DE112004001535B4 - Gassteuerungsverfahren und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Gassteuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20), die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt, und einer Lastvorrichtung, der elektrische Energie aus der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Schritte
Zuführen des Brennstoffgases zu einer Anode (22) und des Oxidationsgases zu einer Kathode (23) der Brennstoffzelle (20) jeweils in einer Menge entsprechend einer Last der Lastvorrichtung,
Schätzen einer Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases zwischen der Anode (22) und der Kathode (23) nach Stoppen der von der Brennstoffzelle (20) durchgeführten Energieerzeugung, und
Korrigieren einer Zufuhrmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases entsprechend der Last in Übereinstimmung mit der geschätzten Gasdurchdringungsmenge, die nach einem nachfolgenden Start der Energieerzeugung zuzuführen ist.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas Elektrizität erzeugt, sowie ein Gassteuerungsverfahren für das Brennstoffzellensystem.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem ist aufgebaut, eine Energieerzeugung bei Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu starten. Die Brennstoffzelle erzeugt erforderliche elektrische Energie in Reaktion auf die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases in einer Menge, die jeweils einer erforderlichen Last entspricht.
  • Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle wird durch Stoppen der Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases unterbrochen. Beispielsweise kann die Energieerzeugung vollständig durch Einführen eines inaktiven Gases in die Brennstoffzelle (Unterdrucksetzen) oder durch Absaugen des restlichen Brennstoffgases nach außerhalb (Erzeugung eines Unterdrucks) derart, dass es nach außen ausgestoßen wird, vollständig gestoppt werden.
  • In dem Fall, in dem ein mit der Brennstoffzelle ausgerüstetes Fahrzeug fur eine kurze Zeitdauer gestoppt wird oder unter niedrigen Lasten betrieben wird, wird die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases gestoppt, während das Brennstoffgas und dergleichen in der Zelle verbleibt.
  • In der Brennstoffzelle wird das Brennstoffgas von dem Oxidationsgas mit einem Polymerelektrolyt getrennt. Falls ein derartiges Gas in dem Zustand belassen wird, in dem die Energieerzeugung (elektrochemische Reaktion) unterbrochen ist, ist es wahrscheinlich, dass das Gas durch den Polymerelektrolyten hindurchdringt, bis der Teildruck jedes Gases an beiden Elektroden gleich wird. Die vorstehend beschriebene Durchdringung des Gases durch den Polymerelektrolyten kann die normale Energieerzeugung stören, was zu einer zeitweiligen Verschlechterung des Leistungsvermögens der Brennstoffzelle (Ausgangsspannung) bei erneutem Starten der Energieerzeugung führt.
  • Die japanische Offenlegungsschrift JP 2002-352 837 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das überschüssiges Brennstoffzellengas der Brennstoffzelle unter einem Druck, der bei Aktivierung ausgeübt wird, schnell zuführt, so dass eine Abgabe von Energie aus dem gestoppten Zustand der Brennstoffzelle heraus schnell erhalten wird.
  • In dem Fall, in dem die Energieerzeugung (elektrochemische Reaktion) gestoppt worden ist, tendieren das Brennstoffgas und das Oxidationsgas, die beide durch den Polymerelektrolyten in der Brennstoffzelle getrennt sind, dazu, durch den Polymerelektrolyten hindurchzudringen, bis die Teildrücke an beiden Elektroden gleich werden. Die vorstehend beschriebene Durchdringung des Gases kann die normale Energieerzeugung stören, wodurch zeitweilig das Leistungsvermögen (die Ausgangsspannung) der Brennstoffzelle bei einem erneuten Start davon verschlechtert wird. Falls das überschüssige Gas unter hohem Druck schnell in die Brennstoffzelle wiederholt bei jedem erneuten Start der Brennstoffzelle zugeführt wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann ein sehr dünner Festpolymerelektrolyt oder eine katalytische Elektrode beschädigt werden und das Brennstoffgas verschwendet werden, wodurch der Brennstoffwirkungsgrad verschlechtert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle anzugeben, die das Problem der Verschlechterung ihres Leistungsvermögen bei einem erneuten Start der Energieerzeugung überwindet, wohingegen eine Verschlechterung in dem Brennstoffwirkungsgrad vermieden wird.
  • Eine erste Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Gassteuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt, und einer Lastvorrichtung, der elektrische Energie aus der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen des Brennstoffgases zu einer Anode und des Oxidationsgases jeweils zu einer Kathode der Brennstoffzelle jeweils in einer Menge entsprechend einer Last der Lastvorrichtung, Schätzen einer Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases zwischen der Anode und der Kathode nach Stoppen der von der Brennstoffzelle durchgeführten Energieerzeugung, und Korrigieren einer Zufuhrmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases entsprechend der Last in Übereinstimmung mit der geschätzten Gasdurchdringungsmenge, die nach einem nachfolgenden Start der Energieerzeugung zuzuführen ist.
  • Gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht der vorstehend beschriebene Aufbau eine Überwindung einer Verringerung der effektiven katalytischen Fläche aufgrund der Bildung von Wassertropfen auf der katalytischen Oberfläche, die aus einem chemischen Kurzschluss resultiert, der durch das Restgas der Brennstoffzelle verursacht wird, das durch das Polymerelektrolyt zwischen der Anode und der Kathode nach Unterbrechung des Brennstoffzel-lenbetriebs hindurchdringt, oder der Verzögerung in dem Anstieg der Brennstoffzelle bei erneutem Start davon aufgrund der Verringerung in dem Gasdruck in der Anode und der Kathode.
  • Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Gasdurchdringungsmenge auf der Grundlage einer Abfallrate einer Leerlaufspannung geschätzt werden, nachdem die von der Brennstoffzelle durchgeführte Energieerzeugung gestoppt wird. Eine derartige Schätzung kann unter Verwendung einer Korrelation zwischen der Verringerungsrate der Leerlaufspannung und der Gasdurchdringungsmenge durch das Polymerelektrolyt bei einer vorbestimmten verstrichenen Zeit nach Unterbrechung des Brennstoffzellenbetriebs durchgeführt werden.
  • Bei einer Ausgestaltung der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Abfallrate der Leerlaufspannung auf der Grundlage einer Spannungsabfallgröße berechnet werden, die zwischen der Anode und der Kathode auf der Grundlage eines Ausströmens des Brennstoffgases zu der Kathode und eines Ausströmens des Oxidationsgases zu der Anode auftritt, nachdem die durch die Brennstoffzelle ausgeführte Energieerzeugung gestoppt ist, einer seit Stopp der durch die Brennstoffzelle ausgeführten Energieerzeugung verstrichenen Zeit und einer Funktion berechnet wird, die vorab (vorausgehend, vorläufig) durch Versuche oder einer Simulationsberechnung erhalten worden ist.
  • Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Gasdurchdringungsmenge auf der Grundlage einer Gasdruckverringerungsrate in dem Brennstoffgas nach Stopp der von der Brennstoffzelle durchgeführten Energieerzeugung geschätzt werden. Eine derartige Schätzung kann unter Verwendung einer Korrelation zwischen der Verringerungsrate der Gasdrucks in der Brennstoffzelle und der Gasdurchdringungsmenge durch das Polymerelektrolyt bei einer vorbestimmten verstrichenen Zeit nach Unterbrechung des Brennstoffzellenbetriebs durchgeführt werden.
  • Bei der Ausgestaltung in Bezug auf die erste Ausgestaltung der Erfindung kann die Gasdruckverringerungsrate auf der Grundlage einer geschätzten Gasdurchdringungsmenge, die vorab durch Versuche oder einer Simulationsberechnung erhalten worden ist, auf der Grundlage eines Brennstoffgasdrucks in der Anode, nachdem die durch die Brennstoffzelle durchgeführte Energieerzeugung gestoppt ist, einer Verringerung in dem Brennstoffgasdruck für eine seit dem Stopp der von der Brennstoffzelle durchgeführten Energieerzeugung bis zu dem Zeitpunkt verstrichenen Zeit, zu dem die durch die Brennstoffzelle durchgeführte Energieerzeugung erneut gestartet wird, und der verstrichenen Zeit berechnet werden.
  • Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann in dem Korrekturschritt eine Korrekturgröße des Brennstoffgases und eine Korrekturgröße des Oxidationsgases jeweils unabhängig auf der Grundlage der geschätzten Gasdurchdringungsmenge eingestellt werden.
  • Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann in dem Gasdurchdringungsmengen-Schätzeschritt unabhängig jeweils die Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und die Gasdurchdringungsmenge des Oxidationsgases geschätzt werden.
  • Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung den darauf bezogenen Ausgestaltungen kann die Brennstoffzelle in einem gestoppten Zustand in einer intermittierenden Betriebsart der Brennstoffzelle gebracht werden. Die in einem Fahrzeug vorgesehene Brennstoffzelle ist derart aufgebaut, dass die Elektrizität aus einer Sekundärbatterie in einem niedrigen Lastzustand wie einem gestoppten Fahrzeugzustand zur Verbesserung des Brennstoffwirkungsgrads zugeführt wird, so dass die Brennstoffzelle kurz gestoppt wird, bis ihr Betrieb erforderlich wird. Die Brennstoffzelle muss schnell gestartet werden, wenn eine höhere elektrische Energie zum Starten des Fahrzeugs erforderlich ist. Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung kann eine Verschlechterung der Startcharakteristik der Brennstoffzelle auf der Grundlage der Durchdringung des Gases durch Korrektur der Menge des zugeführten Gases verhindert werden, wodurch die Startcharakteristik des Fahrzeugs verbessert wird.
  • Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Steuerungsabschnitt, der eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  • Die Erfindung ermöglicht die Vermeidung eines Abfalls der Ausgangsspannung unmittelbar nach erneutem Starten der Brennstoffzelle. Die Menge des bei einem erneuten Starten der Brennstoffzelle wird auf einen geeigneten Wert justiert (korrigiert), um die Anstiegscharakteristik der Ausgangsspannung zu verbessern. Dementsprechend ermöglicht dieses, eine Beschädigung in dem Festpolymerelektrolyt unter einem übermäßigen Druck zu verhindern bzw. die Verschlechterung in dem Brennstoffwirkungsgrad bei übermäßiger Zufuhr des Brennstoffgases zu verhindern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine erläuternde Darstellung, die einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung wiedergibt,
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsprozess darstellt, auf das die Erfindung bei einem unterbrechenden Betrieb der Brennstoffzelle angewandt wird,
  • 3A zeigt einen Graphen, der ein Beispiel für eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle wiedergibt, 3B zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen dem Spannungsabfall und der Menge von durchdringenden Gases angibt, und 3C zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen der Menge des durchdringenden Gases und eine Korrekturgröße des zugeführten Gases wiedergibt, und
  • 4A zeigt einen Graphen, der eine Funktion wiedergibt, die einen Anstieg der Menge von Wasserstoffgas bestimmt, und 4B zeigt einen Graphen, der eine Funktion wiedergibt, die einen Anstieg in der Luftmenge wiedergibt.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist aufgebaut, die Brennstoffgasdurchdringungsmenge von der Anode zu der Kathode sowie die Durchdringungsmenge des Oxidationsgases und des inaktiven Gases von der Kathode zu der Anode jeweils in einem Nichtenergieerzeugungszustand der Brennstoffzelle zu schätzen, die die Energieerzeugung bei Aussetzung der Zufuhr von zumindest entweder dem Brennstoffgas oder dem Oxidationsgas gestoppt hat. Falls bestimmt wird, dass die Gasdurchdringungsmenge hoch ist, werden für den nachfolgenden Start der Brennstoffzelle (Start der Energieerzeugung) die Menge der Zirkulation und Zufuhr des Brennstoffgases sowie die Zufuhrmenge des Oxidationsgases erhöht. Dementsprechend wird die Dichte des Brennstoffgases bei erneutem Start der Brennstoffzelle erhöht, um mit dem überfluteten (flooded) Zustand des erzeugten Wassers oder der Verringerung des Brennstoffgases, das zu der Kathode hindurchgedrungen ist, fertig zu werden, so dass das Anstiegsleistungsvermögen (Start-Leistungsvermögen, Energieerzeugungsleistungsvermögen) der Ausgangsspannung bei nachfolgendem Start der Energieerzeugung gewährleistet werden kann.
  • Die Gasdurchdringungsmenge kann unter Verwendung der Verringerungsrate (Verringerungsgeschwindigkeit) der Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle, der Verringerungsrate des Brennstoffgases der Anode und andere Parameter des Brennstoffzellenbetriebs geschätzt werden, die sich auf die Gasdurchdringungsmenge beziehen.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Leerlaufspannung V einer Brennstoffzelle, deren Betrieb unterbrochen worden ist, beobachtet, und das Brennstoffgas zu der Kathode wird entsprechend dem Zustand geschätzt, in dem die Leerlaufspannung V verringert wird. Die Ausströmung des Oxidationsgases zu der Kathode wird ebenfalls geschätzt. Das Brennstoffgas kann beispielsweise Wasserstoffgas sein, und das Oxidationsgas kann beispielsweise Luft sein (die Sauerstoff, Stickstoff und dergleichen enthält). In dem Fall, in dem ein chemischer Kurzschluss oder eine Verringerung in dem Gasdruck aufgrund der Durchdringung des Brennstoffgases und des Oxidationsgases geschätzt wird, wird das Gas um eine Menge entsprechend der Korrekturgröße hinzugefügt, um jeweils die Menge des Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die bei der nächsten Aktivierung zugeführt werden, mit der erforderlichen Last in Übereinstimmung zu bringen, so dass die Startcharakteristik der Brennstoffzelle verbessert wird.
  • Gemäß 1 weist eine Brennstoffzelle 20 einen Festpolymerelektrolyten 21 auf, der zwischen einer Anode 22 und einer Kathode 23 angeordnet ist (MEA: Membranelektrodenanordnung, membrane electrode assembly), bei der eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt sind, die jeweils mit einem (nicht gezeigten) Gaszufuhrdurchlass und einem (nicht gezeigten) Kühlwasserdurchlass versehen sind. Luft (Außenluft) als Oxidationsgas wird einem Lufteinlass der Brennstoffzelle 20 über einen Luftzufuhrdurchlass 71 zugeführt. Der Luftzufuhrdurchlass 71 weist einen Luftfilter 11, der Partikel aus der Luft entfernt, einen Kompressor 12, der Luft unter Druck setzt, einen Drucksensor 51, der einen Luftzufuhrdruck erfasst, und einen Befeuchter 13 auf, der eine vorbestimmte Feuchtigkeitsmenge zu der Luft hinzufügt. Der Luftfilter 11 ist mit einer Luftströmungsmesseinrichtung versehen, die die Strömungsrate der Luft erfasst.
  • Aus der Brennstoffzelle 20 ausgestoßenes Luftabgas wird weiter nach außerhalb durch einen Abgasdurchlass 72 ausgestoßen. Der Abgasdurchlass 72 ist mit einem Drucksensor 52, der einen Abgasdruck erfasst, einem Druckregelventil (Strömungssteuerungsventil) 14 und einem Wärmetauscher des Befeuchters 13 versehen. Das Druckregelventil 14 dient als Druckregler, der den Druck von Luft (Luftdruck) einstellt, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird. Jedes der (nicht gezeigten) Erfassungssignale aus den Drucksensoren 51 und 52 wird zu einem Steuerungsabschnitt 50 gesendet. Der Steuerungsabschnitt 50 stellt den Luftzufuhrdruck oder die Zufuhrströmungsrate durch Regulieren des Kompressors 12 und des Druckregelventils 14 ein. Der Kompressor 12, das Druckregelventil 14 und ein Steuerungsprogramm des Steuerungsabschnitts 50 bilden eine Einheit, die das Oxidationsgas zuführt.
  • Das als Brennstoffgas dienende Wasserstoffgas wird aus einer Wasserstoffzufuhrquelle 31 zu einem Wasserstoffzufuhreinlass der Brennstoffzelle 20 über einen Brennstoffzufuhrdurchlass 75 zugeführt. Die Wasserstoffzufuhrquelle 31 kann aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoffspeicherlegierung, einem Reformer und dergleichen gebildet sein. Der Brennstoffzufuhrdurchlass 75 ist mit einem Drucksensor 54, der einen Druck der Wasserstoffzufuhrquelle erfasst, einem Druckregelventil (Strömungssteuerungsventil) 32, das den Druck des der Brennstoffzelle 20 zugeführten Wasserstoffgases steuert, einem Ablassventil 39, das öffnet, wenn der Brennstoffzufuhrdurchlass 75 sich unter einem anormalen Druck befindet, einem Absperrventil 33, das den Wasserstoffgaszufuhreinlass der Brennstoffzelle öffnet und schließt, und einem Drucksensor 55 versehen, der einen Druck des Einlasses des Wasserstoffgases erfasst. Der Drucksensor 55 kann als Gasdruckerfassungseinheit gebildet sein. Die (nicht gezeigten) Signale der Drucksensoren 54 und 55 werden dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt. Der Steuerungsabschnitt 50 stellt die Zufuhrmenge des Wasserstoffgases durch Regeln des Druckregelventils 32 ein.
  • Das Wasserstoffgas, das nicht durch die Brennstoffzelle 20 verbraucht worden ist, wird in einen Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 als Wasserstoffabgas ausgestoßen, um zu der stromabwärtigen Seite des Absperrventils 33 in den Brennstoffzufuhrdurchlass 75 zurückgeführt zu werden. Der Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 ist mit einem Temperatursensor 63, der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfasst, einem Absperrventil 34, das das Wasserstoffabgas ausstößt, einem Gas-/Flüssigkeitstrenner 35, das Wasser aus dem Wasserstoffabgas zurückgewinnt, einem Abgasventil 36, durch das das zurückgewonnene Wasser in einem (nicht gezeigten) Tank bzw. Behälter gesammelt wird, einer Wasserstoffpumpe 37, die das Wasserstoffabgas unter Druck setzt, und einem Sperrventil 40 versehen. Die Absperrventile 33 und 34 können als Elemente zum Schließen der Anodenseite der Brennstoffzelle gebildet sein. Das (nicht gezeigte) Erfassungssignal des Temperatursensors 63 wird dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt. Der Betrieb der Wasserstoffpumpe 37 wird durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert. Das Wasserstoffabgas strömt derart, dass es mit dem aus der Wasserstoffzufuhrquelle 31 zugeführten Wasserstoffgas in dem Brennstoffzufuhrdurchlass 75 gemischt wird, so dass die Mischung der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird und darin wiederverwendet wird. Das der Brennstoffzelle 20 zugeführte Wasserstoffgas weist das neue Wasserstoffgas aus der Wasserstoffzufuhrquelle 31 und das zirkulierte Wasserstoffgas auf. Das Sperrventil 40 dient zur Vermeidung einer Rückströmung des Wasserstoffgases in dem Brennstoffzufuhrdurchlass 75 in den Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76. Die Wasserstoffzufuhrquelle 31, das Druckregelventil 32 und die Wasserstoffpumpe 37 bilden die Brennstoffgaszufuhreinheit. Die vorstehend beschriebene Sauerstoffgaszufuhreinheit und die Brennstoffgaszufuhreinheit bilden die Gaszufuhreinheit.
  • Der Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 ist mit dem Abgasdurchlass 72 durch einen Abführdurchlass 77 über ein Abführventil 38 verbunden. Das Abführventil 38 ist als elektromagnetisches Absperrventil gebildet, das bei einem Befehl aus dem Steuerungsabschnitt 50 derart betrieben wird, dass es das Wasserstoffabgas nach außerhalb freigibt (abführt). Das vorstehend beschriebene Abführen wird intermittierend zur Zirkulation innerhalb der Brennstoffzelle wiederholt durchgeführt, so dass das Wasserstoffabgas mit einem erhöhten Verunreinigungsinhalt nach außerhalb ausgestoßen wird. Dann wird das neue Wasserstoffgas zur Vermeidung einer Verringerung der Spannung der Zelle eingeführt. Das ausgestoßene Wasserstoffabgas wird mit Luftabgas in einer (nicht gezeigten) Brennkammer (combustor) verdünnt, um nach außen ausgestoßen zu werden.
  • Eine Leistungssteuerungseinheit, PCU (power control unit) 42 ist mit einem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 20 über einen Schalter verbunden. Die Leistungssteuerungseinheit 42 weist einen Gleichspannungswandler 42a, der eine Gleichspannung umwandelt, und Umrichter 42b und 42c auf, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Der Wandler 42a dient zum Laden einer Sekundärbatterie 41 auf einen geeigneten Spannungspegel entsprechend den Ausgängen der Brennstoffzelle 20. Der Ausgang der Sekundärbatterie 41 wird auf einen geeigneten Pegel geregelt, um einem Hilfsmotor 43 und einem Antriebsmotor 44 über die Umrichter 42b und 42c zugeführt zu werden. Die Umrichter 42b und 42c dienen zur Zufuhr der Ausgänge der Brennstoffzelle 20 oder der Sekundärbatterie 41 zu dem Hilfsmotor 43 und dem Antriebsmotor 44. Die Führung (Route) der Leistungszufuhr durch die Leistungssteuerungseinheit 42 wird durch den Steuerungsabschnitt 50 entsprechend der Betriebsart gesteuert. Eine Spannungsmesseinrichtung V ist zwischen den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle 20 geschaltet, wobei die Überwachungsausgänge dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt werden.
  • Der Steuerungsabschnitt 50 empfängt Eingänge einer erforderlichen Last, die durch nicht gezeigte Fahrzeugfahrpedalsignale wiedergegeben werden, Steuerungsinformationen, die aus Sensoren der jeweiligen Abschnitte in dem Brennstoffzellensystem und dergleichen gesendet werden, um den Betrieb verschiedener Arten von Ventilen und Motoren zu steuern. Der Steuerungsabschnitt 50 ist aus einem (nicht gezeigten) Steuerungscomputersystem gebildet, der mit einem bekannten handelsüblich verfügbaren System ausgebaut werden kann.
  • Der Betrieb des Steuerungsabschnitts 50 ist nachstehend unter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Flussdiagramm beschrieben. Der Steuerungsabschnitt 50 ist auf einem Computer zur Ausführung einer Steuerung gebildet, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Genauer steuert der Steuerungsabschnitt 50 den Betrieb verschiedener Abschnitte des Brennstoffzellensystems entsprechend dem (nicht gezeigten) Steuerungsprogramm.
  • Der Steuerungsabschnitt 50 unterbricht den Betrieb der Brennstoffzelle 20 und betreibt die Sekundärbatterie 41 zur Energieversorgung in dem Zustand mit niedriger Last, in dem der Energieerzeugungswirkungsgrad (Brennstoffwirkungsgrad) der Brennstoffzelle 20 verringert ist, beispielsweise in einem gestoppten Zustand des Fahrzeugs. Wenn der Ladezustand der Sekundärbatterie 41 verringert ist, oder die Last erhöht wird, dient der Steuerungsabschnitt 50 zum Betreiben der Brennstoffzelle 20, um Energie zu der Last zuzuführen und die Sekundärbatterie 41 aufzuladen. Wenn das Laden der Sekundärbatterie 41 abgeschlossen ist und die Last verringert wird, wird der Betrieb der Brennstoffzelle 20 unterbrochen, und wird die Energie zu der Last durch die Sekundärbatterie 41 zugeführt. In dem Steuerungsabschnitt 50 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der vorstehend beschriebene Betrieb wiederholt in dem Zustand mit niedriger Last durchgeführt, um einen intermittierenden Betrieb der Brennstoffzelle 20 durchzuführen (intermittierende Betriebsart).
  • In Schritt S20 bildet der Steuerungsabschnitt 50 vorbestimmte Bedingungen, d. h., Fortsetzen des gestoppten Zustands des Fahrzeugs während des Betriebs des Brennstoffzellensystems oder Fortsetzen des Zustands mit niedriger Last, um die vorstehend beschriebene intermittierende Betriebsart auszuführen.
  • Dann öffnet in Schritt S22 der Steuerungsabschnitt 50 den Schalter des Ausgangsanschlusses der Brennstoffzelle 20. Der Steuerungsabschnitt 50 betreibt dann die Leistungssteuerungseinheit 42 zur Zufuhr von Energie aus der Sekundärbatterie 41 zur Energieversorgung des Hilfsmotors 43, des Antriebsmotors 44 und dergleichen. In Schritt S24 werden die jeweiligen Zufuhrsysteme zur Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases wie den Luftkompressor 12, die Wasserstoffpumpe 37 und dergleichen gestoppt, um den Betrieb der Brennstoffzelle 20 zu unterbrechen. Der Betrieb der Absperrventile 33 und 34 wird ebenfalls gestoppt. In Schritt S26 liest der Steuerungsabschnitt 50 eine Leerlaufspannung (OCV, auch als LLSpg. abgekürzt) V1 zu einem Zeitpunkt y1, zu dem der Betrieb der Brennstoffzelle 20 unterbrochen wird, auf der Grundlage des Ausgangs des Voltmeters V. Der Steuerungsabschnitt 50 speichert dann die gelesenen Daten in einem (nicht gezeigten) internen Speicher. In Schritt S28 beobachtet der Steuerungsabschnitt 50, ob eine Lasterfordernis, die einen vorbestimmten Wert in der intermittierenden Betriebsart überschreitet, erzeugt worden ist, oder ob die Anforderung zur Wiedergewinnung von Energie in Reaktion auf eine Verringerung des Ladezustands der Sekundärbatterie 41 erzeugt worden ist. Falls in Schritt S28 NEIN erhalten wird, d. h., falls die Wiedergewinnung von Energie nicht angefordert wurde, wird der Nichtenergieerzeugungszustand der Brennstoffzelle fortgesetzt.
  • Falls in Schritt S28 ein JA erhalten wird, d. h., falls die Wiedergewinnung von Energie nach einem Verstreichen der Zeit t1 von dem Zeitpunkt an angefordert wurde, zu dem der Betrieb der Brennstoffzelle 20 unterbrochen worden ist, erfasst der Steuerungsabschnitt 50 die Leerlaufspannung V2 der Brennstoffzelle 20 zu dieser Zeit Y2, und wird die erfasste Spannung V2 in dem internen Speicher in Schritt S30 gespeichert.
  • Der Steuerungsabschnitt 50 schätzt die Gasdurchdringungsmenge während einer Zeitdauer, während der der Betrieb der Brennstoffzelle 20 unterbrochen ist. Gemäß 3a wird, falls die Wiederaufnahme der Energieerzeugung zu der Zeit t1 nach der Unterbrechung angefordert wird, die Spannungsabfallrate durch die Gleichung von ΔV/t1 = V1 – V2/t1 erhalten. In Schritt S32 wird die Gasdurchdringungsmenge P unter Verwendung der Funktion P = F (ΔV, t) geschätzt, die experimentell oder durch Durchführen einer Simulationsberechnung erhalten wird, die vorab Parameter und die verstrichene Zeit t1 verwendet, wie es in 3b gezeigt ist. Die vorstehende Schätzung wird durch Konzentrieren auf das Phänomen durchgeführt, dass die in der Anode und der Kathode erzeugte Spannung aufgrund des Ausströmens des in der Anode eingeschlossenen Wasserstoffgases zu der Kathode 23 und aufgrund des Ausströmens des Wasserstoffgases und des Stickstoffgases aus der Kathode 23 zu der Anode 22 abfällt. Der Prozess gemäß Schritt S32 entspricht der Gasdurchdringungsmengenschätzeinheit.
  • In Schritt S34 wird bestimmt, ob die geschätzte Gasdurchdringungsmenge P einen Referenzwert (Schwellwert) überschreitet, der eine Korrektur erfordern kann. Falls in Schritt S34 ein JA erhalten wird, d. h., falls der geschätzte Wert den Schwellwert überschreitet, wird die Menge des der Anode 22 zugeführten Wasserstoffgases und die Menge der der Kathode 23 zugeführten Luft erhöht. Die Größe der Erhöhung der Gasmenge N1 entsprechend der Gasdurchdringungsmenge p1 wird unter Verwendung der Funktion der Gaserhöhungsmenge N = s(p) erhalten, die durch Versuche oder eine Simulationsberechnung vorab erhalten worden ist. Das Gas, dessen Menge durch die Erhöhung in der Gasmenge N1 entsprechend der Gasdurchdringungsmenge erhöht worden ist, wird zu jeweils der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases und der Luft (Gaszufuhrmenge während des normalen Betriebs) entsprechend der erforderlichen Last hinzugefügt, um die jeweilige Zufuhrgasmenge in Schritt S36 einzustellen. Der Prozess gemäß Schritt S36 entspricht der Korrektureinheit.
  • Falls in Schritt S34 ein NEIN erhalten wird, d. h., falls die Gasdurchdringungsmenge den Schwellwert nicht überschreitet, was keine Korrektur erfordert, geht der Prozess zu Schritt S38 über, in dem jeweils die Menge des der Anode 22 zugeführten Wasserstoffgases und der der Kathode 23 zugeführten Luft auf die Menge entsprechend der erforderlichen Last jeweils eingestellt wird.
  • Dann regelt in Schritt S40 der Steuerungsabschnitt 50 das Druckregelventil 32 und die Wasserstoffpumpe 37 derart, dass die Zufuhrmenge des Wasserstoffgases der eingestellte Wert wird, und die Absperrventile 33 und 34 werden zum Starten der Zufuhr des Wasserstoffgases geöffnet. Der Luftkompressor 12 wird aktiviert, um das Druckregelventil 14 derart zu justieren, dass die Zufuhrmenge der Luft der eingestellte Wert wird. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 auf einen vorbestimmten Pegel bei Zufuhr des Gases ansteigt, arbeitet der Steuerungsabschnitt 50 zum Schließen des Schalters, damit eine Verbindung mit der Leistungssteuerungseinheit 42 hergestellt wird. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ermöglicht die Korrektur der Gaszufuhrmenge bei erneutem Starten ein Ansteigen der Ausgangsspannung mit einer verringerten Zeitverzögerung. Der Steuerungsabschnitt 50 steuert die Leistungssteuerungseinheit 42 zum Stoppen der Energieversorgung aus der Sekundärbatterie 41 zu den Lasten 43 und 44, so dass die von der Brennstoffzelle 20 zugeführte Energie diesen Lasten in Schritt S42 zugeführt wird. Die Sekundärbatterie 41 kann durch die Brennstoffzelle 20 geladen werden, falls dies notwendig ist.
  • In Schritt S44 wird der Betrieb der Brennstoffzelle 20, der in der intermittierenden Betriebsart unterbrochen wurde, zu dem Betriebszustand wieder aufgenommen.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Gasdurchdringungsmenge als die Spannungsabfallgröße für die verstrichene Zeit t erhalten. Sie kann als Abfall Δp in dem Anodengasdruck geschätzt werden. Genauer werden der Wasserstoffgasdruck p1 an der Anode 22 nach Schließen der Absperrventile 33 und 34 und der Wasserstoffgasdruck p2 bei erneutem Start der Brennstoffzelle 20 zur Ableitung der Verringerung Δp in dem Gasdruck für die verstrichene Zeit t1 anhand der Gleichung Δp = p1 – p2 erfasst. Die Gasdurchdringungsmenge P entsprechend der Verringerung in dem Gasdruck Δp und der verstrichenen Zeit t kann aus der Gleichung hergeleitet werden, die vorab durch Versuche oder eine Simulationsberechnung abgeleitet worden ist, d. h. P = g(Δp, t).
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird jeweils die Menge der Zufuhr des Wasserstoffgases (Anodengas) und der Luft (Kathodengases) bei erneutem Start korrigiert. Jedoch kann die Zufuhrmenge von entweder dem Anodengas oder dem Kathodengas korrigiert werden.
  • Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß 1 und der Steuerungsprozess gemäß dem Flussdiagramm gemäß 2 sind identisch zu denjenigen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Dementsprechend ist nachstehend eine Eigenschaft des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben, das sich von derjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist jede der korrigierten Mengen des Wasserstoffgases und der Luft in Bezug auf die geschätzte Gasdurchdringungsmenge gleich (vgl. Schritt S36 gemäß 2 und 3c). In Schritt S36 der durch den Steuerungsabschnitt 50 ausgeführten Steuerungsroutine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich jedoch die korrigierten Mengen des Wasserstoffgases und der Luft in Bezug auf die geschätzte Gasdurchdringungsmenge p1. Das heißt, dass der Anstieg in dem Wasserstoffgas NH1 in Bezug auf die Gasdurchdringungsmenge p1 aus der Wasserstoffgaserhöhungsfunktion NH = sH(P) abgeleitet wird, die auf das Wasserstoffgas in Bezug auf die geschätzte Gasdurchdringungsmenge p1 angepasst ist. Die vorstehend beschriebene Funktion NH = sH(P) wird durch Versuche oder eine Simulationsberechnung erhalten. Gleichermaßen wird der Anstieg in der Luft NO1 in Bezug auf die Gasdurchdringungsmenge p1 aus der Lufterhöhungsfunktion NO = sO(P) abgeleitet, die in Bezug auf die geschätzte Gasdurchdringungsmenge p1 angepasst ist. Die vorstehend beschriebene Funktion NO = sO(P) wird durch Versuche und eine Simulationsberechnung erhalten.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Korrekturmenge jeweils des Wasserstoffgases (Brennstoffgases) und der Luft (des Oxidationsgases) bei erneutem Starten der Brennstoffzelle unabhängig eingestellt. Dies ermöglicht eine genauere Kompensation der Startcharakteristik.
  • Gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen wird die Gasdurchdringungsmenge PA auf der Grundlage der Spannungsabfallgröße ΔV anhand der Funktion f(ΔV, t) geschätzt. Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Gasdurchdringungsmenge jeweils durch das Brennstoffgas und das Oxidationsgas geschätzt. Genauer kann die Wasserstoffgasdurchdringungsmenge PH entsprechend dem Spannungsabfall ΔV (Spannungsabfallrate) für eine vorbestimmte Zeit t in geeigneter Weise unter Verwendung der Funktion fH(ΔV, t) zum Schätzen der Wasserstoffgasdurchdringungsmenge PH erhalten werden. Dabei kann die Luftdurchdringungsmenge PO entsprechend dem Spannungsabfall ΔV (Spannungsabfallrate) für eine vorbestimmte Zeit in geeigneter Weise unter Verwendung der Funktion fH(ΔV, t) zum Schätzen der Luftdurchdringungsmenge PO erhalten werden. Wie es gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, wird die Wasserstoffgaserhöhungsfunktion NH = sH(P) zum Erhalt des Anstiegs des Wasserstoffgases NH (= sH(PH)) entsprechend der Wasserstoffgasdurchdringungsmenge PH verwendet. Dabei wird die Lufterhöhungsfunktion NO = sO(P) zum Erhalt des Anstiegs in der Luft NO (= sO(PO)) entsprechend der Luftdurchdringungsmenge PO verwendet.
  • Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Gasdurchdringungsmengen, d. h., die Wasserstoffgas-(Brennstoffgas-)Durchdringungsmenge und die Luft-(Oxidationsgas-)Durchdringungsmenge geschätzt. Die Korrekturmenge des Wasserstoffgases bei erneutem Starten der Brennstoffzelle wird auf der Grundlage der Wasserstoffgasdurchdringungsmenge eingestellt. Die Korrekturmenge der Luft wird auf der Grundlage der Luftdurchdringungsmenge eingestellt. Da die vorstehend beschriebene Einstellung in Bezug auf das Wasserstoffgas (Brennstoffgas) und der Luft (Oxidationsgas) unabhängig durchgeführt wird, kann die Startcharakteristik mit höherer Genauigkeit kompensiert werden.
  • Die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Funktionen können durch eine Datentabelle ersetzt werden, in denen Argumente und Ausgabewerte gespeichert sind. Es sei bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die Anwendung bei einem erneuten Starten der Brennstoffzelle in der intermittierenden Betriebsart begrenzt ist. Es ist ebenfalls klar, dass die Anwendung der Erfindung bei erneutem Starten der Brennstoffzelle von dem unterbrochenen Zustand eine Verschlechterung in der Startcharakteristik der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Querausströmung (cross leakage) von Gas verhindern kann.

Claims (9)

  1. Gassteuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20), die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt, und einer Lastvorrichtung, der elektrische Energie aus der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Schritte Zuführen des Brennstoffgases zu einer Anode (22) und des Oxidationsgases zu einer Kathode (23) der Brennstoffzelle (20) jeweils in einer Menge entsprechend einer Last der Lastvorrichtung, Schätzen einer Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases zwischen der Anode (22) und der Kathode (23) nach Stoppen der von der Brennstoffzelle (20) durchgeführten Energieerzeugung, und Korrigieren einer Zufuhrmenge des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases entsprechend der Last in Übereinstimmung mit der geschätzten Gasdurchdringungsmenge, die nach einem nachfolgenden Start der Energieerzeugung zuzuführen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasdurchdringungsmenge auf der Grundlage einer Abfallrate einer Leerlaufspannung geschätzt wird, nachdem die durch die Brennstoffzelle (20) durchgeführte Energieerzeugung gestoppt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abfallrate der Leerlaufspannung auf der Grundlage einer Spannungsabfallgröße berechnet wird, die zwischen der Anode (22) und der Kathode (23) auf der Grundlage eines Ausströmens des Brennstoffgases zu der Kathode (23) und eines Ausströmens des Oxidationsgases zu der Anode (22) auftritt, nachdem die durch die Brennstoffzelle (20) ausgeführte Energieerzeugung gestoppt ist, einer seit Stopp der durch die Brennstoffzelle (20) ausgeführten Energieerzeugung verstrichenen Zeit und einer Funktion berechnet wird, die vorab durch Versuche oder einer Simulationsberechnung erhalten worden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasdurchdringungsmenge auf der Grundlage einer Gasdruckverringerungsrate in dem Brennstoffgas nach Stopp der von der Brennstoffzelle (20) durchgeführten Energieerzeugung geschätzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gasdruckverringerungsrate auf der Grundlage einer geschätzten Gasdurchdringungsmenge, die vorab durch Versuche oder einer Simulationsberechnung erhalten worden ist, auf der Grundlage eines Brennstoffgasdrucks in der Anode, nachdem die durch die Brennstoffzelle (20) durchgeführte Energieerzeugung gestoppt ist, einer Verringerung in dem Brennstoffgasdruck für eine seit dem Stopp der von der Brennstoffzelle durchgeführten Energieerzeugung bis zu dem Zeitpunkt verstrichenen Zeit, zu dem die durch die Brennstoffzelle (20) durchgeführte Energieerzeugung erneut gestartet wird, und der verstrichenen Zeit berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Korrekturschritt eine Korrekturgröße des Brennstoffgases und eine Korrekturgröße des Oxidationsgases jeweils unabhängig auf der Grundlage der geschätzten Gasdurchdringungsmenge eingestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Gasdurchdringungsmengen-Schätzschritt unabhängig jeweils die Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und die Gasdurchdringungsmenge des Oxidationsgases geschätzt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die durch die Brennstoffzelle (20) durchgeführte Energieerzeugung in einem gestoppten Zustand in eine intermittierende Betriebsart der Brennstoffzelle (20) gebracht wird.
  9. Brennstoffzellensystem mit einem Steuerungsabschnitt (50), der eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
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