster Referenzwert, und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als ein zweiter Referenzwert, und die Grenzwerteinstelleinrichtung zum Einstellen der zweiten Referenzwertes gemäß der internen elektromotorischen Kraft in der Brennstoffzelle, deren Betrieb gestoppt wurde, umfassen. Die Speichereinrichtung für elektrische Leistung speichert elektrische Energie. Beispielsweise wird eine Sekundärbatterie (Speicherbatterie), ein Kondensator oder ein sogenannter Ultrakondensator (ultra capacitor) (ein Kondensator mit hoher Kapazität) als die Speichereinrichtung für elektrische Leistung verwendet.
Mit dieser Konstruktion kann, da der Grenzwert zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle gemäß der internen elektromotorischen Kraft (Leerlaufspannung) die vom verbleibenden bzw. übrigen Brenngas in der Brennstoffzelle erzeugt wird, angepaßt wird, der Betrieb der Brennstoffzelle, wie bei dem vorgenannten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, in einer kurzen Zeit neu gestartet werden. Demgemäß kann, selbst wenn die Versorgung der Brennstoffzelle mit Kraftstoff (Wasserstoff) vollständig während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle gestoppt wird, der Betrieb der Brennstoffzelle schnell neu gestartet werden. Daher kann die Effizienz der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs verbessert werden, und die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs kann verbessert werden, das bedeutet, die Startansprechzeit des Brennstoffzellensystems kann verringert werden. Da ferner ein Erfassungswert (Grenzwert) zum Erfassen, ob der Betrieb der Brennstoffzelle neu gestartet werden muß, unterschiedlich zu einem Erfassungswert (Grenzwert) zum Erfassen, ob der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt werden muß, ist, kann das Auftreten von Nachlauf (hunting) verhindert werden.
Die Grenzwerteinstelleinrichtung kann den zweiten Grenzwert gemäß einer Abnahme der internen elektromotorischen Kraft in der Brennstoffzelle verringern, so daß ein Zeitpunkt, bei welchem der Betrieb der Brennstoffzelle gestartet wird, relativ fortgeschritten ist.
Die Grenzwerteinstelleinrichtung kann ferner Daten in Bezug auf den Grenzwert speichern, der gemäß der internen elektromotischen Kraft in der Brennstoffzelle eingestellt werden muß. Die Daten können als eine Tabelle oder als eine Funktion gespeichert werden.
Überdies kann die Speichereinrichtung für elektrische Leistung zumindest eines von einer Sekundärbatterie (oder eine Speicherbatterie) und einem Kondensator enthalten, welche mit elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle geladen werden.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrofahrzeug mit einem Motor der Leistung für das Fahrzeug erzeugt und mit einem Brennstoffzellensystem, das eine Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung zur Versorgung des Motors mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und eine Speichereinrichtung für elektrische Leistung enthält. Bei dem Elektrofahrzeug enthält die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung eine intermittierende Betriebseinrichtung zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle, wenn eine Menge an elektrischer Leistung, die der den Motor umfassende Verbraucher benötigt, niedriger ist als ein Referenzwert, und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als der Referenzwert, und eine Grenzwerteinstelleinrichtung zum Einstellen des Referenzwertes gemäß der internen elektromotorischen Kraft in der Brennstoffzelle, deren Betrieb gestoppt wurde.
Bei dem Elektrofahrzeug kann die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung aufweisen: die intermittierende Betriebseinrichtung zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle, wenn eine Menge an elektrischer Leistung, die der den Motor umfassenden Verbraucher benötigt, niedriger ist als ein erster Referenzwert, und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als ein zweiter Referenzwert; und die Grenzwerteinstelleinrichtung zum Einstellen des zweiten Referenzwertes gemäß der internen elektromotorischen Kraft in der Brennstoffzelle, deren Betrieb gestoppt wurde.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich zu verhindern, daß sich das Ansprechverhalten der Brennstoffzelle verschlechtert, wenn die Brennstoffzelle neu gestartet wird, selbst wenn die Kraftstoffversorgung der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs vollständig gestoppt wurde. Demgemäß ist es möglich, sowohl die Kraftstoffeffizienz als auch das Ansprechverhalten (beispielsweise das Beschleunigungsansprechverhalten) des Elektrofahrzeugs zu verbessern.
Gemäß der Erfindung kann, da die Kraftstoffversorgung der Brennstoffzelle vollständig gestoppt werden kann, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle gestoppt wird, die Kraftstoffeffizienz verbessert werden. Ferner ist es möglich, eine Verzögerung beim Neustart des Betriebs der Brennstoffzelle (Ansprechverhalten der Brennstoffzelle) zu unterdrücken, selbst wenn die Kraftstoffversorgung der Brennstoffzelle vollständig gestoppt ist, da der Grenzwert zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle gemäß der verbleibenden elektromotorischen Kraft (Leerlaufspannung) festgesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
Die vorstehende sowie andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung dieser Erfindung werden durch Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen zeigt:
1 ein Blockdiagramm zur Erklärung eines Elektrofahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem;
2 ein Blockdiagramm zur Erklärung von Hilfsmaschinen (bei einem Fall, bei dem Wasserstoffgas verwendet wird);
3 ein Blockdiagramm zur Erklärung von Hilfsmaschinen (bei einem Fall, bei dem reformiertes Gas verwendet wird);
4A bis 4C Graphen, welche jeweils die Effizienz des Brennstoffzellensystems erklären;
5 einen Graph zur Erklärung eines Beispiels, bei welchem Wasserstoffgas intermittierend geliefert wird, um die Leerlaufspannung (OCV) einer Brennstoffzelle auf einem vorbestimmten Wert zu halten;
6 einen Graph zur Erklärung einer Charakteristik bzw. Eigenschaft, bei welcher ein Start des Betriebs der Brennstoffzelle (Anstieg der Ausgabe) aufgrund einer Abnahme der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle verzögert wird;
7 ein Flußdiagramm zur Erklärung einer Steuerung zum intermittierenden Betreiben der Brennstoffzelle und zum frühen Starten der Brennstoffzelle gemäß einer Abnahme der Leerlaufspannung, wobei die Steuerung von einem Steuerabschnitt ausgeführt wird;
8 einen Graph zur Erklärung eines Beispiels, bei welchem ein Referenzwert (Grenzwert) zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle gemäß der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle eingestellt wird;
9 ein Diagramm zur Erklärung eines Beispiels, bei welchem der Referenzwert zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs des Brennstoffzellensystems gemäß der Leerlaufspannung verändert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung in Form von beispielhaften Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Jede der 4A, 4B und 4C zeigt einen Graph, der die Effizienz einer Brennstoffzelle darstellt. 4A zeigt einen Graph, der ein Verhältnis zwischen einer elektrischen Stromdichte, und der Effizienz einer Zelleneinheit (Brennstoffzelleneffizienz) und der Brennstoffzellenausgabe darstellt. 4B zeigt einen Graph, der ein Verhältnis zwischen der Leistung für Hilfsmaschinen bzw. Hilfsmaschinerie und der Brennstoffzellenausgabe darstellt. 4C zeigt einen Graph, der ein Verhältnis zwischen der Brennstoffzellenausgabe und einer Effizienz des Brennstoffzellensystems darstellt.
Mittlerweile benötigen Hilfsmaschinen, wie beispielsweise ein Luftkompressor und eine Pumpe zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brenngas (Sauerstoff und Wasserstoffgas) Leistung, die im Wesentlichen mit einer Zunahme einer Gasversorgungsmenge (Brennstoffzellenausgabe) zunimmt. Selbst wenn die Brennstoffzellenausgabe niedrig ist, benötigen die Hilfsmaschinen eine vorbestimmte Menge an Leistung (siehe 4B). Daraus resultierend nimmt, wie in 4C dargestellt, die Effizienz des Brennstoffzellensystems ab, wenn die Brennstoffzellenausgabe abnimmt. Beispielsweise wird die Effizienz des Brennstoffzellensystems durch einen Wert dargestellt, der durch Division eines Betrages an elektrischer Leistung, der durch Subtraktion eines Betrages elektrischer Leistung, die benötigt wird, um die Hilfsmaschinen anzutreiben, von einem Betrag erzeugter elektrischer Leistung erhalten wird, durch einen Betrag der Gasversorgung erhalten wird.
Demgemäß wird die Versorgung mit elektrischer Leistung von einer Brennstoffzelle 20 gestoppt, und die elektrische Leistung wird von einer Sekundärbatterie (Speichereinrichtung für elektrische Leistung) in einem Niedriglastbereich, bei dem eine von der Brennstoffzelle benötigte Last geringer als ein Referenzwert Ps ist (d. h. ein Bereich, bei dem die Effizienz des Brennstoffzellensystems relativ gering ist), geliefert. Mittlerweile wird, in einem Hochlastbereich, bei dem die von der Brennstoffzelle benötigte Last gleich oder größer als der Referenzwert Ps ist (d. h. ein Bereich, bei dem die Effizienz der Brennstoffzelle relativ hoch ist), elektrische Leistung von der Brennstoffzelle und der Sekundärbatterie an den Verbraucher geliefert, wodurch die Effizienz der Brennstoffzelle verbessert werden kann. Dies ist ein Grund dafür, daß die Brennstoffzelle intermittierend betrieben wird.
Mittlerweile muß eine Leistungserzeugungsquelle (ein Motor und eine Leistungsquelle) auf die Betätigung eines Beschleunigers ansprechen bzw. reagieren, und den Betrieb des Elektrofahrzeugs starten. Daher werden, wie in 5 dargestellt, selbst während die Versorgung des Motors mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle gestoppt ist, die Hilfsmaschinen intermittierend betrieben, so daß Brenngas intermittierend an die Brennstoffzelle geliefert wird, und die Brennstoffzelle hält die Leerlaufspannung (OCV) auf einem vorbestimmten Wert, beispielsweise 400 Volt.
6 zeigt eine Startansprechverhaltenscharakteristik der Brennstoffzelle, wenn das Fahrzeug mit vollständig niedergedrücktem Beschleuniger bzw. Gaspedal losfährt (d. h. wenn der Beschleunigeröffnungsbetrag 100% ist). In 6 stellt eine durchgezogene Linie eine Brennstoffzellenausgabecharakteristik für einen Fall dar, bei dem die Brennstoffzelle gestartet wird, während die Leerlaufspannung auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, und eine gestrichelte Linie stellt eine Brennstoffzellenausgabecharakteristik für einen Fall dar, bei dem die Brennstoffzelle gestartet wird, nachdem die Leerlaufspannung abgenommen hat (siehe eine Doppel-Strich-Punkt-Linie in 5). Während die Leerlaufspannung auf dem vorbestimmten Wert in der Brennstoffzelle gehalten wird, tritt eine Ansprechverzögerung d auf. Mittlerweile tritt, während die Leerlaufspannung nicht auf dem vorbestimmten Wert gehalten wird, eine Ansprechverzögerung D, die größer als die Ansprechverzögerung d ist, aufgrund der verringerten Leerlaufspannung auf. Wenn die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle abnimmt, steigt auch die Ausgabe (Arbeitslast) der Sekundärbatterie, wenn der Motor gestartet wird. Demgemäß muß, um die gute Startansprechverhaltenscharakteristik der Brennstoffzelle beizubehalten, Brenngas unnötig verbraucht werden, um die Leerlaufspannung auf dem vorbestimmten Wert zu halten. Selbst wenn die Brennstoffzelle intermittierend betrieben wird, so daß elektrische Leistung der Brennstoffzelle nur in dem Bereich geliefert wird, bei dem die Effizienz des Brennstoffzellensystems hoch ist, wird die Kraftstoffeffizienz nicht verbessert.
Demgemäß wird in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform, wenn die Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle gestoppt ist, die Versorgung der Brennstoffzelle mit Brenngas vollständig gestoppt. Auch wird der Referenzwert Ps der benötigten Last, auf dem basierend der Betrieb der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle gestartet wird, gemäß der Leerlaufspannung, die während des vollständigen Stops der Brenngasversorgung abgesenkt wird, derart angepaßt, daß ein Zeitpunkt, zu welchem der Betrieb der Brennstoffzelle gestartet wird, fortgeschritten ist. Daher wird eine Verzögerung beim Start des Betriebs der Brennstoffzelle weitestmöglich unterdrückt. Der Referenzwert zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle und der Referenzwert zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs können voneinander verschieden sein, um ein Nachlaufen bzw. Schwingen (hunting) zu verhindern.
1 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch einen Aufbau eines Elektrofahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform ist in dem Fahrzeug befestigt und funktioniert als eine Leistungsquelle zum Antreiben des Fahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält hauptsächlich eine Brennstoffzelle 20, eine Sekundärbatterie 30, einen Motor 32 zum Antreiben des Fahrzeugs, Hilfsmaschinerie 34 bzw. Hilfsmaschinen 34, einen DC/DC-Wandler 36, ein Überwachungsgerät für eine verbleibende Kapazität 46, einen Steuerabschnitt 50, einen Inverter 80 und einen Meßfühler bzw. Sensor für elektrischen Strom 90. Nachfolgend wird jedes der das Brennstoffzellensystem 10 bildenden Bestandteile beschrieben.
Die Brennstoffzelle 20 ist eine Protonen-Austausch-Membran Brennstoffzelle und weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine Mehrzahl von Zelleneinheiten gestapelt sind. Die Zelleneinheit ist eine grundlegende Einheit der Brennstoffzelle. Die Zelleneinheit umfaßt einen Separator, eine Anode, eine Elektrolytmembran, eine Kathode, einen Separator (all diese Dinge sind nicht dargestellt), und dergleichen. Bei der Brennstoffzelle 20, wird Wasserstoff enthaltendes Brenngas an der Kathodenseite empfangen, Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas wird auf der Anodenseite empfangen und eine elektromotorische Kraft wird durch die untenstehend beschriebene elektrochemische Reaktion erhalten. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (½)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (½)O₂ → H₂O (3)
Die Gleichung (1) bezeichnet die Reaktion auf der Kathodenseite, die Gleichung (2) bezeichnet die Reaktion auf der Anodenseite und die Gleichung (3) bezeichnet die Reaktion, die in der gesamten Brennstoffzelle auftritt.
Bei der Brennstoffzelle 20 kann die Ausgabe durch Anpassung der Brenngasmenge und der Oxidationsgasmenge gemäß der Größe der Last, mit welcher die Brennstoffzelle 20 verbunden ist, gesteuert werden. Diese Steuerung der Ausgabe wird durch den Steuerabschnitt 50 durchgeführt. Das bedeutet, der Steuerabschnitt 50 gibt Antriebssignale an den Luftkompressor und ein in einer Kraftstoffversorgungsleitung vorgesehenes elektromagnetisches Ventil, welches nachfolgend beschrieben wird, aus, um den Betätigungsbetrag und den Öffnungs-/Schließungszustand davon anzupassen. Daher wird die Versorgungsgasmenge gesteuert und demgemäß wird die Ausgabe der Brennstoffzelle 20 gesteuert.
Die Brennstoffzelle 20 ist mit der Sekundärbatterie 30, dem Motor 32 und der Hilfsmaschinerie 34 verbunden. Die Brennstoffzelle liefert elektrische Leistung an den Motor 32 und die Hilfsmaschinerie 34 bzw. Hilfsmaschinen 34, und lädt die Sekundärbatterie 30 mit elektrischer Leistung gemäß den Zuständen dieser Verbraucher. In diesem Fall ist die Brennstoffzelle 20 mit dem Motor 32 und der Hilfsmaschinerie 34 über einen Schalter 20a verbunden. Nachdem der Steuerabschnitt 50 das Öffnen/Schließen des Schalters 20a und eines Schalters 30a auf der Seite der Sekundärbatterie steuert, wird elektrische Leistung an den Motor 32 und die Hilfsmaschinen 34 geliefert, und die Sekundärbatterie 30 wird mit elektrischer Leistung geladen. Ein Voltmeter 20b ist zudem mit einem Ausgang der Brennstoffzelle 20 verbunden, und eine festgestellte Spannung bzw. Feststellungsspannung (detection voltage) wird an den Steuerabschnitt 50 geliefert.
Die Sekundärbatterie 30 ist, so wie die Brennstoffzelle, eine Leistungsquellenvorrichtung (Speichereinrichtung für elektrische Leistung) zur Versorgung des Motors 32 sowie der Hilfsmaschinen 34 mit elektrischer Leistung. Obwohl eine Bleibatterie in dieser Ausführungsform verwendet wird, kann eine andere Sekundärbatterie wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie (NiCd-Akku), eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithiumsekundärbatterie verwendet werden. Die Kapazität der Sekundärbatterie 30 wird entsprechend der Größe des Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem 10, einem angenommenen Laufzustand, benötigter Leistung des Fahrzeugs (Höchstgeschwindigkeit, Laufleistung und dergleichen), und dergleichen bestimmt. Anstelle der Sekundärbatterie 30 kann ein Kondensator oder ein Ultrakondensator mit hoher Kapazität verwendet werden.
Der Motor 32 ist ein Drei-Phasen-Synchronmotor. Elektrischer Gleichstrom, der von der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 ausgegeben wird, wird mittels eines Inverters 80, der nachfolgend beschrieben wird, in elektrischen Drei-Phasen-Wechselstrom gewandelt, und der Drei-Phasen-Wechselstrom wird an den Motor 32 angelegt. Wenn der Motor 32 die Versorgung mit derartiger elektrischer Leistung empfängt, erzeugt der Motor 32 eine Rotationsantriebskraft. Die Rotationsantriebskraft wird auf die Vorderräder und/oder die Hinterräder des Fahrzeugs über eine Achse des Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem 10 übertragen, und die Rotationsantriebskraft dient als Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs. Der Motor 32 wird durch eine Steuervorrichtung 33 gesteuert. Die Steuervorrichtung 33 ist mit einem Gaspedalpositionssensor 33b zur Erfassung eines Betätigungsbetrages eines Gaspedals 33a und dergleichen verbunden. Die Steuervorrichtung 33 ist auch mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden, und verschiedene Arten von Informationen hinsichtlich des Antriebs des Motors 32 und dergleichen werden zwischen der Steuervorrichtung 33 und dem Steuerabschnitt 50 übermittelt. Beispielsweise wird der Betätigungsbetrag des Gaspedals 33a an den Steuerabschqnitt 50 als Betrag der benötigten Antriebsleistung übermittelt.
Die Hilfsmaschinerie 34 bzw. die Hilfsmaschinen 34 versorgt bzw. versorgen die Brennstoffzelle 20 mit Brenngas und dergleichen, um die Brennstoffzelle 20 zu betreiben.
2 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration der Hilfsmaschinen in einem Fall zeigt, bei dem Hochdruckwasserstoff als Kraftstoff verwendet wird. Wasserstoff, der in einem Hochdruckwasserstofftank 34a bevorratet ist, wird an eine Kathodengruppe der Brennstoffzelle 20 mittels eines Öffnungs-/Schließungsventils 34b, eines Druckverringerungsventils 34c, zur Einstellung des Drucks, und eines Öffnungs-/Schließungsventils 34d geliefert. Das Öffnen/Schließen sowie die Öffnungs-/Schließungsbeträge dieser Ventile werden elektromagnetisch durch den Steuerabschnitt 50 gesteuert, der nachfolgend beschrieben wird. Das ausströmende (exhaust) Wasserstoffgas, das in der Brennstoffzelle 20 nicht verwendet wird, wird mittels eines Gas-Flüssigkeit-Separators 34e gesammelt und unter Verwendung einer Pumpe 34f an die Brennstoffzelle 20 zurückgeführt und wiederverwendet. Mittlerweile werden durch einen Luftfilter 34g Fremdstoffe aus der Luft (Sauerstoff) entfernt, welche an eine Anodengruppe angelegt wird. Dann wird die Luft (Sauerstoff) durch einen Kompressor 34h komprimiert, durch einen Befeuchter 34i angefeuchtet, und dann an die Brennstoffzelle geliefert. Der Kompressor 34h kann den Druck des an die Brennstoffzelle 20 gelieferten Oxidationsgases einstellen.
3 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration der Hilfsmaschinerie in einem Fall zeigt, bei dem ein Reformer als Wasserstoffgasquelle verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem 10 umfaßt hauptsächlich die vorstehend genannte Brennstoffzelle 20, einen Methanoltank 34j, einen Wassertank 34k, einen Reformer 34l und einen Luftkompressor 34m. Zusätzlich enthält das Brennstoffzellensystem 10 ferner Pumpen 34n und 34o, welche den Reformer 34l mit Methanol und Wasser aus dem Tank versorgen, und ein elektromagnetisches Ventil 34p, das eine Menge des vom Reformer 34l an die Brennstoffzelle 20 gelieferten Wasserstoffs einstellt. Der Luftkompressor 34m kann den Druck des an die Brennstoffzelle 20 gelieferten Oxidationsgases einstellen.
Die Hilfsmaschinerie 34 umfaßt, zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen elektromagnetischen Ventil, dem Luftkompressor und den Pumpen, eine Massenflußsteuervorrichtung, eine Wasserpumpe (nicht dargestellt), und dergleichen. Die Wassserpumpe setzt ein Kühlmittel unter Druck und bringt das Kühlmittel in der Brennstoffzelle 20 zum Zirkulieren. Da das Kühlmittel zum Zirkulieren gebracht wird, und ein Wärmeaustausch in der Brennstoffzelle 20 durchgeführt wird, wird eine Temperatur in der Brennstoffzelle 20 derart gesteuert, daß sie gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist. Die Massenflußsteuervorrichtung stellt, wie vorstehend beschrieben, den Druck und den Flußbetrag des an die Brennstoffzelle 20 gelieferten Brenngases ein. In 1 werden die Brennstoffzelle 20 und die Hilfsmaschinen 34 unabhängig voneinander dargestellt. Jedoch können diese Vorrichtungen in Bezug auf die Steuerung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle 20 auch als Peripheriegeräte der Brennstoffzelle 20 bezeichnet werden.
Der DC/DC-Wandler 36 wandelt Spannung der von der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 ausgegebenen elektrischen Energie um, und speist die elektrische Energie in die Hilfsmaschinerie 34. Allgemein ist die Spannung, die zum Antreiben des Motors 32 benötigt ist, etwa 200 Volt bis 300 Volt, und die Brennstoffzelle 20 sowie die Sekundärbatterie 30 geben die Spannung entsprechend der benötigten Spannung aus. Da jedoch die Spannung zum Betreiben der Hilfsmaschinen 34, wie beispielsweise der Pumpe, des Kompressors und des elektromagnetischen Ventils etwa 12 Volt beträgt, kann die von der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 ausgegebene Spannung nicht so wie sie ist an die Hilfsmaschinerie 34 angelegt werden. Demgemäß wird die Spannung durch den DC/DC-Wandler verringert.
Der Motor 32 kann, durch das Ein- und Ausschalten des vorstehend genannten Schalters 20a auf der Seite der Brennstoffzelle und des Schalters 30a auf der Seite der Sekundärbatterie, mit der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 verbunden und von diesen wieder getrennt werden. Der Verbindungszustand eines jeden der vorgenannten Schalter wird durch den Steuerabschnitt 50 gesteuert.
Das Überwachungsgerät für die verbleibende Kapazität 46 erfaßt die verbleibende Kapazität der Sekundärbatterie 30 und wird von einem SOC-Meßgerät (SOC-Meter) gebildet. Das SOC-Meßgerät akkumuliert elektrische Lade-/Entladestromwerte und Lade-/Entladezeiten in der Sekundärbatterie 30. Auf Basis dieses Wertes berechnet der Steuerabschnitt 50 die verbleibende Kapazität der Sekundärbatterie 30. Das Überwachungsgerät für verbleibende Kapazität 46 kann anstelle des SOC-Meßgerätes von einem Spannungssensor gebildet werden. Wenn die verbleibende Kapazität der Sekundärbatterie 30 abnimmt, nimmt der Spannungswert ab. Daher kann die verbleibende Kapazität der Sekundärbatterie 30 durch Ermitteln der Spannung unter Verwendung dieser Charakteristik festgestellt werden. Ein derartiger Spannungssensor ist mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden, und das Verhältnis zwischen dem durch den Spannungssensor erfaßten Spannungswert und der verbleibenden Kapazität der Sekundärbatterie 30 wird vorab im Steuerabschnitt 50 gespeichert, wodurch der Steuerabschnitt 50 die verbleibende Kapazität der Sekundärbatterie 30 basierend auf dem vom Spannungssensor eingegebenen erfaßten Wert erhalten kann. Alternativ kann das Überwachungsgerät für verbleibende Kapazität 46 die verbleibende Kapazität durch messen einer spezifischen Schwerkraft eines Elektrolyts der Sekundärbatterie 30 erfassen.
Der Steuerabschnitt 50 ist als logische Schaltung konfiguriert, hauptsächlich einen Mikrocomputer enthaltend, und enthält eine CPU 52, ein ROM 54, ein RAM 56 und einen Eingabe-/Ausgabe-Port 58. Die CPU 52 führt vorbestimmte Berechnungen und dergleichen gemäß den vorab eingestellten Steuerprogrammen aus. Die Steuerprogramme und Steuerdaten, die notwendig sind, wenn die CPU 52 unterschiedliche Berechnungen durchführt, sind im ROM 54 gespeichert. Verschiedene Daten, die nötig sind, wenn die CPU 52 unterschiedliche Berechnungen durchführt, werden temporär im RAM 56 gelesen und geschrieben. Der Eingabe-/Ausgabe-Port 58 empfängt Erfassungssignale und dergleichen von verschiedenen Sensoren, wie beispielsweise dem Ausgangsvoltmeter 20b und dem Überwachungsgerät für die verbleibende Kapazität 46. Zusätzlich gibt der Eingabe-/Ausgabe-Port 58 Antriebssignale an den Inverter 80 und der gleichen aus, gemäß dem Ergebnis der Berechnungen, um dadurch den Antriebszustand bzw. Betriebszustand eines jeden Abschnitts des Brennstoffzellensystems zu steuern.
In 1 empfängt der Steuerabschnitt 50 Signale vom Ausgangsvoltmeter 20b, dem Überwachungsgerät für die verbleibende Kapazität 46 und dem Sensor für elektrischen Strom 90, gibt ein Antriebssignal an den Inverter 80 aus, und sendet ein Signal an die Steuervorrichtung 33 und empfängt ein Signal von der Steuervorrichtung 33. Der Steuerabschnitt 50 führt jedoch verschiedene andere Steuerungen im Brennstoffzellensystem aus. Die Hauptsteuerungen, die in 1 nicht dargestellt werden, jedoch vom Steuerabschnitt 50 ausgeführt werden, enthalten eine Steuerung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle 20. Wie vorstehend beschrieben, steuert der Steuerabschnitt 50 die Oxidationsgasmenge und die Brenngasmenge durch Ausgeben von Antriebssignalen an den Luftkompressor und das Massenflußsteuergerät. Bei dem Fall, bei dem der Reformer verwendet wird, steuert der Steuerabschnitt 50 die Mengen des Methanols und des Wassers, welche an den Reformer 34l geliefert werden, und regelt die Temperatur der Brennstoffzelle 20 und die Temperatur des Reformers 34l.
Der Inverter 80 wandelt den von der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 gelieferten Gleichstrom in Drei-Phasen-Wechselstrom, und speist den Drei-Phasen-Wechselstrom in den Motor 32 ein. Basierend auf der Anweisung vom Steuerabschnitt 50 stellt der Inverter 80 die Amplitude (eigentlich die Impulsbreite) und die Frequenz des in den Motor 32 gespeisten Drei-Phasen-Wechselstroms ein, um dadurch die vom Motor 32 erzeugte Antriebskraft zu steuern. Der Inverter 80 wird unter Verwendung von sechs Schaltelementen (beispielsweise bipolare MOSFETs (IGBTs)) als Hauptschaltungselemente gebildet. Der von der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie 30 gelieferte Strom wird durch Schaltoperationen dieser Schaltelemente in den Drei-Phasen-Wechselstrom mit einer gegebenen Amplitude und Frequenz umgewandelt.
Jedes der im Inverter 80 enthaltenen Schaltelemente ist mit dem Steuerabschnitt 50 über eine leitfähige Leitung verbunden, und ein Schalttiming eines jeden Schaltelements wird unter Verwendung des Antriebssignals vom Steuerabschnitt 50 gesteuert.
Der Verbindungszustand zwischen dem Inverter 80 und der Brennstoffzelle 20 oder der Sekundärbatterie 30 wird durch Steuerung der vorgenannten Schalter 20a und 30a entschieden. Das bedeutet, der Inverter 80 kann mit der Brennstoffzelle 20 verbunden sein, der Inverter 80 kann mit der Sekundärbatterie 30 verbunden sein, und der Inverter kann gleichzeitig mit sowohl der Brennstoffzelle 20 als auch der Sekundärbatterie 30 verbunden sein. Während der Inverter 80 und die Brennstoffzelle 20 und/oder die Sekundärbatterie 30 auf die vorgenannte Weise verbunden sind, wird willkürlich eine Ausgangssteuerung der Brennstoffzelle 20 (Steuerung zum Betreiben der Brennstoffzelle 20, um elektrische Leistung zu erzeugen) ausgeführt, und ebenso wird eine Ausgangssteuerung der Sekundärbatterie 30 (Steuerung zum An- und Ausschalten der Ausgabe) willkürlich ausgeführt.
Der Sensor für den elektrischen Strom 90 erfaßt von der Sekundärbatterie 30 ausgegebenen elektrischen Strom. Der Ausgangszustand der Sekundärbatterie 30 kann ein Entladezustand oder ein Ladezustand sein. Nachfolgend werden jedoch der elektrische Strom, der von der Sekundärbatterie 30 im Ladezustand ausgegeben wird, sowie der, der im Entladezustand ausgegeben wird, beide als „ausgegebener elektrischer Strom” bezeichnet. Der Sensor für elektrischen Strom 90 ist mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden, und der durch den Sensor für elektrischen Strom 90 erfaßte elektrische Stromwert wird in den Steuerabschnitt 50 eingegeben. Der eingegebene elektrische Stromwert wird dazu verwendet, um den Lade-/Entladezustand der Sekundärbatterie 30 festzustellen.
Nachfolgend wird eine Brennstoffzellensteuerung beschrieben, welche durch das Brennstoffzellensystem 10 mit der vorgenannten Konfiguration ausgeführt wird. 7 zeigt ein Flußdiagramm, daß Vorgänge der Brennstoffzellensteuerung zeigt. Die Ausführung der Brennstoffzellensteuerung beginnt bei der CPU 52 in einem Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem 10, wenn ein vorbestimmter Startschalter zum Starten des Brennstoffzellensystems eingeschalten wird, und wird in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt, beispielsweise in Zeitintervallen von 10 μsec (Schritt S100).
Wenn die Routine ausgeführt wird, liest der Steuerabschnitt 50 zuerst die Menge der von einem Fahrer des Elektrofahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem 10 durch eine Beschleunigerbetätigung benötigten Leistung aus, und liest eine verbleibende Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 aus (Schritt S110). Die benötigte Antriebsleistung ist Leistung (elektrische Verbraucherleistung) zum Drehen des Motors 32 des Fahrzeugs gemäß der Anforderung des Fahrers. Die Menge der benötigten Antriebsleistung wird unter Verwendung der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung und der von der Sekundärbatterie 30 entladenen bzw. abgegebenen elektrischen Leistung erhalten. In diesem Fall wird die Menge der benötigten Antriebsleistung durch Eingabe eines Betätigungsbetrages des Gaspedals 33a (Ausgabe des Gaspedalpositionssensors 33b) in den Steuerabschnitt 50 mittels der Steuervorrichtung 33 festgestellt. Die verbleibende Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 wird auch durch das Lesen des Ausgabewertes vom Überwachungsgerät für eine verbleibende Kapazität 46 berechnet.
Auf die Berechnung der verbleibenden Kapazität Q folgend, wird eine Feststellung hinsichtlich eines intermittierenden Flags ausgeführt, das anzeigt, daß die Brennstoffzelle 20 in einem intermittierenden Betriebszustand ist und intermittierend betrieben wird (Schritt S120). Das intermittierende Flag wird durch einen Vorgang, der später beschrieben werden wird, gesetzt und zurückgesetzt. Wenn das intermittierende Flag gesetzt ist (d. h. wenn das Flag an ist), muß die Brennstoffzelle 20 intermittierend betrieben werden. Wenn das intermittierende Flag zurückgesetzt ist (d. h. wenn das Flag aus ist), muß die Brennstoffzelle 20 gleichmäßig betrieben werden.
Wenn festgestellt wird, daß das intermittierende Flag zurückgesetzt ist (d. h. die Brennstoffzelle 20 wird gleichmäßig betrieben, JA in Schritt S120), wird festgestellt, ob die Menge der benötigten Antriebsleistung niedriger ist als ein Grenzwert Ps, der ein Feststellungsreferenzwert ist (Schritt S130). Wie in 4C dargestellt, ist der Grenzwert Ps ein Grenzwert des Brennstoffzellenausgangs im Niedriglastbereich, bei dem die Effizienz des Brennstoffzellensystems auf Grund des niedrigen Ausgangs der Brennstoffzelle 20 gering ist. Der Grenzwert Ps wird als Referenz zur Feststellung, ob die Versorgung mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle 20 gestoppt werden muß, und ob der intermittierende Betriebsmodus ausgeführt werden muß, verwendet. Beispielsweise wird der Grenzwert Ps auf einen Wert gesetzt, der bis zu 10% der Erzeugungskapazität für elektrische Leistung (Versorgungskapazität für elektrische Leistung) entspricht. Der Grenzwert Ps kann auf verschiedene Arten gemäß der Lade-/Entladefähigkeit der Sekundärbatterie 30, der in Schritt S110 ausgelesenen verbleibenden Kapazität Q, oder dergleichen eingestellt werden. Daher ist die Erfindung nicht auf den vorgenannten Grenzwert Ps beschränkt.
Wenn eine bestätigende Feststellung in Schritt S130 gemacht wird (d. h. JA in Schritt S130), ist die Menge an benötigter Antriebsleistung geringer als der Grenzwert Ps, obwohl die Brennstoffzelle 20 kontinuierlich betrieben wird, da in Schritt S120 festgestellt wurde, daß das intermittieren Flag aus ist. Demgemäß wird in diesem Fall das intermittierende Flag auf an gestellt, um anzuzeigen, daß der Betriebsmodus der Brennstoffzelle 20 vom kontinuierlichen Betriebsmodus in den intermittierenden Betriebsmodus gewechselt werde muß (Schritt S140). Danach werden die in Schritt S100 ausgelesene verbleibende Kapazität Q und die benötigte Antriebsleistung miteinander verglichen, und es wird festgestellt, ob der Motor 32 gemäß der benötigten Antriebsleistung, unter Verwendung von lediglich der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30, drehend angetrieben werden kann (Schritt S150). Das bedeutet, es wird festgestellt, ob die Menge an benötigter Antriebsleistung unter Verwendung lediglich der verbleibenden Kapazität Q erhalten werden kann.
Wenn in Schritt S150 festgestellt wird, daß die Menge der benötigten Antriebsleistung unter Verwendung von lediglich der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q erhalten werden kann (d. h. JA in Schritt S150), wird der Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtungsgruppe bzw. Brennstoffzellengerätegruppe (fuel cell equipment group), welche die Brennstoffzelle 20 und die Hilfsmaschinen (Peripheriegeräte) der Brennstoffzelle 20, wie beispielsweise eine Pumpe und einen Luftkompressor, enthält, gestoppt, und die Belieferung der Brennstoffzelle 20 mit Brenngas wird im Erzeugungsbereich niedriger elektrischer Leistung gestoppt. Der Schalter 20a wird geöffnet, und die Versorgung des Motors 32 mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle 20 wird gestoppt. Die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 20 wird mittels des Voltmeters 20b erfaßt, und wird an den Steuerabschnitt 50 übermittelt (Schritt S160). Daran anschließend wird der Schalter 30a geschlossen und die elektrische Leistung der verbleibenden Kapazität Q wird von der Sekundärbatterie 30 an den Motor 32 geliefert Schritt S170), und der Vorgang wird beendet (Schritt S230). Daher wird der Motor 32 unter Verwendung von lediglich der von der Sekundärbatterie 30 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben, und das Fahrzeug wird gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben.
Mittlerweile wird, wenn in Schritt S150 festgestellt wird, daß die Menge der benötigten Antriebsleistung nicht unter Verwendung von lediglich der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 erhalten werden kann (d. h. NEIN in Schritt S150), das intermittierende Flag auf aus gestellt, um anzuzeigen, daß die vorgenannte Brennstoffzellengerätegruppe angetrieben werden muß, um elektrische Leistung zu erzeugen, und daß der Betriebsmodus der Brennstoffzelle 20 in den kontinuierlichen Betriebsmodus gewechselt werden muß, um sowohl die Sekundärbatterie 30, als auch die Brennstoffzelle 20 zu verwenden (Schritt S210). Daher kann, unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 und der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung der Motor 32 drehend angetrieben, und das Fahrzeug gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben werden.
Nach Schritt S210 werden, um die Menge der benötigten Antriebsleistung unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 und der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung zu erhalten, die Schalter 20a und 30a geschlossen, so daß elektrische Leistung von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 an den Motor 32 angelegt wird (Schritt S220). Dann wird der Vorgang beendet (Schritt S230). Genauer gesagt wird, da die Menge der benötigten Antriebsleistung und die verbleibende Kapazität Q in Schritt S110 ausgelesen werden und bereits bekannt sind, die Menge der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 erzeugt werden muß, basierend auf der Menge der benötigten Antriebsleistung und der verbleibenden Kapazität Q bestimmt. Demgemäß wird die vorgenannte Liefermenge an Brenngas zur Erzeugung der bestimmten Menge elektrischer Leistung berechnet, die vorgenannten Hilfsmaschinen (Peripheriegeräte) werden gemäß dem Ergebnis der Berechnung betrieben, und die bestimmte Menge elektrischer Leistung wird von der Brennstoffzelle 20 erzeugt. Daher wird der Motor 32 unter Verwendung der von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben, und das Fahrzeug wird gemäß der Menge der benötigten Antriebsleistung angetrieben.
Wenn in Schritt S130 festgestellt wird, daß die Menge der benötigten Antriebsleistung gleich dem Grenzwert Ps oder größer als dieser ist, wird die Brennstoffzelle 20 betrieben, um elektrische Leistung in dem Bereich zu erzeugen, in dem die Effizienz des Brennstoffzellensystems 20 hoch ist, um die Menge der benötigten Antriebsleistung zu erhalten. Demgemäß fährt der Vorgang mit Schritt S210 fort, um die benötigte elektrische Antriebsleistung unter Verwendung der elektrischen Leistung der Sekundärbatterie 30 und der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung zu erhalten. Daher wird der Motor 32 unter Verwendung der von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben, und das Fahrzeug wird gemäß der Menge der benötigten Antriebsleistung angetrieben (S220).
Mittlerweile liest, wenn der Steuerabschnitt 50 feststellt, daß das intermittierende Flag in Schritt S120 auf an gestellt ist (der intermittierende Betrieb wird ausgeführt) (d. h. NEIN in Schritt S120), der Steuerabschnitt 50 die Ausgangsspannung Vocv der Brennstoffzelle, die vom Voltmeter 20b an den Steuerabschnitt 50 geliefert wird, zur Einstellung eines Grenzwerts Pon aus, um festzustellen, ob der Betrieb der Brennstoffzelle gemäß der herrschenden bzw. vorliegenden Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle 20, deren Betrieb gestoppt wurde, gestartet werden muß (S180).
Der Steuerabschnitt 50 berechnet den Grenzwert Pon basierend auf der Ausgangsspannung Vocv der Brennstoffzelle 20. 8 zeigt einen Graph zur Erklärung eines Beispiels einer Beziehung zwischen der Leerlaufspannung Vocv und dem zu setzenden Grenzwert. Das ROM 54 des Steuerabschnitts 50 speichert vorab den Graph als Kennfelddaten oder als eine Funktion Pon = f(Vocv). Die Funktion Pon = f(Vocv) weist eine Charakteritik auf, daß der Grenzwert Pon mit einer Abnahme der Leerlaufspannung abnimmt. Daher wird der Grenzwert Pon zum Starten des Betriebs der Brennstoffzelle mit einer Abnahme der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle, deren Betrieb gestoppt wurde, abgesenkt. Da der Grenzwert Pon abgesenkt wird und der Zeitpunkt, zu dem der Betrieb der Brennstoffzelle 20 gestartet wird, relativ fortgeschritten ist, ist es möglich, einen Verzögerungsbetrag beim Anheben des Ausgangs der Brennstoffzelle 20 zu verringern, wie später beschrieben wird. Die optimale Charakteristik der Funktion f(Vocv) kann durch die Gestalt der Systems oder durch Experimente bestimmt werden. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist der Grenzwert Pon auf 7 Kilowatt gesetzt, wenn die Leerlaufspannung Vocv der Brennstoffzelle 20 400 Volt beträgt. Wenn die Leerlaufspannung Vcov 200 Volt beträgt, wird der Grenzwert Pon auf 3 Kilowatt eingestellt. Der Steuerabschnitt 50 stellt den Grenzwert Pon auf diese Weise ein (S190).
9 zeigt ein Diagramm zur Erklärung eines Beispiels, bei welchem der Grenzwert Pon gemäß der vorliegenden Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 20 eingestellt wird. Wenn die vorliegende Leerlaufspannung Vocv niedrig ist, wird der Grenzwert Pon so eingestellt, daß er relativ niedrig ist. Wenn die vorliegende Leerlaufspannung Vocv hoch ist (z. B. die Nennausgangsspannung), wird der Grenzwert Pon so eingestellt, daß er relativ hoch ist.
Nachfolgend stellt der Steuerabschnitt 50 fest, ob die Menge der benötigten Antriebsleistung größer als der Grenzwert Pon ist (Schritt S200). Wenn eine bestätigende Feststellung gemacht wird (d. h. JA in Schritt S200), ist die Menge der benötigten Antriebsleistung größer als der Grenzwert Pon, obwohl die Brennstoffzelle 20 intermittierend betrieben werden muß, da in Schritt S120 festgestellt wird, daß das intermittierende Flag an ist. Demgemäß führt der Vorgang mit Schritt S210 fort, um die große Menge der benötigten Antriebsleistung unter Verwendung der elektrischen Leistung der Sekundärbatterie 30 und der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Energie zu erhalten.
Wie vorstehend beschrieben bewirkt der Steuerabschnitt 50, daß die vorgenannte Brennstoffzellengerätegruppe betrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, und setzt das intermittierende Flag auf aus, um anzuzeigen, daß der Betriebsmodus der Brennstoffzelle 20 in den kontinuierlichen Betriebsmodus gewechselt werden muß (Schritt S210), um die Sekundärbatterie 30 und die Brennstoffzelle 20 zu nutzen. Daher kann der Motor 32 unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 und der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung drehend angetrieben werden, und das Fahrzeug kann gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben werden.
Auf Schritt S210 folgend werden, um die Menge der benötigten Antriebsleistung unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 und der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung zu erhalten, die Schalter 20a und 30a geschlossen, so daß die elektrische Leistung von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 an den Motor 32 geliefert wird (Schritt S220), anschließend wird der Vorgang beendet (S230).
Genauer gesagt wird, da die Menge der benötigten Antriebsleistung und die verbleibende Kapazität Q bereits in Schritt S110 bekannt sind, die Menge der von der Brennstoffzelle 20 zu erzeugenden elektrischen Leistung basierend auf der Menge der benötigten Antriebsleistung und der verbleibenden Kapazität Q bestimmt. Demgemäß wird die vorgenannte Liefermenge an Brenngas zur Erzeugung der bestimmten Menge elektrischer Leistung berechnet, die vorgenannten Hilfsmaschinen (Peripheriegeräte) werden gemäß dem Ergebnis der Berechnung betrieben, und die bestimmte Menge elektrischer Leistung wird von der Brennstoffzelle 20 erzeugt. Daher wird der Motor 32 unter Verwendung der von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben, und das Fahrzeug wird gemäß der Menge der benötigten Antriebsleistung angetrieben.
Wenn in Schritt S200 eine negative Feststellung gemacht wird (d. h. NEIN in Schritt S200), bleibt die Menge der benötigten Antriebsleistung gering. Demgemäß fährt der Vorgang, um die Menge der benötigten Antriebsleistung unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 zu erhalten, während die Brennstoffzellengerätegruppe mit der Brennstoffzelle 20 und deren Peripheriegeräten gestoppt bleibt, mit Schritt S150 fort, und die vorgenannten nachfolgenden Vorgänge werden ausgeführt. Daher wird bei dem Brennstoffzellensystem 10, während die Brennstoffzellengerätegruppe gestoppt ist (Schritt S160), der Motor 32 unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 drehend angetrieben (S170), und das Fahrzeug wird gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben. Wenn die elektrische Leistung der verbleibenden Kapazität Q nicht ausreichend ist (d. h. NEIN in Schritt S150), wird der Motor 32 unter Verwendung der von der Sekundärbatterie 30 und der Brennstoffzelle 20 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben (Schritt S210 und Schritt S220), und das Fahrzeug wird gemäß der Menge der benötigten Antriebsleistung angetrieben.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführungsform bestimmt, den Betrieb der Brennstoffzellengerätegruppe mit der Brennstoffzelle 20 und deren Peripheriegeräten gemäß der Menge an durch den Fahrer durch die Niederdrückung des Gaspedals 33a benötigter Antriebsleistung auszuführen oder zu stoppen. Das bedeutet, in dem Fall, in dem die Menge der benötigten Antriebsleistung groß ist, und demgemäß die von der Brennstoffzelle 20 benötigte Last hoch ist (d. h. NEIN in Schritt S130), wird die Brennstoffzellengerätegruppe derart betrieben, daß die Brennstoffzelle 20 elektrische Leistung erzeugt (Schritt S210), und der Motor 32 wird unter Verwendung der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung und der elektrischen Leistung der Sekundärbatterie 30 drehend angetrieben und das Fahrzeug wird angetrieben. Demgemäß kann in diesem Fall die Brennstoffzelle 20 effizient betrieben werden, um elektrische Leistung im Hochlastbereich zu erzeugen. Daher ist es möglich, die Effizienz des Brennstoffzellensystem 10 zu verbessern, und die Effizienz des Elektrofahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem zu verbessern.
Mittlerweile wird, in dem Fall, bei dem die von der Brennstoffzelle 20 benötigte Last gering ist (d. h. JA in Schritt S130), wenn der Motor 32 unter Verwendung lediglich der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 drehend angetrieben werden kann (d. h. JA in Schritt S150), der Betrieb der Brennstoffzellengerätegruppe mit der Brennstoffzelle 20 und deren Peripheriegeräten gestoppt (Schritt S160), und der Motor 32 wird lediglich unter Verwendung der elektrischen Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie 30 (Schritt S170) drehend angetrieben, so daß das Fahrzeug gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben wird. Demgemäß wird, da vermieden wird, daß die Brennstoffzelle 20 im Niedriglastbereich betrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, vermieden, daß die Brennstoffzelle 20 unnötig elektrische Leistung erzeugt. Daher ist es möglich, die Effizienz des Brennstoffzellensystems 10 zu verbessern, und demgemäß ist es möglich, die Effizienz des Elektrofahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem 10 zu verbessern. Da ferner auch der Betrieb der Peripheriegeräte wie beispielsweise des Luftkompressors 66 gestoppt wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 20 gestoppt wird, wird die zum Betrieben der Peripheriegeräte benötigte Energie nicht genutzt, wodurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter verbessert werden kann.
Selbst in dem Fall, bei dem die Menge der benötigten Antriebsleistung groß ist und demgemäß die von der Brennstoffzelle 20 benötigte Last gering ist, wird, wenn die elektrische Leistung der verbleibenden Kapazität Q der Sekundärbatterie nicht ausreichend ist (d. h. NEIN in Schritt S150), die Brennstoffzellengerätegruppe betrieben, und der Motor 32 wird unter Verwendung der von der Sekundären Batterie 30 und der Brennstoffzelle 20 gelieferten elektrischen Leistung drehend angetrieben (Schritt S210 und Schritt S220), so daß das Fahrzeug gemäß der Menge an benötigter Antriebsleistung angetrieben wird. Da demgemäß das Fahrzeug in einem Fahrzustand angetrieben werden kann, der vom Fahrer erwartet wurde, fühlt sich der Fahrer nicht unbehaglich.
Auch bleibt bei dieser Ausführungsform, in dem Fall, bei dem die Brennstoffzelle 20 betrieben wird, wenn die Menge der benötigten Antriebsleistung erhöht wird, nachdem die Brennstoffzelle 20 gestoppt wird, da die Menge der benötigten Antriebsleistung niedriger als der Grenzwert Ps ist, der Betrieb der Brennstoffzelle 20 gestoppt, bis die Menge der benötigten Antriebsleistung größer als der Grenzwert Pon wird (Schritt S200). Demgemäß kann, selbst wenn die Menge der benötigten Antriebsleistung in der Umgebung des Grenzwerts Ps zunimmt oder abnimmt, vermieden werden, daß die Brennstoffzelle wiederholt betrieben und gestoppt wird, das bedeutet, ein Nachlauf wird verhindert. Daher ist es möglich, ein Problem aufgrund des Nachlaufs, beispielsweise ein Auftreten von Lärm in den Peripheriegeräten der Brennstoffzelle, wie beispielsweise der Pumpe, zu vermeiden.
Bei der Ausführungsform wird, bei dem Fall, bei dem der Betrieb der Brennstoffzelle 20 neu gestartet wird, wenn die Menge der benötigten Antriebsleistung erhöht wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 20 vollständig gestoppt ist, da die Menge der benötigten Antriebsleistung niedriger als der Grenzwert Ps ist, der Grenzwert Pon zur Feststellung, ob der Betrieb der Brennstoffzelle 20 gestartet werden muß, gemäß der vorliegenden Leerlaufspannung (OCV) eingestellt (Schritt S180 und Schritt S190). Demgemäß ist es möglich, die Verzögerung beim Start des Betriebs der Brennstoffzelle aufgrund einer Abnahme der Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle 20 so weit wie möglich zu unterdrücken (siehe 6). daher ist es möglich, eine gute Startcharakteristik (Ansprechverhalten) der Brennstoffzelle zu erhalten, und die Kraftstoffeffizienz der Brennstoffzelle zu verbessern.
Anstelle der Verwendung des vorgenannten festen Grenzwerts Ps kann der Grenzwert Ps auch variabel sein. Beispielsweise kann der Grenzwert Ps auf einen Wert gesetzt werden, der um einen vorbestimmten Wert α niedriger ist, als der Grenzwert Pon, der gemäß der verbleibenden elektromotorischen Kraft (d. h. Pon – α) eingestellt wird. In diesem Fall kann, selbst wenn der Grenzwert Pon verändert wird, immer eine Spanne α zur Vermeidung des Nachlaufs erhalten werden. Falls kein Nachlauf auftritt, kann der Grenzwert Ps auf den gleichen Wert wie der Grenzwert Pon gesetzt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20), einer Speichereinrichtung für elektrische Leistung (30) und einer Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und der Speichereinrichtung für elektrische Leistung, wobei die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) enthält: eine intermittierende Betriebseinrichtung (50) zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn eine Menge an vom Verbraucher benötigter elektrischer Leistung niedriger ist als ein Referenzwert (Ps, Pon), und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als der Referenzwert; dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) ferner eine Grenzwerteinstelleinrichtung (50) enthält, zum Einstellen des Referenzwertes (Ps, Pon) basierend auf einer Leerlaufspannung (Vocv) der Brennstoffzelle (20), deren Versorgung mit Wasserstoff vollständig gestoppt wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) den Referenzwert (Ps, Pon) gemäß einer Abnahme der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20) verringert, so daß ein Zeitpunkt, bei welchem der Betrieb der Brennstoffzelle (20) gestartet wird, relativ fortgeschritten ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) Daten in Bezug auf den Grenzwert (Ps, Pon) speichert, der gemäß der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20) eingestellt werden muß.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert einen ersten Referenzwert (Ps) und einen zweiten Referenzwert (Pon), der größer als der erste Referenzwert (Ps) ist, enthält; die intermittierende Betriebseinrichtung (50) den Betrieb der Brennstoffzelle (20) stoppt, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung geringer als der erste Referenzwert (Ps) ist, und den gestoppten Betrieb der Brennstoffzelle (20) startet, wenn die Menge vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich dem zweiten Grenzwert (Pon) oder größer ist; und die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) den zweiten Grenzwert (Pon) basierend auf der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20), deren Betrieb gestoppt wurde, einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) den zweiten Referenzwert (Pon) gemäß einer Abnahme der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20) verringert, so daß ein Zeitpunkt, bei welchem der Betrieb der Brennstoffzelle (20) gestartet wird, relativ fortgeschritten ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) Daten in Bezug auf den Grenzwert speichert, der gemäß der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20) eingestellt werden muß.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung für elektrische Leistung (30) zumindest eines von einer Sekundärbatterie und einem Kondensator umfaßt.
Elektrofahrzeug mit einem Motor (32), der Leistung für das Fahrzeug erzeugt, und einem Brennstoffzellensystem, das eine Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) zur Versorgung des Motors (32) mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle (20) und eine Speichereinrichtung für elektrische Leistung (30) enthält, wobei die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) enthält: eine intermittierende Betriebseinrichtung (50) zum Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn eine Menge an elektrischer Leistung, die der den Motor (32) umfassende Verbraucher benötigt, niedriger ist als ein Referenzwert (Ps, Pon), und zum Starten des gestoppten Betriebs der Brennstoffzelle (20), wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich oder größer ist als der Referenzwert (Ps, Pon); dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtung für elektrische Leistung (50, 20a, 30a) ferner eine Grenzwerteinstelleinrichtung (50) enthält, zum Einstellen der Referenzwertes (Ps, Pon) gemäß einer Leerlaufspannung (Vocv) der Brennstoffzelle (20), deren Versorgung mit Wasserstoff vollständig gestoppt wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert einen ersten Referenzwert (Ps) und einen zweiten Referenzwert (Pon), der größer als der erste Referenzwert (Ps) ist, enthält; die intermittierende Betriebseinrichtung (50) den Betrieb der Brennstoffzelle (20) stoppt, wenn die Menge der vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung geringer als der erste Referenzwert (Ps) ist, und den gestoppten Betrieb der Brennstoffzelle (20) startet, wenn die Menge vom Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gleich dem zweiten Grenzwert (Pon) oder größer ist; und die Grenzwerteinstelleinrichtung (50) den zweiten Grenzwert (Pon) gemäß der Leerlaufspannung (Vcov) der Brennstoffzelle (20), deren Betrieb gestoppt wurde, einstellt.