DE112004002279T5

DE112004002279T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten desselben

Info

Publication number: DE112004002279T5
Application number: DE112004002279T
Authority: DE
Inventors: Keisuke Fujisawa Suzuki; Shinichi Yokosuka Makino; Hiromasa Yokosuka Sakai; Ikuhiro Zushi Taniguchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-09-28
Also published as: WO2005053075A1; US20070122668A1; JP2005183354A

Abstract

Brennstoffzellensystem, das umfasst:
ein Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit zum Befehlen des Starts der Zufuhr eines Brennstoffgases zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems,
eine Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Betriebsstatus der Brennstoffzelle,
eine Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit zum Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung und der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit, und
eine Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit zum Steuern der Brennstoffgaszuführrate in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit und der Steuerung der Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit,
wobei die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle beim Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, und
wobei die Zufuhr des Brennstoffgases in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit gestartet wird, wobei dann nachdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle gestartet wurde, die Brennstoffgaszuführrate durch die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit erhöht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem einschließlich einer Brennstoffzelle, bei der Katalysatoren enthaltende Elektroden auf Kohlenstoffkatalysatorträgern gehalten werden, und insbesondere eine Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Katalysatoren und des Katalysatorträgers beim Starten und Stoppen des Brennstoffsystems.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung zum direkten Umwandeln von chemischer Energie eines Brennstoffgases wie etwa eines Wasserstoffgases und eines zugeführten sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelgases in elektrische Energie, die über Elektroden auf beiden Seiten eines Elektrolyten extrahiert wird. Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) kann aufgrund der intrinsischen Materialeigenschaften der darin verwendeten soliden Polymer-Elektrolytmembrane mit niedriger Temperatur betrieben und einfach gehandhabt werden, sodass sie insbesondere für die Energieversorgung in einem Fahrzeug geeignet ist. Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug trägt eine Wasserstoffspeichereinrichtung wie etwa einen Hochdruck-Wasserstofftank, einen Flüssigwasserstofftank oder einen Wasserstoffspeichertank aus einer Legierung sowie eine Brennstoffzelle, zu der Wasserstoffgas aus der Wasserstoffspeichereinrichtung zugeführt wird, um mit der Luft zu reagieren. Die durch die Reaktion erzeugte elektrische Energie wird aus der Brennstoffzelle extrahiert, um einen mit den Rädern verbundenen Motor anzutreiben. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug ist ein äußerst sauberes Fahrzeug, das nur Wasser ausstößt.
Allgemein besteht eine Zelle als Komponente der PEFC aus einer Membranenelektrodenanordnung (MEA), die eine Polymer-Elektrolytmembrane und Elektrodenkatalysatorschichten auf beiden Seiten derselben umfasst, wobei die MEA durch ein Paar von Trenngliedern umgeben ist. Wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-373674 angegeben, umfasst die Elektrodenkatalysatorschicht Platinkatalysatoren und Kohlenstoffkatalysatorträger. In einigen Fällen werden Platinfeinpartikeln auf die Oberfläche der Elektrolytmembrane aufgetragen, um die Elektrodenkatalysatorschicht zu bilden. Weil Platin kostspielig ist, werden die Platinfeinpartikeln allgemein auf die Oberfläche des Kohlenstoffkatalysatorträgers aufgetragen.
In PEFC finden Elektrodenreaktionen zwischen dem zu einer Anode (Brennstoffelektrode) zugeführten Wasserstoffgas und der zu einer Kathode (Oxidationsmittelelektrode) zugeführten Luft (oder dem Sauerstoff) wie durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt statt, wodurch Elektrizität erzeugt wird: Anode: H₂ → 2H₊ + 2e– (1) Kathode: 2H₊ + 2e– + (1/2)O₂ → H₂O (2)
Beschreibung der Erfindung
Wenn jedoch bei der oben genannten Brennstoffzelle das System gestartet/gestoppt wird oder während das System gestoppt bleibt, tritt eine Kohlenstoffkorrosion/-verunreinigung statt, bei der der Kohlenstoff mit Wasser in einer Elektrodenkatalysatorschicht auf einer der Kathode zugewandten Fläche der Elektrolytmembrane reagiert, wodurch sich die Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysator verschlechtern.
Die Kohlenstoffkorrosion/-verunreinigung wird im Folgenden ausführlich mit Bezug auf 1A und 1B erläutert. 1A zeigt die Reaktionen der Kohlenstoffkorrosion/-verunreinigung in einer Zelle beim Starten/Stoppen der Brennstoffzelle. Die Bedingungen, unter denen die Reaktion beim Starten/Stoppen des Brennstoffzellensystems stattfindet, sind in der linken Spalte der Tabelle von 1B aufgelistet.
Während das Brennstoffzellensystem gestoppt ist, tritt Luft in die Anode der Brennstoffzelle ein. Dadurch wird eine Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff in der Anode erzeugt.
Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt wird, bleibt Luft in der Kathode der Brennstoffzelle und bleibt Wasserstoff in der Anode derselben. Wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt bleibt, tritt Luft in die Anode der Brennstoffzelle ein. Die eintretende Luft und das verbleibende Wasserstoffgas werden in der Anode gemischt, wodurch eine Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt wird. Nach einem längeren Stopp des Systems wird das Wasserstoffgas durch die eintretende Luft aus der Anode der Brennstoffzelle herausgeblasen und wird die Anode mit Luft gefüllt. Wenn die Zufuhr des Wasserstoffgases beim Starten des Systems gestartet wird, wird das zuzuführende Wasserstoffgas mit der Luft in der Anode gemischt, wodurch eine weitere Mischung des Sauerstoffs und des Wasserstoffs in der Anode erzeugt wird.
Wenn die oben beschriebenen Mischungen in der Anode vorhanden sind, reagiert der Wasserstoff in einem Bereich mit einer höheren Wasserstoffkonzentration wie durch die folgende Formel (3) ausgedrückt: H₂ → 2H₊ + 2e– (3)
Das dabei erzeugte Proton (H₊) geht von der Anode über die Elektrolytmembrane zu der Kathode, wo das Proton mit dem Sauerstoff wie durch die Formel (4) ausgedrückt reagiert, um Wasser zu bilden: O₂ + 4H₊ + 4e– → H₂O (4)
Diese Reaktion erfordern ein Elektron (e–). Wenn jedoch ein mit der Brennstoffzelle verbundener externer Kreis nicht geschlossen wird, kann das an der Anode freigesetzte Elektron nicht durch den externen Kreis zu der Kathode gehen. Deshalb reagiert das Wasser in der Kathode mit dem Katalysatorträger-Kohlenstoff auf der Elektrolytmembran wie durch die Formel (5) ausgedrückt, wodurch Kohlendioxid, ein Proton und ein Elektron erzeugt werden. Das derart erzeugte Elektron wird für die Wasser erzeugende Reaktion in der Kathode verwendet (Formel (4)). C + 2H₂O → CO₂ + 4H₊ + 4e– (5)
Durch die Reaktion der Formel (5) wird der Kohlenstoff auf der Elektrolytmembran aufgefangen und wird die Elektrolytmembrane verschlechtert.
In einem Bereich der Anode mit darin vorhandener Luft reagieren der Sauerstoff in der Luft, das durch die Reaktion der Formel (5) erzeugte und von der Kathode übertragene Proton und das durch die Reaktion der Formel (3) erzeugte Elektron miteinander wie durch die Formel (4) ausgedrückt, um Wasser zu erzeugen.
Wenn sich die Spannung am offenen Ende der Brennstoffzelle erhöht, bewegen sich die Elektronen einfacher in der Brennstoffzelle, wodurch die Reaktionen der Formeln (3) bis (5) beschleunigt werden. Deshalb wird die Kohlenstoffkorrosion der Elektrolytmembrane schwerwiegend.
Die Reaktionsbedingungen der Korrosion des Platinkatalysatorträger-Kohlenstoffs beim Stoppen und im Stoppzustand des Brennstoffzellensystems lassen sich wie folgt zusammenfassen: Luft (Sauerstoff) bleibt in der Kathode, Wasserstoffgas bleibt in der Anode und Luft (Sauerstoff) tritt von außen in die Anode ein; die erzeugte Energie wird nicht verwendet (die Energieextraktion ist gestoppt); und die Spannung am offenen Ende ist hoch (siehe linke Spalte in 1B).
Die Reaktionsbedingungen der Kohlenstoffkorrosion beim Starten des Brennstoffzellensystems lassen sich wie folgt zusammenfassen: Luft (Sauerstoff) tritt von außen in die Anode ein; Wasserstoffgas wird zu der Anode zugeführt und mit der Luft (Sauerstoff) in der Anode gemischt; die Energieextraktion wird gestoppt, bis die Anode mit dem Wasserstoffgas gefüllt ist; und die Spannung am offenen Ende ist hoch (siehe linke Spalte in 1B).
Die Korrosion des Katalysatorträger-Kohlenstoffs der Elektrolytmembrane beeinflusst die I-V-Eigenschaften der Brennstoffzelle. Insbesondere weist eine Brennstoffzelle mit korrodiertem Katalysatorträger-Kohlenstoff eine geringere Ausgangsspannung bei einem Ausgangsstrom auf als eine Brennstoffzelle in einem normalen Zustand, sodass die erzeugte elektrische Energie gering wird.
Eine der Maßnahmen zum Verhindern einer Verschlechterung der Elektrolytmembrane und des Katalysators besteht darin, vorübergehend während des Startens des Systems einen Hilfskreis mit der Brennstoffzelle zu verbinden, um Energie zu verbrauchten den Strom fließen zu lassen. Insbesondere wird beim Starten des Brennstoffzellensystems ein Hilfskreis mit einem Widerstand usw. vorübergehend mit der Brennstoffzelle verbunden, um eine Stoßerhöhung der Zellenspannung zu verhindern. Wenn danach der in dem Hilfskreis fließende Strom eine vorbestimmte Höhe erreicht oder wenn die Ladespannung des Hilfskreises auf einen vorbestimmten Pegel fällt, wird die elektrische Verbindung von dem Hilfskreis zu einer Hauptlastschaltung geschaltet.
Dieses Verfahren erfordert jedoch eine lange Zeit, um die Lastspannung des Hilfskreises zu vermindern, wodurch die Zeit zum Starten des Brennstoffzellensystems verlängert wird.
Eine Brennstoffzelle wird jedoch einfach verschlechtert, wenn die Energieerzeugung mit einer geringen Wasserstoffkonzentration in der Anode begonnen wird.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die oben erläuterten Probleme Bezug. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das eine Verschlechterung des Katalysators einer Brennstoffzelle verhindern und die Startzeit des Systems verkürzen kann, indem es insbesondere die Zuführrate des Brennstoffgases reduziert, um eine Überspannung zu verhindern, und indem es danach die Zuführrate des Brennstoffgases erhöht, um das vollständige Ersetzen des Gases in der Anode innerhalb einer kurzen Zeitperiode abzuschließen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das umfasst: eine Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit zum Befehlen des Starts der Zufuhr eines Brennstoffgases zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems; eine Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Betriebsstatus der Brennstoffzelle; eine Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit zum Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung und der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit; und eine Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit zum Steuern der Brennstoffgaszuführrate in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit und der Steuerung der Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit, wobei die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle beim Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird und wobei die Zufuhr des Brennstoffgases in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit gestartet wird, wobei dann nachdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle gestartet wurde, die Brennstoffgaszuführrate durch die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit erhöht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1A ist eine schematische Ansicht, die Reaktionen in einer Brennstoffzelle beim Starten/Stoppen zeigt.
1B ist eine Tabelle, die Reaktionsbedingungen bei der Kohlenstoffkorrosion/-verunreinigung beim Starten/Stoppen und im gestoppten Zustand der Brennstoffzelle sowie entsprechende Gegenmaßnahmen zeigt.
2 ist ein Steuerblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Systemblockdiagramm des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Zuführrate des Wasserstoffgases beim Starten eines Brennstoffzellensystems des Vergleichsbeispiels zeigt.
4B ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Brennstoffzellenspannung beim Starten des Brennstoffzellensystems des Vergleichsbeispiels zeigt.
4C ist ein Zeitdiagramm, das den Status der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung beim Starten des Brennstoffzellensystems des Vergleichsbeispiels zeigt.
4D ist ein Zeitdiagramm, das die Änderung der Sauerstoffmenge in der Kathode beim Starten des Brennstoffzellensystems des Vergleichsbeispiels zeigt.
4E ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Wasserstoffersetzungsrate in der Anode beim Starten des Brennstoffzellensystems des Vergleichsbeispiels zeigt.
5A ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Zuführrate des Wasserstoffgases beim Starten des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
5B ist ein Zeitdiagramm, das die Änderung in der Brennstoffzellenspannung beim Starten des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
5C ist ein Zeitdiagramm, das den Status der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung beim Starten des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
5D ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Sauerstoffmenge in der Kathode beim Starten des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
5E ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung in der Wasserstoffaustauschrate in der Anode beim Starten des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein allgemeines Flussdiagramm, das eine Startsteuersequenz des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung zum Bestimmen der Erhöhung der Wasserstoffzuführrate gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung zum Bestimmen der Erhöhung der Wasserstoffzuführrate gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung zum Bestimmen der Erhöhung der Wasserstoffzuführrate gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Jede der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, das für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug geeignet ist.
Erste Ausführungsform
Wie in 2 gezeigt, umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung:
eine Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit 101 zum Anweisen des Starts der Brennstoffgaszufuhr zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems;
eine Betriebsstatus-Erfassungseinheit 102 zum Erfassen des Betriebsstatus der Brennstoffzelle;
eine Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit 103 zum Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit 101 und der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinheit 102; und
eine Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit 104 zum Steuern der Brennstoffgaszuführrate in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit 101 und der Steuerung der Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit 103.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform wird die Betriebsstatus-Erfassungseinheit 102 von 2 durch einen Spannungssensor 21 zum Erfassen der Spannung der Brennstoffzelle 1 von 3 realisiert und werden die Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit 101, die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit 103 und die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit 104 von 2 als Teil einer Steuereinrichtung 30 zum Steuern des Betriebs des gesamten Brennstoffzellensystems von 3 realisiert.
Die Steuereinrichtung 30 ist ein Mikroprozessor mit einer CPU, ROMS zum Speichern von Steuerprogrammen und Programmen, RAMs als Arbeitsspeichern und einer Ein-/Ausgabe-Schnittstelle.
In 3 ist die Brennstoffzelle (der Brennstoffzellen-Hauptkörper) 1 zum Beispiel vom intern befeuchteten Typ und umfasst eine Anode 1a, eine Kathode 1b, eine Elektrolytmembrane 1c, poröse Trennglieder 1d und 1e, Reinwasser-Flussleitungen 1f und 1g, durch die reines Wasser zum Befeuchten des Reaktionsgases fließt, eine Kühlmittel-Flussleitung 1i und ein Trennglied 1h, das die Reinwasser-Flussleitung 1g von der Kühlmittel-Flussleitung 1i trennt.
Wasserstoffgas wird zu der Anode 1a aus einem Wasserstofftank 2 über ein Wasserstofftank-Hauptventil 3, ein Druckreduktionsventil 301 und ein Wasserstoff-Zuführventil 4 zugeführt. Der Druck des Wasserstofftanks 2 wird durch das Druckreduktionsventil 301 auf einen vorbestimmten Zwischendruck reduziert, wobei danach der Druck des Wasserstoffgases durch das Wasserstoff-Zuführventil 4 auf einen gewünschten Wasserstoffdruck geregelt wird und das regulierte Wasserstoffgas zu der Anode 1a zugeführt wird.
Das Brennstoffzellensystem wird durch die Steuereinrichtung 30 gesteuert, die eine Luftdrucksteuerung für die Kathode 1b, eine Wasserstoffdrucksteuerung für die Anode 1a, eine Reinwasser-Sammelsteuerung zum Sammeln von reinem Wasser in einem Reinwassertank 13 beim Stoppen der Brennstoffzelle in einer Niedertemperaturumgebung und eine Kathodensauerstoffverbrauchs-Steuerung zum Steuern des Sauerstoffverbrauchs in der Kathode beim Starten der Brennstoffzelle umfasst.
Eine Kühlmitteltemperatur-Steuereinheit 24 empfängt einen Befehl aus der Steuereinrichtung 30 und steuert eine Kühlpumpe 15, Dreiwegventile 16 und einen Kühlerventilator 18, sodass die durch einen am Kühlmittelauslass der Brennstoffzelle 1 vorgesehenen Temperatursensor 19 erfasste Brennstoffzellentemperatur T1 zu einer gewünschten Temperatur eingestellt wird.
Eine Auswurfeinrichtung 5 und eine Wasserstoffzirkulationspumpe 8 sind Brennstoffgas-Zirkulationseinrichtungen zum Rezirkulieren des Brennstoffgases zu der Anode 1a. Das zu der Anode zuzuführende Gas ist eine Mischung aus neuem Wasserstoffgas, das durch das Wasserstoff-Zuführventil 4 zugeführt wird, und nicht verwendetem Wasserstoffgas, das von der Anode 1a abgeführt wird. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 8 dient dazu, einen Bereich der Wasserstoffflussrate aus dem Arbeitsbereich der Auswurfeinrichtung 5 abzudecken.
Der Wasserstoffdruck an der Anode 1a wird durch die Steuereinrichtung 30 gesteuert, die eine Regelung über den durch einen Drucksensor 6a erfassten Druck P1 durchführt, um das Wasserstoff-Zuführventil 4 zu betreiben. Durch die Regelung des Wasserstoffdrucks auf einen konstanten Wert wird das in der Brennstoffzelle 1 verwendete Wasserstoffgas automatisch kompensiert.
Ein Abführventil 7 ist zwischen der Anode 1a und einem Verdünnungsgebläse 9 angeordnet. Das Abführventil 7 öffnet sich in den Fällen (a) bis (c) : (a) Abführen von in einem Brennstoffgassystem akkumuliertem Stickstoff, um die Zirkulation von Wasserstoff sicherzustellen; (b) Blasen von in einer Gasleitung akkumuliertem Wasser, um die Zellenspannung wiederherzustellen; (c) Durchführen einer Kathodensauerstoffverbrauchs-Steuerung beim Starten oder Stoppen des Brennstoffzellensystems, wobei das Wasserstoffgas nur zu der Anode 1a zugeführt wird, um den Sauerstoff in der Kathode 1b zu verbrauchen und das Gas in dem Brennstoffgassystem durch Wasserstoffgas zu ersetzen, um eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
Das Verdünnungsgebläse 9 verdünnt ein wasserstoffhaltiges Gas aus dem Abführventil 7 mit Luft, um die Wasserstoffkonzentration zu einem nicht entzündlichen Bereich zu reduzieren, und gibt das verdünnte Gas aus dem System aus.
Luft wird über einen Verdichter 10 zu der Kathode 1b zugeführt. Der Luftdruck P2 an der Kathode 1b wird durch einen Drucksensor 6b an der Einlassseite der Kathode erfasst. Die Steuereinrichtung 30 steuert den Luftdruck der Kathode auf einen gewünschten Wert, indem sie eine Regelung über den durch den Drucksensor 6b erfassten Luftdruck P2 durchführt und ein Luftdruck-Regelventil 11 betätigt.
Befeuchtungs-Reinwasser in den Reinwasserleitungen 1f und 1g wird von dem Reinwassertank 13 durch eine Reinwasserpumpe 12 zugeführt. Der Luftdruck, der Wasserstoffdruck und der Reinwasserdruck werden bestimmt und unter Berücksichtigung der Energieerzeugungseffizienz und der Wasserbalance zu einem vorbestimmten Druck eingestellt, sodass keine Spannungen in der Elektrolytmembrane 1c und den Trenngliedern 1d und 1e erzeugt werden. Etwas Wasser in den Reinwasserleitungen 1f und 1g geht durch die porösen Trennglieder 1d und 1e, um jeweils das Wasserstoffgas in der Anode und die Luft in der Kathode zu befeuchten. Das nicht verwendete Reinwasser wird über das Reinwasser-Sperrventil 14d zu dem Reinwassertank 13 zurückgeführt.
Wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt wird und Reinwasser in den Reinwasserleitungen 1f und 1g bleibt, tritt eine Erweiterung des Reinwassers aufgrund eines Gefrierens bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt auf, wodurch die Brennstoffzelle 1 unter Umständen beschädigt werden kann. Wenn also das System gestoppt wird, wird das Reinwasser in dem Reinwassertank 13 gesammelt. Die Steuereinrichtung 30 sendet den Luftdruck, der normalerweise durch den Verdichter 10 auf die Kathode 1b ausgeübt wird, zu den Reinwasserleitungen 1f und 1g, bläst das Reinwasser durch dieselben und befördert das Reinwasser zu dem Reinwassertank 13. Der Reinwassertank 13 weist einen verbesserten Aufbau auf und kann auch verwendet werden, wenn das enthaltene Reinwasser gefroren ist.
Ein Reinwasser-Sperrventil 14d ist ein Sperrventil, das ein Gaslecken in die Reinwasserleitungen verhindert. Wenn das Wasserstoffgas zu der Anode 1a zugeführt wird und sich beim Starten oder Stoppen des Brennstoffzellensystems kein Reinwasser in den Reinwasserleitungen 1f und 1g befindet, kann das Wasserstofflecken in die Reinwasserleitungen verhindert werden, indem ein Reinwasser-Sammelventil 14b und das Reinwasser-Sperrventil 14d geschlossen werden.
Das Kühlmittel wird durch die Kühlmittelpumpe 15 zu einer Kühlmittelleitung 1i in der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Ein Dreiwegeventil 16 schaltet den Weg des Kühlmittels und führt das Kühlmittel zu einem Kühler 17 und/oder zu einem Kühler-Bypass. Der Kühlerventilator 18 bläst Luft zu dem Kühler 17, um das Kühlmittel zu kühlen, wenn das Kühlmittel nicht ausreichend durch den natürlichen Luftfluss gekühlt wird. Die Kühltemperatur-Steuereinheit 24 stellt die Temperatur des Kühlmittels ein, indem sie eine Rückkopplung der durch den Temperatursensor 19 erfassten Kühlmitteltemperatur durchführt und das Dreiwegeventil 16 und den Kühlerventilator 18 betätigt.
Eine Energieverwaltungseinrichtung 20 extrahiert elektrische Energie aus der Brennstoffzelle 1 und führt die extrahierte Energie zu einer Lasteinrichtung wie etwa einem Fahrzeugmotor (nicht gezeigt).
Bei der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle beim Starten oder Stoppen des Brennstoffzellensystems extrahiert die Steuereinrichtung 30 elektrische Energie aus der Brennstoffzelle, um Sauerstoff der Kathode in Übereinstimmung mit der durch den Spannungssensor 21 erfassten Brennstoffzellenspannung CV und der abgelaufenen Zeit zu verbrauchen.
Im Folgenden wird die Steuerung in dem Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform beim Starten mit Bezug auf die Flussdiagramme von 6 und 7 erläutert. 6 ist ein allgemeines Flussdiagramm zu der Steuerung durch die Steuereinrichtung 30 beim Starten des Brennstoffzellensystems in der ersten Ausführungsform, und 7 ist ein Flussdiagramm zu der Bestimmung der Erhöhung der Wasserstoffgas-Flussrate.
Bevor die Steuerung des Flussdiagramms von 6 gestartet wird, wird das Hauptventil 3 des Wasserstofftanks geschlossen, wird der Verdichter 10 gestoppt und werden noch kein Wasserstoff und keine Luft zu der Brennstoffzelle 1 zugeführt.
In Schritt S10 von 6 bestimmt die Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit 101 zuerst den Beginn der Zufuhr von Wasserstoffgas auf der Basis von Signalen aus verschiedenen Fahrzeugeinrichtungen wie etwa einem Schlüsselschalter 302, sendet ein Signal zum Einstellen des Wasserstoffzufuhrdrucks wie etwa einen Einstelldruck für den Leerlauf des Systems zu dem Wasserstoff-Zuführventil 4 und sendet ein Signal zum Öffnen des Hauptventils 3 des Wasserstofftanks 2, wodurch mit der Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Anode 1a des Brennstoffzelle 1 aus dem Wasserstofftank 2 begonnen wird. Dann wird in Schritt S12 eine Zellengruppenspannung oder eine Totalspannung CV1 der Brennstoffzelle 1 durch den Spannungssensor 21 erfasst (Betriebsstatus-Erfassungseinheit 102) und wird die erfasste Spannung in der Sequenz-Steuereinrichtung 30 gelesen.
In Schritt S14 wird auf der Basis der in Schritt S12 erfassten Spannung bestimmt, ob die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet wird oder nicht. Für die Bestimmung werden die erfasste Spannung CV1 und ein vorbestimmter Wert Vp verglichen, und wenn die erfasste Spannung gleich oder größer als der vorbestimmte Wert Vp ist, schreitet der Prozess zu Schritt S16 fort, wo die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet wird. Der vorbestimmte Wert Vp wird als Verschlechterungsverhinderungs-Steuerungsstart-Schwellwert bezeichnet.
Wenn der Spannungssensor 21 Spannungen aus einer Vielzahl von Zellengruppen der Brennstoffzelle 1 erfasst, wird der Maximalwert der erfassten Spannungen als die erfasste Spannung CV1 definiert, wobei diese Spannung und der vorbestimmte Wert Vp miteinander verglichen werden.
Der zu vergleichende vorbestimmte Wert Vp ist kleiner gewählt als ein Verschlechterungs-Schwellwert Vd (Vp < Vd), der einer Spannung entspricht, bei der eine Verschlechterung der Brennstoffzelle 1 verursacht wird, und der zuvor experimentell erhalten wird. Wenn die erfasste Spannung CV1 in Schritt S14 unter dem vorbestimmten Wert Vp ist, kehrt der Prozess zu Schritt S12 zurück.
In Schritt S16 wird die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet, um eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern. Die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit 103 führt die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung durch, wobei die Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Anode 1a fortgesetzt wird, während die Zufuhr von Luft zu der Kathode 1b gestoppt wird, und wobei ein Befehl zu der Energieverwaltungseinrichtung 20 ausgegeben wird, um die elektrische Energie aus der Brennstoffzelle 1 für das Verbrauchen des Sauerstoffs in der Kathode zu extrahieren.
Das Extrahieren der elektrischen Energie (des Stroms) aus der Brennstoffzelle 1 in der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung in Schritt S16 kann wie oben beschrieben durch die Energieverwaltungseinrichtung 20, die eine Lasteinrichtung während des normalen Energieverbrauchs ist, oder durch ein Verfahren zum Verbinden von Widerständen oder ähnlichem realisiert werden, die separat zu der Brennstoffzelle 1 vorbereitet werden.
Dann wird in Schritt S18 bestimmt, ob die Wasserstoffgas-Flussrate zu der Anode 1a erhöht wurde. In Schritt S20 wird das Bestimmungsergebnis von Schritt S18 erhalten.
Die Bestimmung einer Erhöhung in der Wasserstoffgas-Flussrate in Schritt S18 wird weiter unten mit Bezug auf Schritt S18 erläutert.
Wenn in Schritt S20 bestimmt wird, dass die Wasserstoffgas-Flussrate nicht erhöht wurde, kehrt der Prozess zu Schritt S18 zurück.
Wenn in Schritt S20 bestimmt wird, das die Wasserstoffgas-Flussrate erhöht wurde, schreitet der Prozess zu Schritt S22 fort.
In Schritt S22 wird die Flussrate des zu der Anode 1a zugeführten Wasserstoffgases erhöht, indem der Wasserstoff-Zuführdruck erhöht wird, wobei der Befehl zum Erhöhen des Wasserstoff-Zuführdrucks zu dem Wasserstoff-Zuführventil 4 ausgegeben wird.
Eine Erhöhung der Flussrate des Wasserstoffgases in Schritt S22 kann realisiert werden, indem ein Zieldruckwert des Wasserstoffgases aus dem Wasserstoffzuführventil 4 zugeführt wird oder indem eine Öffnung des Abführventils 7 zum Abführen des Wasserstoffgases vergrößert wird.
Außerdem sind eine Vielzahl von Ventilen (wenigstens ein Ventil für eine niedrige Flussrate und ein Ventil für eine hohe Flussrate) mit jeweils unterschiedlich großen Öffnungen und unterschiedlichen Flussraten beim Öffnen des Ventils an dem Auslass der Anode vorgesehen, wobei von der Verwendung des Ventils für die niedrige Flussrate zu der Verwendung des Ventils für die hohe Flussrate gewechselt werden kann.
Dann wird in Schritt S24 die Wasserstoffgas-Ersetzungsrate in der Anode 1a bestimmt. In dem Schritt S26 wird bestimmt, ob das Ersetzen des Gases in der Anode abgeschlossen wurde.
Wenn in Schritt S26 bestimmt wird, dass das Ersetzen des Wasserstoffes der Anode 1a nicht abgeschlossen ist, kehrt der Prozess zu Schritt S24 zurück. Wenn in Schritt S26 bestimmt wird, dass das Ersetzen des Wasserstoffes der Anode 1a beendet ist, schreitet der Prozess zu Schritt S28 fort und wir die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung beendet. Dann wird in Schritt S30 eine normale Energieerzeugung gestartet und werden die Luft und das Wasserstoffgas für die Energieerzeugung zu der Brennstoffzelle zugeführt, wobei die Startsteuerung beendet wird.
7 ist ein Flussdiagramm, das Prozeduren zum Bestimmen der Erhöhung der Wasserstoffgas-Flussrate in Schritt S18 von 6 zeigt. Wenn in dieser Ausführungsform die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet wird, wird gleichzeitig die Flussrate des Wasserstoffgases erhöht. In Schritt S40 wird bestimmt, dass die Flussrate des Wasserstoffgases bedingungslos erhöht wurde, wobei der Prozess zu der Hauptroutine zurückkehrt.
Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird die Startsteuerung des Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf das Flussdiagramm von 8 beschrieben. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform ist mit demjenigen der ersten Ausführungsform von 2 und 3 identisch. Das Flussdiagramm von 6 ist identisch mit demjenigen der ersten Ausführungsform, sodass hier nur 8 erläutert wird.
8 zeigt die Prozeduren in Schritt S18 von 6. Nachdem in dieser Ausführungsform die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet wurde und in Schritt S18 bestimmt wurde, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist (Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit), wird die Flussrate des Wasserstoffgases erhöht.
In Schritt S50 von 8 wird ein Sauerstoffverbrauchsparameter zum Bestimmen des Sauerstoffverbrauchs der Kathode erfasst. In Schritt S52 wird auf der Basis des erfassten Sauerstoffverbrauchsparameters bestimmt, ob der Sauerstoff der Kathode verbraucht wurde.
Wenn in Schritt S52 bestimmt wird, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht wurde, und die Flussrate des Wasserstoffgases in Schritt S54 erhöht wurde, kehrt der Prozess zu der Hauptroutine zurück.
Wenn in Schritt S52 bestimmt wird, dass der Sauerstoff der Kathode nicht verbraucht wurde, kehrt der Prozess zu der Hauptroutine zurück und überspringt dabei den Schritt zum Bestimmen einer Erhöhung der Flussrate des Wasserstoffgases.
Der in Schritt S50 erfasste Sauerstoffverbrauchsparameter kann der Maximalwert der Spannungen der Vielzahl von Zellengruppen sein, die jeweils aus einer Vielzahl von Zellen der Brennstoffzelle 1 bestehen, oder kann die Gesamtspannung der Brennstoffzelle sein.
Wenn der Sauerstoffverbrauchsparameter als der Maximalwert der Zellengruppenspannungen oder als die Gesamtspannung der Brennstoffzelle definiert ist, wird in Schritt S52 bestimmt, dass der Sauerstoff in der Kathode durch eine Menge gleich oder größer als eine vorbestimmte Menge verbraucht wird, wenn der Maximalwert der Zellengruppenspannungen oder die Gesamtspannung der Brennstoffzelle unter den vorbestimmten Sauerstoffverbrauchsbestimmungs-Schwellwert Vc fällt ( 5B).
Wenn jedoch der Sauerstoff in der Luft der Kathode verbraucht ist, kann der von der Anode zu der Kathode über die Elektrolytmembrane 1c transferierte Wasserstoff nicht mit dem Sauerstoff reagieren. Ein Wasserstoff-Erfassungssensor ist hinter dem Luftdruck-Regelventil 11 vorgesehen. Und wenn der Wasserstoff durch diesen Sensor in der Luftleitung erfasst wird, können die Signale aus dem Wasserstoff-Erfassungssensor als Sauerstoffverbrauchsparameter definiert werden.
Außerdem ist ein Stromsensor vorgesehen, um einen Ausgabestrom der Brennstoffzelle 1 zu erfassen, wobei die Menge des verbrauchten Sauerstoffs aus einem integrierten Stromwert geschätzt werden kann, der aus dem erfassten Strom errechnet wird. In diesem Fall wird die Menge des in der Kathode verbrauchten Sauerstoffs aus dem Volumen und dem Druck des Luftsystems berechnet.
Außerdem wird die seit dem Start des Extrahierens der elektrischen Energie zum Verhindern einer Verschlechterung abgelaufene Zeit gemessen, wobei die derart erhaltene Zeit als Sauerstoffverbrauchsparameter definiert werden kann. Diese Verfahren können alleine oder in Kombination mit anderen verwendet werden.
Wenn bestimmt wird, dass Sauerstoff der Kathode verbraucht wurde, weil das Brennstoffgas in der Luftleitung der Kathode erfasst wird, kann der vollständige Verbrauch des Sauerstoffs erfasst werden.
Wenn bestimmt wird, dass Sauerstoff der Kathode verbraucht wurde, weil der vorbestimmte Wert seit dem Start der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung abgelaufen ist, kann ein einfacher Aufbau der Steuersoftware verwendet werden.
4A bis 4D sind Zeitdiagramme von Vergleichsbeispielen, die die Startsteuerung der Brennstoffzelle zeigen, wobei die Flussrate des Wasserstoffgases ab dem Start der Zufuhr bis zum Abschluss des Ersetzens des Wasserstoffes in der Anode auf eine niedrige Flussrate Q1 gesetzt wird.
Wenn die Zufuhr des Brennstoffgases (Wasserstoffgases) zu der Brennstoffzelle mit einer vorbestimmten Flussrate Q1 (oder einem vorbestimmten Druck) gestartet wird (Zeit t0) und die Zellengruppenspannung oder Gesamtspannung den Verschlechterungsverhinderungs-Steuerungsstart-Schwellwert Vp überschreitet, wird die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet (Zeit t1). Dementsprechend wird die Energieerzeugung gestartet und beginnt sich die Sauerstoffmenge in der Kathode zu vermindern. Weil die Flussrate des Wasserstoffgases auf eine niedrige Flussrate Q1 unterdrückt wird, sodass die Spannung der Brennstoffzelle unter dem vorbestimmten Verschlechterungsschwellwert Vd gehalten wird, ist eine lange Zeitdauer ab dem Start der Zufuhr bis zum Abschluss des Ersetzens des Wasserstoffes in der Anode (Zeit t3) erforderlich. Deshalb kann der Prozess nicht zu dem nächsten Prozess fortschreiten und ist eine lange Zeitdauer für das Starten des Systems erforderlich.
Wenn in der zweiten Ausführungsform wie in 5A bis 5D die Zufuhr des Brennstoffgases (Wasserstoffs) zu der Brennstoffzelle mit der vorbestimmten Flussrate Q1 (oder einem vorbestimmten Druck) gestartet wird (Zeit t0) und die Spannung der Zellengruppe oder die Gesamtspannung der Brennstoffzelle den Verschlechterungsverhinderungs-Steuerungsstart-Schwellwert Vp überschreitet, wird die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet (Zeit t1). Wenn danach die Sauerstoffmenge in der Kathode auf einen oberen Grenzwert q sinkt, unter dem eine Verschlechterung der Brennstoffzelle vermieden werden kann, wird die Flussrate des Wasserstoffgases zu einer vorbestimmten Flussrate Q2 erhöht. Wenn also die Flussrate des zu der Anode zugeführten Wasserstoffgases erhöht wird, kann die Zeitdauer zwischen dem Start der Zufuhr des Wasserstoffgases und dem Abschluss des Ersetzens des Wasserstoffes in der Anode (Zeit t3' < Zeit t3) verkürzt werden und kann auch die Startzeit des Systems verkürzt werden, ohne dass deshalb eine Verschlechterung der Brennstoffzelle gegeben ist.
Dritte Ausführungsform
Im Folgenden wird die Steuerung beim Starten des Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf das Flussdiagramm von 9 beschrieben. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform ist identisch mit dem Aufbau der ersten Ausführungsform von 2 und 3.
In dieser Ausführungsform 30 von 3 weist eine Kathodengaszufuhrstart-Befehleseinheit den Start einer Luftzufuhr (Kathodengas) an und dient weiterhin als Verschlechterungswahrscheinlichkeits-Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe der Betriebsstatus-Erfassungseinheit 102.
9 ist ein allgemeines Flussdiagramm, das die Steuerung des Brennstoffzellensystems der Ausführungsform beim Starten erläutert.
Für Steuerschritte, die eine gleiche Verarbeitung leisten wie in dem allgemeinen Flussdiagramme (6) der ersten Ausführungsform, werden gleiche Bezugseichen und Nummerierungen verwendet, wobei auf eine wiederholte Erläuterung derselben verzichtet wird und hier nur die Unterschiede in den allgemein Flussdiagrammen dieser Ausführungsform und der ersten Ausführungsform erläutert werden.
In dieser Ausführungsform wird der Wasserstoff-Zufuhrdruck erhöht, um die Wasserstoffgas-Flussrate zu der Anode 1a zu erhöhen. Der Befehl zum Erhöhen des Wasserstoff-Zufuhrdrucks wird in Schritt S22a ausgegeben, nachdem in Schritt S20 eine Erhöhung der Wasserstoffgas-Flussrate bestimmt wurde.
Weiterhin wird in Schritt S22a der Verdichter 10 gestartet, um Luft zu der Kathode 1b zuzuführen.
In dieser Ausführungsform wird auf der Basis des Bestimmungsergebnisses zu der Erhöhung der Wasserstoffgas-Flussrate in Schritt S18 bestimmt, dass eine geringere Wahrscheinlichkeit für eine Verschlechterung der Brennstoffzelle besteht, sodass die Luftzufuhr zu der Kathode 1b gestattet wird.
In Schritt S22a kann eine Erhöhung der Flussrate des Wasserstoffgases ähnlich wie in der ersten Ausführungsform realisiert werden, indem ein Zieldruckwert des über das Wasserstoff-Zufuhrventils 4 zugeführten Wasserstoffgases erhöht wird oder indem eine Öffnung des Abführventils 7 zum Abführen des Wasserstoffgases vergrößert wird.
Außerdem sind eine Vielzahl von Ventilen (wenigstens ein Ventil für eine niedrige Flussrate und ein Ventil für eine hohe Flussrate) mit jeweils unterschiedlichen großen Öffnungen und unterschiedlichen Flussraten beim Öffnen des Ventils an dem Auslass der Anode vorgesehen, wobei zwischen der Verwendung eines Ventils mit einer niedrigen Flussrate und der Verwendung eines Ventils mit einer hohen Flussrate gewechselt werden kann.
In dieser Ausführungsform wird auf der Basis eines Bestimmungsergebnisses zu einer Erhöhung der Flussrate in Schritt S18 bestimmt, dass eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Brennstoffzelle gegeben ist, und wird die Luftzufuhr zu der Kathode 1b gestattet. Dementsprechend kann das Starten des Brennstoffzellensystems verkürzt werden, indem die Luftzufuhr zu der Kathode 1b gestartet wird, bevor das Ersetzen des Wasserstoffes der Anode 1a abgeschlossen ist.
Es ist zu beachten, dass die Luftzufuhr zu der Kathode 1b nicht gleichzeitig mit der Erhöhung der Flussrate des Wasserstoffgases gestartet werden muss. Wenn zuvor experimentell oder auf andere Weise eine Zeitdauer erhalten wird, die für die Verteilung des Wasserstoffgases in der Anode in einem Bereich erforderlich ist, in dem eine Verschlechterung der Brennstoffzelle vermieden werden kann, kann der Zeitpunkt zum Starten der Luftzufuhr zu der Kathode 1b auf der Basis der abgelaufenen Zeit ab dem Start der Wasserstoffgaszufuhr oder der Erhöhung in der Flussrate des Wasserstoffgases bestimmt werden.
Wenn außerdem die Vorbereitung der Reinwasserpumpe 12 durchgeführt wird, indem die verdichtete Luft, die eigentlich für die Kathode 1b bestimmt ist, zu dem Reinwassertank 13 gesendet wird, ist eine zusätzliche Zeitdauer erforderlich, um das Brennstoffzellensystem zu starten. Weil in dieser Ausführungsform der Verdichter 10 gestartet wird, bevor das Ersetzen des Wasserstoffes abgeschlossen ist, kann die Zeit zum Starten des Brennstoffzellensystems weiter verkürzt werden.
Die vorliegende Beschreibung betrifft den Gegenstand der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-396795 vom 27. November 2003 und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-090115 vom 25. März 2004, deren Inhalt hier ausdrücklich unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die bevorzugten Ausführungsformen sind beispielhaft und nicht einschränkend, wobei die Erfindung auch auf andere Weise realisiert oder ausgeführt werden kann, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Der Erfindungsumfang wird durch die Ansprüche definiert und umfasst alle Variationen innerhalb der Bedeutungsumfangs derselben.
Industrielle Anwendbarkeit
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird beim Starten desselben zuerst eine Wasserstoffgaszufuhr zu einer Brennstoffzelle 1 gestartet. Wenn dann die durch einen Spannungssensor 21 erfasste Spannung der Brennstoffzelle 1 einen vorbestimmten Wert erreicht, wird eine Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet, in der Energie aus der Brennstoffzelle extrahiert wird, während die Wasserstoffgaszufuhr zu der Anode 1a fortgesetzt wird und die Luftzufuhr zu der Kathode 1b gestoppt wird. Wenn dann bestimmt wird, dass der Sauerstoff in der Kathode 1b verbraucht ist, wird die Flussrate des Wasserstoffgases zu der Anode 1a erhöht.
Weil bei dem Brennstoffzellensystem die Flussrate des Wasserstoffgases erhöht wird, nachdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung gestartet wurde, kann das Gas in der Anode schnell durch Wasserstoffgas ersetzt werden, ohne eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verursachen. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem auf eine Technik zum Verkürzen der Startzeit angewendet werden, wobei eine Korrosion/Verunreinigung des Katalysatorträger-Kohlenstoffs an der Elektrolytmembrane beim Starten des Brennstoffzellensystems verhindert wird.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffgaszufuhrstart-Befehleseinheit (101) zum Anweisen des Starts einer Brennstoffgaszufuhr zu einer Brennstoffzelle (1); eine Spannungserfassungseinrichtung (21) zum Erfassen einer Brennstoffzellenspannung; eine Steuereinrichtung (103) zum Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung für die Brennstoffzelle (1) auf der Basis der Brennstoffzellenspannung (CV) und eines Startbefehls aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit (101); und eine weitere Steuereinheit (104) zum Steuern der Brennstoffgas-Zuführrate in Übereinstimmung mit dem Startbefehl und der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung. Die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung wird beim Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Die Brennstoffgaszufuhr wird in Übereinstimmung mit dem Startbefehl gestartet, wobei nach dem Starten der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung die Brennstoffgas-Zuführrate erhöht wird.

Claims

Brennstoffzellensystem, das umfasst: ein Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit zum Befehlen des Starts der Zufuhr eines Brennstoffgases zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, eine Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Betriebsstatus der Brennstoffzelle, eine Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit zum Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinrichtung und der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit, und eine Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit zum Steuern der Brennstoffgaszuführrate in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit und der Steuerung der Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit, wobei die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle beim Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, und wobei die Zufuhr des Brennstoffgases in Übereinstimmung mit der Ausgabe aus der Brennstoffgaszufuhrstart-Befehlseinheit gestartet wird, wobei dann nachdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle gestartet wurde, die Brennstoffgaszuführrate durch die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit erhöht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit die Brennstoffgas-Zuführrate erhöht, unmittelbar nachdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle durch die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit gestartet wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: eine Kathodensauerstoffverbrauch-Bestimmungseinheit, die auf der Basis der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinheit bestimmt, ob der Sauerstoff in einer Kathode der Brennstoffzelle verbraucht ist oder nicht, wobei in der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit Sauerstoff in der Kathode verbraucht, indem sie Energie aus der Brennstoffzelle extrahiert, während die Luftzufuhr zu der Kathode gestoppt ist, und die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit die Brennstoffgas-Zuführrate erhöht, nachdem durch die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit bestimmt wurde, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Betriebsstatus-Erfassungseinheit einen Spannungssensor zum Erfassen der Spannungen einer Vielzahl von Zellen der Brennstoffzelle umfasst, und die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist, wenn der durch den Spannungssensor erfasste Maximalwert der Spannungen der Vielzahl von Zellen unter einem vorbestimmten wert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Betriebsstatus-Erfassungseinheit einen Spannungssensor zum Erfassen einer Gesamtspannung der Brennstoffzelle umfasst, und die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist, wenn die durch den Spannungssensor erfasste Gesamtspannung unter einem vorbestimmten Wert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Betriebsstatus-Erfassungseinheit eine Brennstoffgas-Erfassungseinheit zum Erfassen eines Brennstoffgases in einer Luftleitung in der Brennstoffzelle umfasst, und die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist, wenn die Brennstoffgas-Erfassungseinheit Brennstoffgas in der Luftleitung erfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Betriebsstatus-Erfassungseinheit eine Stromerfassungseinheit zum Erfassen des Ausgabestroms aus der Brennstoffzelle umfasst, und die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit die Menge des verbrauchten Sauerstoffs auf der Basis des durch die Stromerfassungseinheit erfassten Werts schätzt und bestimmt, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist, wenn die geschätzte verbrauchte Menge des Sauerstoffs größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Kathodensauerstoffverbrauchs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass der Sauerstoff der Kathode verbraucht ist, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem die Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle gestartet wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit eine variable Steuerung der Brennstoffgaszuführrate durchführt, indem sie einen Zieldruckwerts der Brennstoffgases ändert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit eine variable Steuerung der Brennstoffgaszuführrate durchführt, indem sie ein Ventil zum Abführen des Brennstoffgases aus einer Anode öffnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, das weiterhin umfasst: eine Vielzahl von Ventilen zum Abführen von Brennstoffgas aus einer Anode der Brennstoffzelle, wobei die Ventile jeweils verschieden große Öffnungen aufweisen, wobei die Brennstoffgaszuführraten-Steuereinheit eine variable Steuerung der Brennstoffgaszuführrate durchführt, indem sie die zu öffnenden Ventile wechselt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit die Spannung der Brennstoffzelle unter einem vorbestimmten Wert hält, indem sie Energie aus der Brennstoffzelle extrahiert und die Energie zu einer Lasteinrichtung führt, zu der beim normalen Starten und/oder Stoppen des Brennstoffzellensystems Energie zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Verschlechterungsverhinderungs-Steuereinheit die Spannung der Brennstoffzelle unter einem vorbestimmten Wert hält, indem sie Energie aus der Brennstoffzelle extrahiert und die Energie beim Starten und/oder Stoppen des Brennstoffzellensystems zu einer Hilfs-Lasteinrichtung zuführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: einen Kathodengaszufuhrstart-Befehlseinheit zum Anweisen des Starts einer Kathodengaszufuhr zu der Brennstoffzelle, und eine Verschlechterungswahrscheinlichkeits-Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgabe aus der Betriebsstatus-Erfassungseinheit, wobei die Kathodengaszufuhrstart-Befehlseinheit den Start der Kathodengaszufuhr nur dann anweist, wenn durch die Verschlechterungsmöglichkeits-Bestimmungseinheit bestimmt wird, dass eine geringere Wahrscheinlichkeit für eine Verschlechterung der Brennstoffzelle besteht.
Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, das umfasst: Zuführen von Brennstoffgas zu einer Brennstoffzelle, Erfassen des Betriebsstatus der Brennstoffzelle, Durchführen einer Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle auf der Basis des erfassten Betriebsstatus nach dem Starten der Zufuhr des Brennstoffgases, und Erhöhen der Zuführrate des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle nach dem Starten der Steuerung zum Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle.