DE112005000264T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Entfernen eines Brenngasrestes - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem zum Reduzieren eines Brenngasrestes während eines Abschaltens,
wobei das Brennstoffzellensystem den Brenngasrest einer Brennstoffzelle zuführt und bewirkt, dass eine Verbrauchseinrichtung zumindest einen Teil einer überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, verbraucht, und
wobei das Brennstoffzellensystem konfiguriert ist, so dass der Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem Betriebsstatus des Systems verändert werden kann.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung eines Brennstoffzellensystems für ein durch Erzeugen einer elektrischen Leistung erfolgendes Verbrauchen eines überschüssigen Brenngases, das in einer Brennstoffzelle und Gasleitungen während eines Abschaltens zurückbleibt.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Brenngassysteme für ein Verbrauchen von Wasserstoffgas, das in den Leitungen während des Abschaltens zurückbleibt, indem veranlasst wird, dass eine Brennstoffzelle eine elektrische Leistung erzeugt, sind bereits entwickelt worden. Die JP-A-2001-229951 offenbart beispielsweise ein mobiles Brennstoffzellensystem zum Umschalten zwischen einem Aufladen einer Batterie mit elektrischer Leistung, die aus einem Wasserstoffrest erzeugt wurde, und einem Entladen an einen Entladungswiderstand.
  • Genauer gesagt, wenn die Spannung der überschüssigen elektrischen Leistung ausreicht, um die Batterie aufzuladen, und die Batterie sich dabei nicht überlädt, wird eine überschüssige elektrische Leistung verwendet, um die Batterie aufzuladen; und wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist, oder die Spannung der überschüssigen Leistung nicht ausreicht, um die Batterie aufzuladen, wird eine überschüssige elektrische Leistung an den Entladungswiderstand entladen.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen, bekannten Technik besteht die Möglichkeit, die Energieeffizienz zu verbessern und die zurückbleibende Wasserstoffkonzentration rasch zu verringern, indem zwischen dem Aufladen der Batterie und dem Entladen an den Entladungswiderstand während des Abschaltens des Systems umgeschaltet wird.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen, einschlägigen Stand der Technik wird jedoch die Menge der überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf einer feststehenden Menge gehalten, was, abhängig vom Zustand des Bauteils, das die überschüssige elektrische Leistung verbraucht, manchmal unpraktisch sein kann. Angenommen, dass es sich bei der Einrichtung zum Verbrauchen der elektrischen Leistung um eine motorbetriebene Ausrüstung handelt, besteht die Möglichkeit, dass eine zurückbleibende elektrische Leistung, die nicht verwendet werden kann, um die Batterie aufzuladen, nicht verbraucht werden kann, da die motorbetriebene Ausrüstung Einschränkungen unterliegt, wie einer NV-Anforderung (Nxxxxx Vxxxxxx-). In diesem Fall handelt es sich bei der Gesamtsumme der elektrischen Leistung, die durch Aufladen der Batterie und durch die motorbetriebene Ausrüstung verbraucht werden kann, nicht um einen feststehenden Wert, die erzeugte elektrische Leistung nimmt allmählich ab, und der Wasserstoffgasrest kann nicht innerhalb kurzer Zeit verbraucht werden.
    •
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, einen Wasserstoffgasrest rasch zu entfernen, selbst wenn eine Verbrauchseinrichtung für überschüssige Leistung Einschränkungen unterliegt.
  • Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu erreichen, sieht die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Reduzieren eines Brenngasesrestes während des Abschaltens vor, bei dem das Brennstoffzellensystem den Brenngasrest einer Brennstoffzelle zuführt und veranlasst, dass eine Verbrauchseinrichtung zumindest einen Teil der über schüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, verbraucht, und das Brennstoffzellensystem ist so konfiguriert, dass der Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem Betriebsstatus des Systems geändert werden kann.
  • Zudem weist die Erfindung folgende Merkmale auf: eine Einrichtung zum Zuführen eines Brenngasrestes zu einer Brennstoffzelle während eines Abschaltens; eine Verbrauchseinrichtung zum Verbrauchen von zumindest einem Teil der überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird; eine Einrichtung zum Erfassen des Betriebsstatus des Systems; und eine Einrichtung zum Ändern des Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem erfassten Betriebsstatus.
  • Ferner sieht die Erfindung ein Verfahren vor zum Entfernen eines Brenngasrestes in einem Brennstoffzellensystem zum Reduzieren eines Brenngasrestes während eines Abschaltens, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zuführen eines Brenngasrestes zu einer Brennstoffzelle während eines Abschaltens; Veranlassen, dass eine Verbrauchseinrichtung zumindest einen Teil der überschüssigen elektrischen Leistung verbraucht, der durch die elektrische Leistung erzeugt wird; Erfassen des Betriebsstatus des Systems; und Ändern des Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem erfassten Betriebsstatus.
  • In der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird zumindest ein Teil der überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle unter Verwendung eines Brenngasrestes erzeugt wird, durch die Verbrauchseinrichtung verbraucht. Da der Leistungserzeugungsstatus des Brenngases gemäß dem Betriebsstatus des Systems geändert wird, kann außerdem der Brenngasrest durch eine beliebige Verbrauchseinrichtung unter einer beliebigen Bedingung verbraucht werden und der Verbrauchssteuerungsbereich kann dadurch erweitert werden.
  • Der Ausdruck „während des Abschaltens" bezieht sich auf den Zustand, wo die Erzeugung von elektrischer Leistung (Betrieb) der Brennstoffzelle angehalten wird, und umfasst den Fall, wo eine Betriebsstoppanforderung während des Betriebs der Brennstoffzelle gemacht wird und die Brennstoffzelle vorübergehend den Betrieb anhält.
  • Der Begriff „Brenngas" bezieht sich auf ein Wasserstoffgas im engeren Sinne, bezieht sich jedoch nachstehend auch auf ein oxidiertes Gas, wie z. B. Luft, bei dem es sich um die Sauerstoffquelle handelt.
  • Der Begriff „Brenngasrest" bezieht sich auf das Brenngas, das in der Brennstoffzelle zurückbleibt (beispielsweise in den Stapeldurchlässen) oder in Brenngasförderleitungen, die mit der Brennstoffzelle verbunden sind.
  • Der Begriff „Brennstoffzellensystem" oder „System" bezieht sich auf Bauteile zum Betreiben einer Brennstoffzelle und umfasst, z. B. eine Brennstoffzelle (wie z. B. einen Brennstoffzellenstapel), Brenngasförderleitungen und eine dazugehörige Hilfsausrüstung (wie z. B. Pumpen) zum Zuführen des Brenngases zur Brennstoffzelle, Förderleitungen für oxidiertes Gas und eine dazugehörige Hilfsausrüstung (wie z. B. Kompressoren) zum Zuführen des oxidierten Gases zu der Brennstoffzelle, Kühleinheiten zum Kühlen der Brennstoffzelle (wie z. B. Kühlmittelpumpen und Kühlgebläse), und elektrische Leistungseinheiten zum Speichern und Entladen von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle (wie z. B. eine sekundäre Batterie, einen Kondensator und Spannungsumwandlungsvorrichtungen (die einen Wandler und einen Wechselrichter beinhalten)).
  • Der Ausdruck „zumindest einen Teil des" bezieht sich auf die zurückbleibende elektrische Leistung, ausgenommen davon ist die Leistung, die durch die Verbrauchseinrichtung verbraucht wird, die beispielsweise durch eine sekundäre Batterie gespeichert wird.
  • Unter „Verbrauchseinrichtungen" sind verschiedene Vorrichtungen zu verstehen. Selbst wenn die Verbrauchseinrichtung einer Einschränkung unterliegt, wird der Brenngasverbrauch bei dieser Erfindung so gesteuert, dass verschiedenartige Verbrauchseinrichtungen verwendet werden können. Neben den Widerständen können außerdem eine motorbetriebene Ausrüstung, wie z. B. Kompressoren, Pumpen, Fahrmotoren, und Hilfsmotoren, verwendet werden.
  • Unter dem Begriff „Betriebsstatus des Systems" sind verschiedene physikalische Werte bei den Bauteilen zu verstehen, die das vorstehend beschriebene System bilden (einschließlich jener für das Gas, dessen Temperatur, Strömungsrate, Druck und so weiter; jener für die Zusatzgeräte, deren Drehzahlen, Verbrauchsleistung und so weiter; jener für die Kühleinheiten, die Anzahl der Pumpenumdrehungen, die Temperatur des Kühlmittels und so weiter; und jener für die elektrischen Leistungseinheiten, ihre elektrische Leistung, elektrischen Strom, Spannung, Temperatur und so weiter).
  • Der Begriff „Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle" betrifft in Bezug auf die Ausgabeseite der Brennstoffzelle Elemente, wie z. B. die erzeugte elektrische Leistung, den erzeugten elektrischen Strom und die erzeugte Spannung; und betrifft zudem in Bezug auf die Eingabeseite der Brennstoffzelle die Zuführmengen des Brenngases und des oxidierten Gases und Elemente, die zu einer Auswirkung auf die elektrische Leistungserzeugung führen, indem die Betriebsbedingungen der Hilfsausrüstung und – ventile geändert werden, die mit den vorstehend erwähnten Zuführmengen in Verbindung stehen.
  • Der Status des Systems, in dem der Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle geändert werden muss, ist vorzugsweise der Status, wo das System unter einer Einschränkungen arbeitet. Da bei dieser Konfiguration eine elektrische Leistungserzeugung nur beschränkt ist, wenn das System einer Einschränkung unterliegt, besteht die Möglichkeit, eine maximale Leistungserzeugungskapazität im Ganzen sicherzustellen und die Verbrauchszeit für das zurückbleibende Brenngas zu reduzieren.
  • Die Verbrauchseinrichtung ist beispielsweise die Antriebseinrichtung zum Zuführen des Brenngases zur Brennstoffzelle. Es ist zu bevorzugen, dass die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden soll, basierend auf einer Veränderung der zugeführten Brenngasmenge und der durch die Antriebseinrichtung ver brauchten elektrischen Leistung geändert wird. Abhängig von ihren Kennlinien ist die Antriebseinrichtung Einschränkungen unterworfen, wie z. B. einem maximalen elektrischen Strom. Erfindungsgemäß wird jedoch die Einschränkung erfaßt und die zu erzeugende elektrische Leistung wird gemäß der Menge der elektrischen Leistung, die durch die Antriebseinrichtung verbraucht werden kann, geändert.
  • Der Ausdruck „Veränderung der elektrischen Leistung" bedeutet nicht unbedingt, dass der elektrisch Leistungswert sich verändert. Selbst wenn der elektrische Leistungswert an sich nicht geändert wird, gilt eine Veränderung eines elektrischen Stromwerts oder eines Spannungswerts als eine Veränderung der elektrischen Leistung gemäß der Erfindung.
  • Es ist zudem zu bevorzugen, dass der Ansteuerungsbetrag der Antriebseinrichtung zum Zuführen von Brenngas zur Brennstoffzelle basierend auf dem geänderten Wert der zu erzeugenden elektrischen Leistung geändert wird. Wenn die Menge der elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden soll, geändert wird, ist es notwendig, die Brennstoffzelle zu steuern, so dass sie den geänderten Betrag der elektrischen Leistung erzeugt. Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird der Ansteuerungsbetrag der Antriebseinrichtung angepaßt, und die zu erzeugende elektrische Leistung kann dadurch ebenfalls angepaßt werden.
  • Die durch die Verbrauchseinrichtung verbrauchte elektrische Leistung, die hierin erwähnt wird, sollte idealerweise das Äquivalent der elektrischen Leistung zur überschüssigen elektrischen Leistung sein, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei die elektrische Leistung ausgenommen ist, die verwendet werden kann, um die elektrische Leistungsspeichervorrichtung aufzuladen. Im Idealfall ist dies darin begründet, dass die Speichervorrichtung der elektrischen Leistung anhand eines zurückbleibenden Brenngases aufgeladen wird, um wenn möglich die Verwendung des Brenngases effektiv zu nutzen. Wenn die elektrische Leistungsspeichervorrichtung anhand des Brenngasrestes nicht aufgeladen werden kann, kann die Verbrauchseinrichtung verwendet wer den, um der Brenngasrest zu verbrauchen, um eine erfindungsgemäße Leistungseinschränkungsverarbeitung auszuführen.
  • Außerdem wird erfindungsgemäß eine normale Beendung ausgeführt, wenn der Druck des zurückbleibenden Brenngases kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert aufgrund der Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle geworden ist. Wenn der Druck des Brenngasrestes kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, bedeutet dies, dass der Brenngasrest ausreichend verbraucht worden ist. Wenn das Brenngas ausreichend verbraucht worden ist, ist dementsprechend der gewünschte Zweck erreicht und das System daher normal beendet. Die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle und die Leistungserzeugung durch die Verbrauchseinrichtung werden beispielsweise angehalten.
  • Ferner wird erfindungsgemäß eine anormale Beendung ausgeführt, wenn der Druck des Brenngasrestes nicht kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert geworden ist, selbst nachdem eine festgelegte Zeitdauer verstrichen ist. Wenn der Druck des Brenngasrestes für lange Zeit nicht abgenommen hat, besteht die Möglichkeit, dass irgendeine Systemanormalität vorliegt. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, das System zu steuern, um die Brennstoffzelle zu stoppen und den Benutzer über eine eventuelle Anormalität zu informieren.
  • Wenn die elektrische Leistungsspeichervorrichtung bereitgestellt ist, würde ein spezifisches Beispiel einer erfindungsgemäßen Einschränkung dort vorliegen, wo ein Ladestrom für die elektrische Leistungsspeichervorrichtung einer Einschränkung unterworfen ist. Bei diesem System gilt die Einschränkung beim Aufladen der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung als Einschränkung. Dementsprechend ist es möglich, die elektrische Leistungsspeichervorrichtung vor einem Überladen zu schützen und die Spannungsumwandlungsvorrichtung, die die elektrische Leistung (elektrischen Strom) der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung zuführt, zu schützen.
  • Übrigens kann eine Einschränkung einer elektrischen Leistungsspeichervorrichtung anhand von physikalischen Werten entnommen werden, die sich auf Faktoren beziehen, die sich störend auf die elektrischen Leistungsspeicherfunktionen auswirken können, wie z. B. der zurückbleibende aufladbare Betrag, die Temperatur der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung und die Verschlechterung.
  • Wenn die Spannungsumwandlungsvorrichtung bereitgestellt ist, wäre ein weiteres spezifisches Beispiel für eine Einschränkung, wenn abhängig von der Temperatur der Spannungsumwandlungsvorrichtung eine Einschränkung erhoben wird. Bei diesem System gilt die Temperatur der Spannungsumwandlungsvorrichtung als die Einschränkung. Dementsprechend kann eine übermäßige Wärmeerzeugung aufgrund einer großen elektrischen Leistungsmenge, die durch die Spannungsumwandlungsvorrichtung gelangt, beschränkt werden. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, die Bauteile zu schützen, aus denen die Spannungsumwandlungsvorrichtung gebildet ist.
  • Ein weiteres Beispiel für eine Einschränkung wäre, wenn in Abhängigkeit von der Innentemperatur der Brennstoffzelle eine Einschränkung erhoben wird. Bei diesem System gilt die Innentemperatur der Brennstoffzelle als Einschränkung. Dementsprechend ist es möglich, elektrolytische Filme in der Brennstoffzelle vor einer übermäßigen Wärmeerzeugung zu schützen.
  • Noch ein weiteres Beispiel für eine Einschränkung wäre, wenn eine Einschränkung in Abhängigkeit von der Spannung der durch die Brennstoffzelle erzeugten Leistung erhoben wird. Bei diesem System wird die Spannung der durch die Brennstoffzelle erzeugten Leistung als Einschränkung betrachtet. Wenn die Spannung der Leistung, die durch die Zellen erzeugt wird, die die Brennstoffzelle ausbilden, dementsprechend abnimmt, können die elektrolytischen Schichten von einzelnen Zellen geschützt werden, indem eine übermäßige Wärmeerzeugung verhindert wird.
  • Wenn ein Kompressor zum Zuführen eines oxidierten Gases zur Brennstoffzelle vorgesehen ist, wäre noch ein weiteres Beispiel für eine Einschränkung, wenn auf die Menge des oxidierten Gases, das durch den Kompressor bereitgestellt wird, eine Einschränkung erhoben wird. Bei diesem System wird die Menge des oxidierten Gases, das durch den Kompressor bereitgestellt wird, als Einschränkung betrachtet. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, ein übermäßiges Trockne der einzelnen Zellen in der Brennstoffzelle aufgrund einer übermäßigen Zufuhr des oxidierten Gases zu verhindern und die Dauerhaftigkeit der einzelnen Zellen beizubehalten.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren des elektrischen Stromverbrauchs des Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform erläutert.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle und der elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden soll, darstellt.
  • 4 ist ein Diagramm von Ausgabekennlinien eines Umwandlers.
  • 5 ein funktionales Blockdiagramm der Erfindung.
  • BESTE ART UND WEISE, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Die Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem, das auf einem mobilen Objekt, wie z. B. eine Elektroauto, befestigt ist, auf das ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Begrenzung der elektrischen Leistung angewendet wird. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform ist nur ein Beispiel der Erfindung, und die Erfindung kann ohne Einschränkung auf die nachstehende Ausführungsform angewendet werden.
  • 5 zeigt Funktionsblöcke der Erfindung. Wie in 5 gezeigt ist, wird bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1, bei dem veranlasst wird, dass eine Brennstoffzelle 6 eine elektrische Leistung erzeugt, indem während eines Abschaltvorgangs ein Brenngasrest verwendet wird, eine Verbrauchseinrichtung 3 dazu gebracht, dass sie zumindest einen Teil des Überschusses an elektrischer Leistung verbraucht, der als Folge einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 6 erzeugt wurde. Wird bewirkt, dass die Verbrauchseinrichtung 3 die elektrische Leistung verbraucht, wird die Einschränkung im System 1 erfaßt und die zu erzeugende elektrische Leistung wird abhängig von dem Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle 6 und gemäß der erfassten Einschränkung geändert.
  • In einer allgemeineren Beschreibung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem 1 folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung 2 zum Zuführen eines Brenngasrestes zu einer Brennstoffzelle 6 während eines Abschaltvorgangs; die Verbrauchseinrichtung 3 zum Verbrauchen von zumindest einem Teil der überschüssigen elektrischen Leistung, die als Folge der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 6 erzeugt wurde, eine Einrichtung 4 zum Erfassen des Betriebsstatus des Systems 1; und eine Einrichtung 5 zum Verändern des Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem erfassten Betriebsstatus. Diese Funktionsblöcke werden durch das nachstehende Brennstoffzellensystem realisiert.
  • 1 ist eine Gesamtansicht des Systems eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem ein Gasverteilungssystem und ein elektrisches System auf. Das Gasverteilungssystem weist ein System zum Zuführen eines Wasserstoffgases zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ein System zum Zuführen von Luft, bei der es sich um die Sauerstoffquelle handelt, und ein System zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 10 auf.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Stapelkonfiguration auf, die durch Stapeln von einer Mehrzahl von Zellen gestapelt wird, wobei eine jeweilige Zelle besteht aus: Separatoren mit Durchgangsleitungen für ein Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser; und einer MEA (Membranelektrodenanordnung), die zwischen einem Paar von Separatoren gehalten wird. Die MEA ist auf eine solche Weise konfiguriert, dass eine elektrolytische Polymerschicht zwischen zwei Elektroden, einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, gehalten wird. Die Brennstoffelektrode wird gebildet, indem eine Brennstoffelektrodenkatalysatorlage über einem porösen Träger angeordnet wird, wohingegen die Luftelektrode gebildet wird, indem eine Luftelektroden-Katalysatorlage über einem porösen Träger angeordnet wird. Da die Brennstoffzelle eine umgekehrte Wasser-Elektrolysereaktion bewirkt, wird ein Wasserstoffgas über eine Wasserstoffzuführleitung der Brennstoffelektrodenkathode zugeführt, und ein gas- (luft-) haltiger Sauerstoff wird der Luftelektrodenanode zugeführt. Die Reaktion in Formel (1) geschieht auf der Brennstoffelektrodenseite, und die Reaktion in der Formel (2) geschieht auf der Luftelektrodenseite, wodurch Elektronen zirkulieren und ein elektrischer Strom hindurchgelangt. H2 → 2H+ + 2e– Formel (1) 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O Formel (2)
  • Wie den vorstehenden Formeln (1) und (2) zu entnehmen ist, bildet nicht nur das Wasserstoffgas, sondern auch die Luft das wesentliche Brenngas, das zur Erzeugung elektrischer Leistung beiträgt.
  • Das Wasserstoffgas-Zuführsystem weist neben der Wasserstoffgas-Zuführleitung von einem Wasserstoffgastank 11 zum Brennstoffzellenstapel 10, ein Sperrventil SV1, ein Druckregelventil RG, das der erfindungsgemäßen Druckeinstelleinrichtung entspricht, und ein Brennstoffzellen-Einlaß-Sperrventil SV2 auf. Das Wasserstoffgas-Zuführsystem weist zudem neben einer Zirkulationsleistung von dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10, ein Brennstoffzellen-Auslass-Sperrventil SV3, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 12, ein Abschaltventil SV4, eine Wasserstoffpumpe 13 und ein Rückschlagventil RV auf. Die stromabwärtige Seite der Wasserstoffpumpe 13 ist mit einer Abgasleitung für das Wasserstoff-Aus-Gas verbunden, und ein Reinigungs-Abschaltventil SV5 ist an der Abgasleitung vorgesehen.
  • Bei dieser Ausführungsform beinhaltet das Wasserstoffgas-Zuführsystem die Zirkulationsleitung, muss diese aber nicht notwendigerweise aufweisen. Außerdem kann die Zirkulationsleitung mit der Seite stromauf des Druckregelventils RG verbunden sein. Zudem kann das Wasserstoffgas-Zuführsystem einen Rückspeisungstank zum Speichern des Wasserstoffgases aufweisen, das durch den Brennstoffzellenstapel 10 nicht verbraucht werden kann.
  • Der Wasserstofftank 11 ist mit einem mit hohem Druck beaufschlagten Wasserstoffgas befüllt. Neben einem mit hohem Druck beaufschlagten Wasserstoffgastank können verschiedene Tanks als Wasserstofftank verwendet werden, wie z. B. ein aus einer Wasserstoffabsorptionslegierung gefertigter Wasserstofftank, ein Wasserstoffzuführmechanismus unter Verwendung von reformiertem Gas, ein Tank mit einem verflüssigten Wasserstoff und ein Flüssigbrennstofftank. Das Sperrventil SV1 wird gemäß einem Steuerungssignal von einem Steuerungsbereich 20 geöffnet oder geschlossen, wobei angesteuert wird, ob bewirkt werden soll, ob das Wasserstoffgas in die Zuführleitung strömen soll oder nicht.
  • Das Druckregelventil RG behält den Wasserstoffgas-Zuführdruck der Zirkulationsleitung bei einem gewünschten Druckwert bei. Das Brennstoffzellen-Einlaß-Sperrventil SV2 und das Auslass-Sperrventil SV3 werden gemäß einem Steuerungssignal von dem Steuerungsbereich 20 geschlossen, nachdem das Wasserstoffgas, das in der Zirkulationsleitung verblieben ist, während des Abschaltens der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle durch den erfindungsgemäßen Betrieb verbraucht worden ist. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 12 entfernt die Feuchtigkeit und andere durch die elektrochemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugte Verunreinigungen während eines Normalbetriebs aus dem Wasserstoffgas, und gibt die Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen durch das Abschaltventil SV4 nach außen ab. Die Wasserstoffpumpe 13 zwingt das Wasserstoffgas in der Zirkulationsleitung dazu, gemäß dem Steuerungssignal von dem Steuerungsbereich 20 zu zirkulieren. Die Wasserstoffpumpe 13 ist Teil der Verbrauchseinrichtung des Brennstoffzellensystems. Wenn die Wasserstoffverbrauchssteuerung erfindungsgemäß durchgeführt wird, zirkuliert die Wasserstoffpumpe 13 das Wasserstoffgas und arbeitet dadurch, um den Verbrauch des Wasserstoffgases zu beschleunigen. Das Reinigungs-Abschaltventil SV5 ist mit der Zirkulationsleitung verbunden und wird beim Reinigungsvorgang geöffnet. Außerdem ist das Reinigungs-Abschaltventil SV5 so ausgelegt, dass es einen Teil des Wasserstoffgases abführen kann, der zur Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 10 nicht verwendet werden kann. Das von dem Reinigungs-Abschaltventil SV5 abgeführte Wasserstoffgas wird einer Verdünnungseinheit, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, zugeführt und mit der abgeführte Luft verdünnt.
  • Ein Temperatursensor ts erfasst die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10. Ein Drucksensor ps erfaßt den Wasserstoffgas-Zuführdruck in dem Brennstoffzellenstapel 10. Diese Sensoren ts bzw. ps geben die erfassten Ergebnisse als Erfassungssignale an den Steuerungsbereich 20 aus.
  • Das Luftzuführsystem beinhaltet eine Luftreinigungseinrichtung 21, einen Kompressor 22 und einen Luftbefeuchter 23 auf. Die Luftreinigungseinrichtung 21 reinigt die Außenluft und führt diese in das Brennstoffzellensystem ein. Der Kompressor 22 ist Teil der Verbrauchseinrichtung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und ist ausgelegt, um die Menge und den Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 10 durch Komprimieren der eingeführten Luft gemäß einem Steuerungssignal von dem Steuerungsbereich 20 zugeführt wird, zu ändern. Der Luftbefeuchter 23 fügt eine geeigneten Grad an Luftfeuchtigkeit durch Austauschen von Feuchtigkeit zwischen der komprimierten Luft und der abgeführten Luft hinzu.
  • Das Kühlsystem für den Brennstoffzellenstapel 10 beinhaltete einen Kühler 31, ein Gebläse 32 und eine Kühlpumpe 33 auf und ist ausgelegt, um das Kühlwasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zu zirkulieren. Das Gebläse 32, das mit einem Elektromotor ausgestattet ist, der in der Zeichnung nicht gezeigt ist, und die Kühlpumpe 33 sind ebenfalls Teil der erfindungsgemäßen Verbrauchseinrichtung.
  • Anschließend erfolgt eine Beschreibung des elektrischen Systems. In dem Brennstoffzellenstapel 10 sind die einzelnen Zellen miteinander in Reihe oder parallel zu einander geschaltet, und daher wird eine spezifizierte Hochspannung (beispielsweise näherungsweise 500 V) zwischen einer Anode A und einer Kathode C erzeugt. Ein Hochspannungsumwandler 40 führt eine Spannungsumwandlung für eine sekundäre Batterie 41 mit einer anderen Spannung aus, um die Leistung der sekundären Batterie 41 als eine zusätzliche Leistungsquelle für den Brennstoffzellenstapel 10 zu nutzen, und führt zudem eine Spannungsumwandlung aus, um die sekundäre Batterie 41 mit einem Überschuss elektrischer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufzuladen. Ein Batteriecomputer 42 ist ausgelegt, um den Ladungszustand der sekundären Batterie 41 regelmäßig oder auf Anforderung zu überwachen, und den Ladungszustand an den Steuerungsbereich 20 abzugeben. Ein Traktionsinverter bzw. Zugkraftumrichter 43 wandelt einen Direktstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom um und führt diesen einem Fahrmotor 44 zu. Der Fahrmotor 44 ist außerdem Teil der erfindungsgemäßen Verbrauchseinrichtung. Ein Hochspannungs-Zusatzaggregat (Brennstoffzellen-Zusatzaggregat) 45 ist eine motorbetriebene Ausrüstung für die Wasserstoffpumpe 13, das Gebläse 3, die Kühlwasserpumpe 33 und dergleichen.
  • Der Steuerungsbereich 20 ist ein bekanntes Computersystem, wie z. B. eine ECU (elektronische Steuerungseinheit), und kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Reduzieren des Brenngasrestes implementieren, indem bewirkt wird, dass eine CPU (zent rale Verarbeitungseinheit), die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, in Folge Softwareprogramme ausführt, die auf einem ROM oder ähnlichem gespeichert sind, der ebenfalls nicht in der Zeichnung gezeigt ist. Genauer gesagt, arbeitet der Steuerungsbereich 20 gemäß dem später (2) beschriebenen Verfahren, um zu bewirken, dass das Hochdruck-Zusatzaggregat 45 die überschüssige elektrische Leistung während des Abschaltens verbraucht, die Einschränkung des Systems zu diesem Zeitpunkt zu erfassen und die elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt werden soll, gemäß der erfassten Einschränkung zu ändern.
  • Der Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 2 beschrieben. Wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, wird die Verarbeitung, die durch dieses Flussdiagramm erläutert wird, wiederholt bei den geeigneten Intervallen ausgeführt, während die Leistungsquelle eingeschaltet ist.
  • Dieses Brennstoffzellensystem ist konfiguriert, um die erfindungsgemäße Verarbeitung zum Reduzieren des Brenngasrestes auszuführen. Genauer gesagt führt das Brennstoffzellensystem ein in der Zirkulationsleitung während des Abschaltens zurückbleibendes Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 10 zu und bewirkt, dass derselbe das Wasserstoffgas verbraucht, verwendet die erzeugte überschüssige elektrische Leistung, um die sekundäre Batterie 41 aufzuladen, und verbraucht einen Teil der überschüssigen elektrischen Leistung, die nicht zum Aufladen der Batterie verwendet werden kann, indem der Fahrmotor 44, der Kompressor 22, das Gebläse 32, die Kühlpumpe 33 und die Wasserstoffpumpe 13, bei denen es sich um Verbrauchseinrichtungen handelt, angesteuert werden. Wenn dies geschieht, stellt das Brennstoffzellensystem die maximale elektrische Energie gemäß dem Betriebsstatus des Systems ein und erfaßt, ob das System eine Einschränkung aufweist, wie z. B. eine Einschränkung in Bezug auf den elektrischen Strom; und wenn das System eine Einschränkung aufweist, wird die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Energie dieser Einschränkung gemäß geändert.
  • Der Steuerungsbereich 20 überprüft zunächst, ob das Brennstoffzellensystem zur Abschaltung angewiesen worden ist (S1). Falls keine Abschaltung angefordert worden ist (S1: NO), setzt der Steuerungsbereich 20 die anderen Arbeitsabläufe für das Brennstoffzellensystem fort.
  • Falls ein Abschalten angefordert worden ist (S1: JA), startet der Steuerungsbereich 20 eine Abschaltsequenz für das System. Der Steuerungsbereich 20 gibt zunächst ein Steuerungssignal aus, um das Abschaltventil SV1 des Wasserstofftanks 11 (S2) zu schließen und stoppt die Versorgung des neuen Wasserstoffgases und startet dann erfindungsgemäß die Wasserstoffverbrauchssteuerung, um das in der Zirkulationsleitung zurückbleibende Wasserstoffgas zu verbrauchen (S3).
  • Der Steuerungsbereich 20 spezifiziert zunächst die aufladbare elektrische Kapazität der sekundären Batterie 41 basierend auf Informationen von dem Batteriecomputer 42 (S4). Der Steuerungsbereich 20 bestimmt, gemäß dieser Leistungskapazität, an welchen Bestimmungsort die überschüssige elektrische Leistung, die durch die Wasserstoffverbrauchssteuerung erfindungsgemäß erzeugt wird, verteilt werden soll.
  • Der Steuerungsbereich spezifiziert dann einen elektrischen Strom Ifc, der durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt werden soll (S5). Dieser erzeugte elektrische Strom Ifc kann in der nachstehend beschriebenen Weise festgelegt werden. Wenn die Pfc die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Leistung darstellt, Pb die Kapazität der aufladbaren Leistung der sekundären Batterie 41 darstellt, und Pc die durch das Hochspannungs-Zusatzaggregat 45 zu verbrauchende elektrische Leistung darstellt, wird die Beziehung zwischen ihnen durch die nachstehende Formel (3) beschrieben. Pfc = Pb + Pc Formel (3)
  • Da die elektrische Leistung Pc, die durch das Hochspannungs-Zusatzaggregat 45 verbraucht werden soll, gemäß der Steuerungssignalausgabe von dem Steuerungsbe reich 20 eindeutig festgelegt wird, besteht die Möglichkeit, die verbrauchte elektrische Leistung Pc durch Summieren der verbrauchten elektrischen Leistung entsprechend der Anzahl der Umdrehungen eines jeden Zusatzaggregats zu berechnen. Da die Kapazität Pb der aufladbaren Leistung der sekundären Batterie 41 in Schritt S4 erfasst wurde, wird die durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugende elektrische Leistung Pfc bestimmt, indem die Leistungskapazität Pb und die elektrische Leistung Pc, die durch die Zuatzaggregate verbraucht werden sollen, addiert werden.
  • Anschließend stellt der Steuerungsbereich 20 die elektrische Leistung Pfc, die erzeugt werden soll, bei einem möglichst großen Wert ein, indem angenommen wird, dass keine spezielle Einschränkung, wie z. B. eine Einschränkung in Bezug auf den elektrischen Strom, vorliegt. Dies ist darin begründet, dass der Wasserstoffgasrest schneller verbraucht werden kann, wenn eine größere elektrische Leistung erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass, wenn die Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 22 und der Wasserstoffpumpe 13 erhöht wird, die elektrische Leistung, die durch die Zusatzgeräte verbraucht wird, ansteigt, und damit einhergehend die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Leistung ebenfalls ansteigt. Somit wird geeignete Anzahl von Umdrehungen des Kompressors 22 und der Wasserstoffpumpe 13 vorübergehend festgelegt, und die bei dieser Anzahl von Umdrehungen zu erzeugende elektrische Leistung Pfc wird als die elektrische Leistung Pfc eingestellt, die erzeugt werden soll. Wenn die rechte Seite der Formel (3) kleiner wird als die linke Seite, wird die Ladungsleistung für die sekundäre Batterie reduziert. Wenn die rechte Seite der Formel (3) größer wird als die linke Seite, werden die Zusatzgeräte, wie z. B. der Fahrmotor 44, die Kühlpumpe 33 und das Gebläse 22, die die erzeugte elektrische Energie nicht beeinflussen, ausgewählt, um die elektrische Leistung zu verbrauchen, und die Anzahl der Umdrehungen für diese Zusatzgeräte wird festgelegt.
  • 3 ist eine Strom-Spannungs-(IV)-Kennlinie, die die Beziehung zwischen einem piezoelektrischen Strom, d. h. einer Leistungserzeugungskennlinie der Brennstoffzelle handelt, und der erzeugten Spannung darstellt. Der Steuerungsbereich 20 speichert als eine Datentabelle die Strom-Spannungs-Kennlinie für den Brennstoffzellenstapel 10.
  • Der Steuerungsbereich 20 legt den zu erzeugenden elektrischen Strom Ifc basierend auf der Kurve fest, die durch die vorübergehend festgelegte elektrische Leistung Pfc, die erzeugt werden soll, und die Strom-Spannungs-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 10 definierten ist. Genauer gesagt wird der elektrische Strom Ifc festgelegt, indem ein Schnittpunkt zwischen der Kurve der elektrischen Leistung Pfc und der IV-Kurve ermittelt wird, und der festgelegte elektrische Strom wird dann als der anfängliche elektrische Strom Ifc spezifiziert, der erzeugt werden soll. Der Steuerungsbereich 20 legt die Anzahl der Umdrehungen für den Kompressor 22 fest, so dass die elektrische Leistung Pfc, die vorstehend vorübergehend festgelegt wurde, erzeugt wird und die verbrauchte elektrische Leistung sich innerhalb des Bereichs der erzeugten elektrischen Leistung Pfc befindet (S6).
  • Wenn in Bezug auf die zu erzeugende elektrische Leistung keine Einschränkung vorliegt, wird der Verbrauch des Wasserstoffrests ausgeführt, indem die Spannungen von beiden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels 10 auf die Spannung Vfc für die Leistungserzeugung bei dem elektrischen Strom Ifc eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist jedoch der Einschränkungsfaktor des verbrauchten Stroms zum Verändern des zu erzeugenden elektrischen Stroms, d. h. zum Verändern des zu erzeugenden elektrischen Stroms, abhängig davon spezifiziert, ob das Hochspannungs-Zusatzgerät 45 (S8) eine elektrische Stromeinschränkung aufweist oder nicht.
  • Als dieser Einschränkungsfaktor des verbrauchten Stroms kann einem Aufladestrom für die sekundäre Batterie 41 eine Einschränkung auferlegt werden. Normalerweise kann der Batterieladevorgang umso schneller beendet werden, je stärker der elektrische Strom erhöht wird. Wenn jedoch die durch den Hochspannungsumwandler 40 strömende Leistung zu groß ist, oder wenn der Batteriecomputer 42 eine Einschränkung in Bezug auf den Ladestrom aufgrund einer Verschlechterung oder anderen Umständen verlangt, sollte der erzeugte elektrische Strom auf den beschränkten Strom reduziert werden. Daher überprüft der Steuerungsbereich 20, ob der Batteriecomputer 42 dem Ladestrom eine Einschränkung auferlegt hat oder nicht.
  • Wenn außerdem, wie in 4 gezeigt ist, die Temperatur auf einen bestimmten Grad (Tc) ansteigt, nimmt der Wert der elektrischen Leistung, die durch den Hochspannungsumwandler 40 strömen kann, aufgrund der Betriebskennlinien eines Schaltelements und eines durch einen Reaktor verursachten Verlusts ab. Ein Modul zum Steuern des Betriebs des Hochspannungsumwandlers 40 erfaßt die Temperatur innerhalb des Umwandlers; und wenn die Temperatur höher ist als ein spezifizierter Schwellwert Tc, kann das Modul ein Anforderung an den Steuerungsbereich 20 stellen, um der fließenden elektrischen Leistung einer Einschränkung auferlegen. Selbst wenn die sekundäre Batterie 41 dementsprechend über eine ausreichende, aufladbare Leistungskapazität verfügt und mit einem hohen Strom aufgeladen werden kann, wenn die Temperatur des Hochspannungsumwandlers 40 hoch ist, muss eventuell der fließende elektrisch Strom aus Sicht des Elementschutzes eingeschränkt werden. Daher überprüft der Steuerungsbereich 20, ob der Hochspannungsumwandler 40 eine Steuerung der fließende elektrischen Leistung angefordert hat oder nicht.
  • Wenn ferner die Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 zu hoch ist, muss eventuell die zu erzeugende elektrische Leistung vom Standpunkt des Schutzes der elektrolytischen Schichten aus eingeschränkt werden. Daher erfaßt der Steuerungsbereich 20 die Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einem Erfassungssignal von dem Temperatursensor ts und spezifiziert, ob die Temperatur sich innerhalb des Bereichs zum Ermöglichen einer ordnungsgemäßen Leistungserzeugung befindet oder nicht.
  • Wenn eine beliebige der einzelnen Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 10 in der Qualität abgenommen hat, nimmt die Spannung der elektrischen Leistung, die durch die einzelne Zelle erzeugt wird, ab. Wenn unter solchen Bedingungen eine hohe Leistung erzeugt wird, kann dies die Verschlechterung der Elektrolytschichten auf den einzelnen Zellen beschleunigen. Daher überwacht der Steuerungsbereich 20 die Spannungen) von einer oder mehreren einzelnen Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß einem Erfassungssignal Scv; und wenn eine Verringerung einer einzelnen Zellenspannung be obachtet wird, ist die maximale elektrische Leistung, die erzeugt werden soll, auf einen spezifizierten Wert oder weniger zu begrenzen.
  • Es gibt auch einen Fall, wo die zu erzeugende elektrische Leistung reduziert werden muss, obwohl dies nicht da zutrifft, wo eine Einschränkung in Bezug auf die Menge des Stroms (elektrische Energie) vorliegt, die direkt fließen kann. Dies geschieht durch den Betrieb des Kompressors 22 zum Zuführen von Luft. Wenn die Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 22 zunimmt und die Luftmenge zuviel wird, trocknen die einzelnen Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 10 aus und die Dauerhaftigkeit der einzelnen Zellen wird reduziert. Zudem steht dies in Konflikt mit der NV-Anforderung, und es können Geräusche und Vibrationen auftreten. Insbesondere in dem Fall, in dem eine Leistungserzeugung für den Wasserstoffverbrauch nach dem Abschalten erfolgt, kann die auf der Seite der Luftelektrode erzeugte Feuchtigkeitsmenge manchmal aufgrund einer Reduktion der Lastmenge zurückgehen. Wenn daher die Luftmenge übermäßig ansteigt, muss die Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 22 verringert werden, und die zu erzeugende elektrische Leistung muss dementsprechend geändert werden.
  • Wenn keine Einschränkung in Bezug auf den Strom (Leistung) durch die vorstehend beschriebene Verifizierungsverarbeitung bestätigt wird (S10: NEIN), kann eine Leistung bei der elektrischen Leistung Pfc und dem elektrischen Strom Ifc erzeugt werden, wie sie bei Schritt S5 eingestellt sind. Daher ändert der Steuerungsbereich 20 die Spannung des Anschlusses auf der Seite der sekundären Batterie des Hochspannungsumwandlers 40 in die Spannung VFc, die erzeugt werden soll, und veranlasst, dass ein Brennstoffzellenstapel 10 die Leistung bei dem elektrischen Strom Ifc erzeugt (S11).
  • Wenn hingegen eine Einschränkung in Bezug auf einen Strom (Leistung) vorliegt (S10: JA), und wenn die Einschränkung die Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 22 beeinflusst (S12: JA), gibt der Steuerungsbereich 20 ein Steuerungssignal zum Reduzieren der Anzahl von Umdrehungen für den Kompressor 22 gemäß der Beschränkung (S13) aus und modifiziert die Anzahl der Umdrehungen für den Kompressor 22. Der Steuerungsbereich 20 stellt die zu erzeugende elektrische Leistung durch eine neue Anzahl von Umdrehungen für den Kompressor 22 als die modifizierte elektrische Leistung Pfc ein, die erzeugt werden soll (S14).
  • Wenn eine Strom- (Leistungs-) Beschränkung vorliegt (S10: JA) und wenn die Beschränkung sich auf irgendeinen anderen Faktor als die Anzahl der Umdrehungen für den Kompressor 22 bezieht (S12: NEIN), modifiziert der Steuerungsbereich 20 den elektrischen Strom Ifc, der gemäß der Strom- (Leistungs-) Beschränkung bezüglich jeder Komponente des Systems erzeugt werden soll, und stellt den modifizierten, elektrischen Strom als den neuen elektrischen Strom Ifc* ein, der erzeugt werden soll (S15).
  • Wenn, wie in 3 gezeigt ist, der maximale Strom abhängig von dem Einschränkungszustand direkt bestimmt wird, ist dieser Strom der neue, zu erzeugende Strom Ifc*, und eine Spannung, die dem aktuellen Stromwert im Hinblick auf die Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht, ist die modifizierte Spannung Vfc*, die erzeugt werden soll. Wenn die zu erzeugende Leistung geändert werden soll, ermittelt der Steuerungsbereich 20 einen neuen Schnittpunkt zwischen der Kurve, die den modifizierten Strom Ifc* anzeigt, der erzeugt werden soll, und der Strom-Spannungs-Kennlinie, und bestimmt dann den modifizierten Strom Ifc* und die modifizierte Spannung Vfc*. Der Steuerungsbereich 20 gibt das Steuerungssignal an die Hochspannungsumwandler 40 aus, um die Spannung Vfc* als die Spannung des Anschlusses der Seite der sekundären Batterie anzulegen, und die Leistungserzeugung beginnt, indem der modifizierte Strom lfc* angelegt wird (S11).
  • Das in de Zirkulationsleitung zurückbleibende Wasserstoffgas sollte durch die vorstehend beschrieben Verarbeitung verbraucht werden, und der Druck innerhalb der Leitungen sollte allmählich abnehmen. Wenn der Druck nicht abnimmt, liegt eine abnormale Situation vor, wobei die Möglichkeit eines Sensorausfalls oder eines Ausfalls der Wasserstoffverbrauchsverarbeitung besteht.
  • Daher nimmt der Steuerungsbereich Bezug auf das Erfassungssignal von dem Drucksensor ps und prüft, ob der Wasserstoffdruck in den Leitungen kleiner oder gleich ist als ein spezifizierter Schwellwert Pth (S16). Wenn der Wasserstoffdruck wie erwartet kleiner oder gleich dem spezifizierten Schwellwert Pth ist (JA), zeigt er an, dass der Wasserstoffverbrauch normal durchgeführt worden ist, und daher eine normale Beendungsverarbeitung ausgeführt wird (S17). Genauer gesagt, stoppt der Steuerungsbereich 20 den Betrieb des Systems, indem ein Steuerungssignal ausgegeben wird, um den Betrieb aller Zusatzgeräte zu stoppen und die Abschaltventile zu schließen.
  • Wenn der Wasserstoffdruck in den Leitungen höher ist als der Schwellwert Pth (S16: NEIN) und eine verstrichene Zeit Tth nicht verstrichen ist (S18: NEIN), liegt ein Situation vor, wo eine Wasserstoffverbrauchsverarbeitung fortgesetzt werden sollte. Daher kehrt die Verarbeitung erneut zu der Wasserstoffverbrauchsverarbeitung bei Schritt S4 und den anschließenden Schritten zurück.
  • Wenn hingegen der Wasserstoffdruck in den Leitungen nicht gesenkt worden ist, selbst wenn die spezifizierte verstrichene Zeit Tth oder eine längere Zeit verstrichen ist (S18: JA), bedeutet dies, dass der Druck in der Leitungen nicht ausreichend verringert worden ist, und zeigt eine Sensorabnormalität oder eine Systemabnormalität an. In diesem Fall könnte das Gas beispielsweise aus dem Sperrventil SV1 des Wasserstofftanks 11 ausgelaufen sein. Daher führt der Steuerungsbereich 20 eine Benachrichtigungsverarbeitung aus, indem beispielsweise eine Warnlampe eingeschaltet wird, und öffnet gegebenenfalls das Reinigungs-Abschaltventil SV5, um das Wasserstoffgas aus der Zirkulationsleitung abzuleiten. Gleichzeitig steuert der Steuerungsbereich 20 den Kompressor 22 an, um die Luftmenge zu erhöhen, die zur Verdünnung des Wasserstoff-Aus-Gases verwendet wird. Wenn der Druck innerhalb der Leitungen nach einer bestimmten Zeitdauer abgenommen hat, oder wenn ohnehin eine bestimmte Zeitdauer verstrichen ist, schließt der Steuerungsbereich 20 alle Abschaltventile und stoppt den Betrieb der Zusatzgeräte, wodurch das System gestoppt wird.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine elektrische Leistung ausschließlich der Leistung, die verwendet werden kann, um die sekundäre Batterie 41 aufzuladen, durch das Hochspannungs-Zusatzgerät 45 verbraucht. Wenn dies geschieht, wird beurteilt, ob eine jeweilige Komponente des Systems eine Strom-(Leistungs-) Einschränkung aufweist oder nicht, und dann wird die durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugende elektrische Leistung dementsprechend geändert. Somit kann der Gasrest rasch durch ein beliebiges Objekt verbraucht werden, das die überschüssige elektrische Leistung verbraucht, wodurch eine Ausdehnung des Verbrauchssteuerungsbereich ermöglicht wird. Da außerdem die zu erzeugende elektrische Leistung nur beschränkt ist, wenn eine Beschränkung existiert, besteht die Möglichkeit, eine maximalen Leistungserzeugungskapazität als Ganzes sicherzustellen, und die Zeit zum Verbrauch des Brenngasrestes zu verkürzen.
  • In anderen Worten können als anfängliche elektrische Leistung und der anfängliche elektrische Strom größere Werte eingestellt werden; und der elektrische Strom (Leistung) kann geändert werden, wenn eine beliebige Einschränkung während der Wasserstoffverbrauchsverarbeitung offensichtlich wird. Existiert die Einschränkung nicht mehr, kann der elektrisch Strom (Leistung) wieder in die ursprünglichen Werte zurück geändert werden. Auf diese Weise kann abhängig von der Situation ein Höchstmaß an Wasserstoff verbraucht werden. Dementsprechend ist es möglich den Restwasserstoff sehr rasch zu verbrauchen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, und kann ohne Veränderungen auf verschiedene Weisen implementiert werden. Die vorstehend erwähnte Wasserstoffverbrauchsverarbeitung kann verwendet werden, um ein Auslaufen des Wasserstoffgases aus den Leitungen zu erfassen und ein Auslaufen aus dem Sperrventil SV1 des Wasserstofftanks zu erfassen.
  • Sobald der durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugende elektrische Strom Ifc* festgelegt ist, kann die Wasserstoffgasverbrauchsmenge abgeschätzt werden. Wenn hingegen eine Reduktion des Drucks des Wasserstoffgases regelmäßig durch den Drucksensor ps überwacht wird, kann die Ist-Wasserstoffgasverbrauchsmenge ermittelt werden. Durch ein Vergleichen dieser Verbrauchsmengen untereinander kann ein Auslaufen von Gas kann erfasst werden. Genauer gesagt, wenn Gas aus den Leitungen aus getreten ist, erreicht die Wasserstoffgasverbrauchsmenge, die durch den Drucksensor ps tatsächlich gemessen wurde, einen größeren Wert als die Wasserstoffgasverbrauchsmenge, die anhand des zu erzeugenden, elektrischen Stroms Ifc abgeschätzt wurde. Wenn außerdem Gas aus dem Sperrventil SV1 des Wasserstofftanks ausgetreten ist, wird sich eine Verringerung des Drucks innerhalb der Leitungen kaum bemerkbar machen, und daher wird die geschätzte Wasserstoffgas-Verbrauchsmenge größer werden als die Wasserstoffgasverbrauchsmenge, die durch eine tatsächliche Messung des Druckabfalls erhalten wurde. Eine Beurteilung dahingehend, ob ein normaler Beendungsvorgang oder ein anormaler Beendungsvorgang ausgeführt werden soll, kann durch Ausführen der vorstehend beschriebenen Verarbeitung gegen Ende der Wasserstoffverbrauchsverarbeitung festgelegt werden.
  • (GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT)
  • Wenn nicht ausreichend elektrische Energie vorliegt, die durch die Verbrauchseinrichtungen infolge des Vorhandenseins einer Verbrauchseinrichtungseinschränkung verbraucht werden soll, wird die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden soll, dementsprechend gemäß der vorliegenden Erfindung geändert. Daher kann der Brenngasrest durch eine irgendeine Verbrauchseinrichtung unter einer beliebigen Bedingung verbraucht werden, und der Verbrauchssteuerungsbereich kann dadurch erweitert werden. Da die zu erzeugende elektrische Leistung außerdem nur bei Vorhandensein einer Einschränkung eingeschränkt ist, besteht die Möglichkeit, eine maximale Leistungserzeugungskapazität als Ganzes zu sichern und die Zeit zum Verbrauch des Gasrestes zu kürzen.
  • Zusammenfassung
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM ENTFERNEN EINES BRENNGASRESTES
  • Ein Brennstoffbatteriesystem, das in der Lage ist, einen Wasserstoffgasrest rasch zu verbrauchen, selbst wenn eine Verbrauchseinrichtung einer überschüssigen Leistung einer Beschränkung unterliegt. Während eines Abschaltens des Systems wird bewirkt, dass eine Brennstoffbatterie (10) eine Leistung durch Verwendung des überschüssigen Brenngases zum Aufladen einer sekundären Batterie (41) erzeugt, und eine nicht speicherbare überschüssige Leistung durch Verbrauchseinrichtungen (22, 33, 13) verbraucht wird. Wenn die überschüssige Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, durch die Verbrauchseinrichtungen verbraucht wird, wird eine beliebige Einschränkung im System erfaßt, und die durch die Brennstoffbatterie erzeugte Leistung wird abhängig von der erfassten Beschränkung geändert.

Claims (15)

  1. Brennstoffzellensystem zum Reduzieren eines Brenngasrestes während eines Abschaltens, wobei das Brennstoffzellensystem den Brenngasrest einer Brennstoffzelle zuführt und bewirkt, dass eine Verbrauchseinrichtung zumindest einen Teil einer überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, verbraucht, und wobei das Brennstoffzellensystem konfiguriert ist, so dass der Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem Betriebsstatus des Systems verändert werden kann.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Betriebsstatus des Systems um einen Status handelt, wobei eine Beschränkung im System vorliegt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Verbrauchseinrichtung um eine Ansteuerungseinrichtung zum Zuführen eines Brenngases zu der Brennstoffzelle handelt, wobei eine durch die Brennstoffzelle zu erzeugende elektrische Leistung basierend auf einer Veränderung einer Zuführmenge der Brennstoffzelle durch die Ansteuerungseinrichtung und die durch die Ansteuerungseinrichtung verbrauchte elektrische Leistung geändert wird.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ansteuerungsmenge der Ansteuerungseinrichtung zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle basierend auf einem geänderten Wert der elektrischen Leistung, die erzeugt werden soll, geändert wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei der durch die Verbrauchseinrichtung verbrauchte, elektrische Leistung um eine elektrische Leistung handelt, die der überschüssigen elektrischen Leistung entspricht, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei eine elektrische Leistung, die verwendet werden kann, um eine elektrische Leistungsspeichervorrichtung aufzuladen, ausgenommen ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine normale Beendung ausgeführt wird, wenn ein Druck des Brenngasrestes kleiner oder gleich einem spezifizierten Wert aufgrund einer Erzeugung einer elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle geworden ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine anormale Beendung ausgeführt wird, wenn ein Druck des Brenngasrestes selbst nach Verstreichen einer spezifizierten Zeitdauer kleiner oder gleich einem spezifizierten Wert geworden ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, das eine elektrische Leistungsspeichervorrichtung aufweist, wobei die Beschränkung des Systems einem Ladestrom für die elektrische Leistungsspeichervorrichtung auferlegt wird.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, das eine Spannungsumwandlungsvorrichtung aufweist, wobei die Beschränkung des Systems abhängig von der Temperatur der Spannungsumwandlungsvorrichtung auferlegt wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Beschränkung des Systems abhängig von der Innentemperatur der Brennstoffzelle auferlegt wird.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Beschränkung des Systems abhängig von der Spannung der durch die Brennstoffzelle erzeugten Leistung auferlegt wird.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, das einen Kompressor zum Zuführen eines oxidierten Gases zur Brennstoffzelle aufweist, wobei die Beschränkung des Systems einer Menge eines oxidierten Gases auferlegt wird, das durch den Kompressor zugeführt wird.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Verändern des Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle eine elektrische Stromausgabe von der Brennstoffzelle verändert.
  14. Brennstoffzellensystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Zuführen eines Brenngasrestes zu einer Brennstoffzelle während eines Abschaltens; eine Verbrauchseinrichtung zum Verbrauchen von zumindest einem Teil einer überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden soll; eine Einrichtung zum Erfassen eines Betriebsstatus des Systems; und eine Einrichtung zum Verändern eines Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem erfassten Betriebsstatus.
  15. Verfahren zum Entfernen eines Brenngasrestes in einem Brennstoffzellensystem, zum Reduzieren eines Brenngasrestes während des Abschaltens, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zuführen eines Brenngasrestes zu einer Brennstoffzelle während des Abschaltens; Bewirken, dass die Verbrauchseinrichtungen zumindest einen Teil einer überschüssigen elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, verbrauchen; Erfassen eines Betriebsstatus des Systems; und Verändern eines Leistungserzeugungsstatus der Brennstoffzelle gemäß dem erfassten Betriebsstatus.
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