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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das durch eine elektrochemische
Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas Elektrizität erzeugt,
sowie ein Gassteuerungsverfahren für das Brennstoffzellensystem.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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In
dem Fall, in dem ein mit der Brennstoffzelle ausgerüstetes Fahrzeug
für 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.
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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 das Polymerelektrolyt hindurchdringt, bis der Teildruck jedes
Gases an beiden Elektroden gleich wird. Die vorstehend beschriebene
Durchdringung des Gases durch das Polymerelektrolyt kann die normale
Energieerzeugung stören,
was zu einer zeitweiligen Verschlechterung des Leistungsvermögens der
Brennstoffzelle (Ausgangsspannung) bei erneutem Starten der Energieerzeugung
führt.
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Die
japanische Offenlegungsschrift JP-A-2002-352837 offenbart ein Brennstoffzellensystem,
das schnell überschüssiges Brennstoffzellengas
in die Brennstoffzelle unter bei Aktivierung ausgeübten Druck
zuführt,
so dass eine Leistungsabgabe Elektrizität aus dem gestoppten Zustand
der Brennstoffzelle heraus schnell erhalten wird.
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In
dem Fall, in dem die Energieerzeugung (elektrochemische Reaktion)
gestoppt worden ist, tendieren das Brennstoffgas und das Oxidationsgas, die
beide durch das Polymerelektrolyt in der Brennstoffzelle getrennt
sind, dazu, durch das Polymerelektrolyt 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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem,
das mit einer Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische
Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt,
und einer Lastvorrichtung versehen ist, der elektrische Energie
aus der Brennstoffzelle zugeführt
wird, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Gaszufuhreinheit,
die Brennstoffgas einer Anode und Oxidationsgas einer Kathode der
Brennstoffzelle jeweils in einer Menge entsprechend einer Last der
Lastvorrichtung zuführt, eine
Gasdurchdringungsmengenschätzeinheit,
die eine Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und/oder des
Oxidationsgases zwischen der Anode und der Kathode nach Stoppen
der Brennstoffzelle schätzt,
und eine Korrektureinheit, die eine Zufuhrmenge des Brennstoffgases
und/oder des Oxidationsgases jeweils entsprechend der Last in Übereinstimmung
mit der geschätzten
Gasdurchdringungsmenge korrigiert, die durch die Gaszufuhreinheit
bei einem nachfolgenden Start der Energieerzeugung zuzuführen ist.
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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 Brennstoffzellenbetriebs
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Korrektureinheit
eine Korrekturgröße des Brennstoffgases
und eine Korrekturgröße des Oxidationsgases
jeweils unabhängig
auf der Grundlage der geschätzten
Gasdurchdringungsmenge einstellen.
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Bei
der ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Gasdurchdringungsmengenschätzeinheit unabhängig jeweils
die Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und die Gasdurchdringungsmenge
des Oxidationsgases schätzen.
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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.
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Eine
zweite Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf 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.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine erläuternde
Darstellung, die einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung
wiedergibt,
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsprozess darstellt, auf das
die Erfindung bei einem unterbrechenden Betrieb der Brennstoffzelle
angewandt wird,
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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
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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.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Nachstehend
sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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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 Zustand 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.
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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.
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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.
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Gemäß 1 weist
eine Brennstoffzelle 20 ein Festpolymerelektrolyt 21 auf,
das zwischen einer Anode 22 und einer Kathode 23 angeordnet
ist (MEA: Membranelektrodenanordnung, membrane electrode assembly),
bei der eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt ist, 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 21 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.
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Aus
der Brennstoffzelle 20 ausgestoßenes Luftabgas wird weiter
nach außerhalb
durch einen Abgasdurchlass 72 ausgestoßen. Der Abgassensor 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.
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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.
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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 41 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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 yl, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
Schritt 544 wird der Betrieb der Brennstoffzelle 20,
der in der intermittierenden Betriebsart unterbrochen wurde, zu
dem Betriebszustand wieder aufgenommen.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20),
die Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas
und einem Oxidationsgas erzeugt, ist mit einer Gaszuführeinheit,
die Brennstoffgas einer Anode (22) und das Oxidationsgas
einer Kathode (23) der Brennstoffzelle (20) jeweils
in einer Menge entsprechend einer Last zuführt, einer Gasdurchdringungsmengenschätzeinheit
(S32), die eine Gasdurchdringungsmenge des Brennstoffgases und/oder
des Oxidationsgases zwischen der Anode (22) und der Kathode
(23) nach Stoppen der von der Brennstoffzelle (20)
durchgeführten
Energieerzeugung schätzt,
und einer Korrektureinheit (S36) versehen, die eine Zufuhrmenge
des Brennstoffgases und/oder des Oxidationsgases jeweils entsprechend
der Last in Übereinstimmung
mit der geschätzten
Gasdurchdringungsmenge korrigiert, die von der Gaszuführeinheit
bei einem nachfolgenden Start der Energieerzeugung zuzuführen ist.