-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Steuerungsvorrichtung und ein Steuerungsverfahren
für eine
Brennstoffzelle.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Eine
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle hat eine Elektrolytmembran, zwei
Katalysatorschichten, zwischen denen sich die Elektrolytmembran
befindet, und ein Paar auf den Außenseiten der beiden Katalysatorschichten
ausgebildeter Diffusionsschichten. Eine der Diffusionsschichten
in der Brennstoffzelle wird mit einem wasserstoffhaltigen Brennstoffgas versorgt,
während
die andere Diffusionsschicht mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsgas
versorgt wird. Die Diffusionsschicht, die mit dem Brennstoffgas
versorgt wird, wird als Wasserstoffelektrode oder Anode bezeichnet
und die Diffusionsschicht, die mit dem Oxidationsgas versorgt wird,
als Luftelektrode oder Kathode.
-
Der
der Wasserstoffelektrode zugeführte Wasserstoff
diffundiert zur Katalysatorschicht und trennt sich in der Katalysatorschicht
in Protonen und Elektronen. Die abgetrennten Protonen gehen dann zusammen
mit Wassermolekülen
durch die Elektrolytmembran und bewegen sich zur Katalysatorschicht
auf der Seite der positiven Elektrode.
-
Der
der Luftelektrode zugeführte
Sauerstoff diffundiert dagegen zur Katalysatorschicht auf der Luftelektrodenseite,
wobei durch eine Reaktion zwischen Protonen, Elektronen und Sauerstoff
Wasser erzeugt wird. Wenn die Luftelektrode und die Wasserstoffelektrode
mit einer externen Schaltung (d. h. einem Leiter) verbunden werden,
bewegen sich Elektronen von der Wasserstoffelektrode zur positiven Luftelektrode
und verbrauchen sich in Reaktionen mit den angesprochenen Protonen.
-
Um
die in der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizitätsmenge zu erhöhen, müssen der
Luftelektrode und der Wasserstoffelektrode jeweils eine der zu erzeugenden
Elektrizitätsmenge
entsprechende Menge Oxidationsgas und Brennstoffgas zugeführt werden.
Als Oxidationsgas wird dabei im Allgemeinen Luft verwendet.
-
Allerdings
enthält
Luft Sauerstoff und Stickstoff. Da der Stickstoff bei der Reaktion
auf der Luftelektrodenseite nicht genutzt wird, sammelt er sich nicht
nur in dem Raum auf der Luftelektrodenseite, sondern diffundiert
auch zur Diffusionsschicht und Elektrolytmembran und gelangt schließlich auf
die Seite der Wasserstoffelektrode. Auch das Wasser, das auf der
Luftelektrodenseite durch die Reaktion zwischen den Protonen, Elektronen
und Sauerstoff erzeugt wird, diffundiert zur Diffusionsschicht und Elektrolytmembran
und gelangt schließlich
auf die Seite der Wasserstoffelektrode. Erfolgt der Betrieb der
Brennstoffzelle über
längere
Zeiträume,
erhöht sich
daher anders als beim Wasserstoff die Konzentration an Verunreinigungen
wie Wasserdampf und Stickstoff in dem Raum auf der Wasserstoffelektrodenseite
der Brennstoffzelle. Zur Patentliteratur, die sich mit einer Steuerungsvorrichtung
für eine
Brennstoffzelle befasst, gehören
die JP 2002-353837 A, die
JP
7-169488 A ,
die JP 2003-331889 A und die JP 9-259913 A.
-
Der
Anstieg der Konzentration an Verunreinigungen neben dem Wasserstoff
verhindert auf der Wasserstoffelektrodenseite einen Anstieg der
Wasserstoffkonzentration, was wiederum einen Anstieg der Elektrizitätserzeugungsmenge
verhindert. Aus diesem Grund ist eine herkömmliche Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle auf
der stromabwärtigen
Seite eines Brennstoffgasdurchlasses der Wasserstoffelektrode mit
einem Auslassventil ausgestattet worden, um das Brennstoffgas nach
der Reaktion (nachstehend als „Brennstoffabgas" bezeichnet) auf
der Wasserstoffelektrodenseite abzuführen.
-
Ein
solches Auslassventil (wie es zum Beispiel in der JP 2002-353837
A beschrieben ist) öffnet sich,
wenn die Brennstoffzelle aktiviert wird, und wird dazu verwendet,
Verunreinigungsgas auf der Wasserstoffelektrodenseite abzuführen, was
auf der Wasserstoffelektrodenseite zu einer Erhöhung der Wasserstoffkonzentration
führt.
-
Nach
der Aktivierung der Brennstoffzelle wird das Auslassventil entsprechend
einer vorbestimmten Abfolge geöffnet
und geschlossen, um Verunreinigungen auf der Wasserstoffelektrodenseite
abzuführen
und die Elektrizitätserzeugungsmenge
beizubehalten.
-
Allerdings
kann das Auslassventil eines Brennstoffzellensystems (in dem Verunreinigungen durch Öffnen und
Schließen
des Auslassventils während
der Aktivierung abgeführt
werden, um die Wasserstoffkonzentration zu erhöhen) bei tiefer Temperatur
einfrieren. Da es Zeit braucht, das eingefrorene Auslassventil aufzutauen,
kann die Brennstoffzelle nicht innerhalb kurzer Zeit aktiviert werden.
Darüber hinaus
ist die Kraftstoffausnutzung in einem Brennstoffzellensystem, in
dem das Auslassventil während des
Betriebs geöffnet
und geschlossen wird, um die Elektrizitäts erzeugungsmenge beizubehalten,
nicht immer zufrieden stellend, da zusammen mit den Verunreinigungen
Wasserstoff abgeführt
werden kann.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Angesichts
der obigen Punkte liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine
Steuerungsvorrichtung und ein Steuerungsverfahren für eine Brennstoffzelle
zur Verfügung
zu stellen, die die Elektrizitätserzeugungsmenge
erhöhen
und eine vorgegebene Elektrizitätserzeugungsmenge
beibehalten, ohne vom Öffnen
und Schließen
eines Auslassventils auf der Wasserstoffelektrodenseite abhängig zu
sein.
-
Es
ist daher als ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung
eine Steuerungsvorrichtung für
eine Brennstoffzelle vorgesehen, die eine Oxidationsgaszuführungseinrichtung
zum Zuführen eines
Oxidationsgases zu einer Kathode über eine Oxidationsgasversorgungsleitung
der Brennstoffzelle und eine Wasserstoffzuführungseinrichtung zum Zuführen von
Wasserstoff zu einer Anode über
eine Wasserstoffversorgungsleitung der Brennstoffzelle umfasst und
die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie außerdem die folgenden Einrichtungen
umfasst:
eine kathodenseitige Gasdruck-Erfassungseinrichtung
zum Erfassen eines Gasdrucks innerhalb der Oxidationsgasversorgungsleitung
und/oder der Kathode;
eine Wasserstoffzielpartialdruck-Festlegungseinrichtung
zum Festlegen eines Wasserstoffzielpartialdrucks bezüglich eines
Wasserstoffdrucks unter einem Gasdruck innerhalb der Wasserstoffversorgungsleitung
und/oder der Anode;
eine Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung
zum Berechnen eines Wasserstoffversorgungs drucks des der Brennstoffzelle
zuzuführenden Wasserstoffs
beruhend auf dem Wasserstoffzielpartialdruck und dem von der kathodenseitigen
Gasdruck-Erfassungseinrichtung erfassten Gasdruck; und
eine
Wasserstoffversorgung-Steuerungseinrichtung zum Steuern des Wasserstoffs,
damit er der Brennstoffzelle von der Wasserstoffzuführungseinrichtung aus
mit dem Wasserstoffversorgungsdruck zugeführt wird.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Steuerungsverfahren für eine Brennstoffzelle vorgesehen,
die eine Oxidationsgaszuführungseinrichtung
zum Zuführen
eines Oxidationsgases zu einer Kathode über eine Oxidationsgasversorgungsleitung
der Brennstoffzelle und eine Wasserstoffzuführungseinrichtung zum Zuführen von Wasserstoff
zu einer Anode über
eine Wasserstoffversorgungsleitung der Brennstoffzelle umfasst,
wobei das Steuerungsverfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet
ist:
Erfassen eines Gasdrucks innerhalb der Oxidationsgasversorgungsleitung
und/oder der Kathode;
Festlegen eines Wasserstoffzielpartialdrucks
bezogen auf einen Wasserstoffdruck unter einem Gasdruck innerhalb
der Wasserstoffversorgungsleitung und/oder der Anode;
Berechnen
eines Wasserstoffversorgungsdrucks des der Brennstoffzelle zuzuführenden
Wasserstoffs beruhend auf dem Wasserstoffzielpartialdruck und dem erfassten
Gasdruck; und
Steuern des Wasserstoffs, damit er der Brennstoffzelle
von der Wasserstoffzuführungseinrichtung
aus mit dem Wasserstoffversorgungsdruck zugeführt wird.
-
Bei
der oben beschriebenen Steuerungsvorrichtung und dem Steuerverfahren
für eine
Brennstoffzelle wird der Gasdruck innerhalb der Kathode und/oder
der Oxidationsgasversorgungsleitung erfasst, die der Brennstoffzelle Oxidationsgas
zuführt, und
wird der Wasserstoffversorgungsdruck beruhend auf dem Gasdruck und
dem Wasserstoffzielpartialdruck berechnet. Der Wasserstoff wird
dann mit diesem Wasserstoffversorgungsdruck der Anode zugeführt. Wird
davon ausgegangen, dass das Gas innerhalb der Kathode und der Oxidationsgasversorgungsleitung
zur Anodenseite führt,
dann kann der Wasserstoffpartialdruck auf der Anodenseite auf den Wasserstoffzielpartialdruck
gesteuert werden, indem der Wasserstoff mit dem Wasserstoffversorgungsdruck
zugeführt
wird. In diesem Fall kann die Häufigkeit,
mit der ein Auslassventil verwendet wird, um auf der Anodenseite
Gas abzuführen,
verringert werden oder kann die Brennstoffzelle gesteuert werden, ohne
das Auslassventil zu verwenden, wodurch die Notwendigkeit, ein solches
Auslassventil vorzusehen, abnimmt.
-
Der
Wasserstoffzielpartialdruck nimmt dabei zudem vorzugsweise mit Zunahme
der von der Brennstoffzelle geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
zu.
-
Indem
der Wasserstoffzielpartialdruck auf der Anodenseite entsprechend
der Zunahme der von der Brennstoffzelle geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
höher eingestellt
wird, ist es möglich, den
der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge entsprechenden
Wasserstoffversorgungsdruck zu berechnen und entsprechend der geforderten
Elektrizitätserzeugungsmenge
Elektrizität
zu erzeugen.
-
Darüber hinaus
sind vorzugsweise eine Brennstoffzellentemperatur-Erfassungseinrichtung zur
Erfassung einer Temperatur der Brennstoffzelle und eine Korrektureinrichtung
zum Korrigieren eines Wasserstoffzielpartialdrucks beruhend auf
der Temperatur der Brennstoffzelle vorhanden, wobei die Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung
den Wasserstoffversorgungsdruck des der Brennstoffzelle zuzuführenden
Wasserstoffs vorzugsweise beruhend auf dem korrigierten Wasserstoffzielpartialdruck
und dem von der kathodenseitigen Gasdruck-Erfassungseinrichtung
erfassten Gasdruck berechnet.
-
Darüber hinaus
umfasst das Steuerungsverfahren außerdem vorzugsweise die folgenden
Schritte:
Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle;
Korrigieren
des Wasserstoffzielpartialdrucks beruhend auf der Temperatur der
Brennstoffzelle; und
Berechnen des Wasserstoffversorgungsdrucks
des der Brennstoff zuzuführenden
Wasserstoffs beruhend auf dem korrigierten Wasserstoffzielpartialdruck
und dem erfassten Gasdruck.
-
Mit
einer so gestalteten Steuerungsvorrichtung und einem so gestalteten
Steuerungsverfahren kann die Anodenseite auf einen Wasserstoffpartialdruck
gesteuert werden, der beruhend auf der Temperatur der Brennstoffzelle
korrigiert ist, wodurch entsprechend der Temperatur und der erzeugten
Elektrizitätsmenge
eine passende Menge Wasserstoff zugeführt werden kann.
-
Darüber hinaus
wird der Wasserstoffzielpartialdruck zudem vorzugsweise so eingestellt,
dass er mit zunehmender Temperatur der Brennstoffzelle abnimmt.
-
Da
der Aktivierungsgrad des Katalysators innerhalb der Brennstoffzellenzelle
abhängig
von der Temperatur der Brennstoffzelle verschieden ist, kann unbeeinflusst
von der Temperatur eine passende Elektrizitätserzeugungsmenge erzielt werden,
wenn der Wasserstoffzielpartialdruck mit zunehmender Temperatur
der Brennstoffzelle kleiner eingestellt wird.
-
Darüber hinaus
sind vorzugsweise eine Auslasseinrichtung zum Abführen von
innerhalb der Anode und/oder der Wasserstoffversorgungsleitung verbliebenem
Restgas; eine Auslasssteuerungseinrichtung zum Abführen des
Restgases unter Verwendung der Auslasseinrichtung, wenn sich der
Wasserstoffversorgungsdruck nicht innerhalb eines Toleranzbereiches
für den
Gasdruck auf der Anodenseite befindet; und eine Restgaspartialdruck-Berechnungseinrichtung
zum Berechnen eines Partialdrucks des innerhalb der Anode und/oder
der Wasserstoffversorgungsleitung verbliebenen Restgases, wenn das
Restgas abgeführt
wird, vorhanden, wobei die Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung
den Wasserstoffversorgungsdruck des der Brennstoffzelle zuzuführenden
Wasserstoffs vorzugsweise beruhend auf dem Wasserstoffzielpartialdruck
und dem Restgaspartialdruck berechnet.
-
Darüber hinaus
umfasst das Steuerungsverfahren außerdem vorzugsweise die folgenden
Schritte:
Abführen
von Restgas, wenn sich der Wasserstoffversorgungsdruck nicht innerhalb
eines Toleranzbereiches für
den Gasdruck auf der Anodenseite befindet;
Berechnen eines
Partialdrucks des innerhalb der Anode und/oder der Wasserstoffversorgungsleitung verbliebenen
Restgases, wenn das Restgas abgeführt wird; und
Berechnen
des Wasserstoffversorgungsdrucks des der Brennstoffzelle zuzuführenden
Wasserstoffs beruhend auf dem Wasserstoffzielpartialdruck und dem Restgaspartialdruck.
-
Wenn
sich der berechnete Wasserstoffversorgungsdruck bei einer so gestalteten
Steuerungsvorrichtung und einem so gestalteten Steuerungsverfahren
nicht innerhalb des Toleranzbereiches für den Gasdruck auf der Anodenseite
befindet, kann das innerhalb der Anode und/oder der Wasserstoffversorgungsleitung
verbliebene Restgas abgeführt werden, um
den Gasdruck des Restgases zu reduzieren. Der Wasserstoffversorgungsdruck
kann somit beruhend auf dem reduzierten Gasdruck des Restgases und dem
Wasserstoffzielpartialdruck berechnet werden. Demnach kann dieser
reduzierte Gasdruck verwendet werden, um den Wasserstoffversorgungsdruck innerhalb
eines Toleranzbereiches für
den Gasdruck auf der Anodenseite zu berechnen, wodurch die Brennstoffzelle
innerhalb des Toleranzbereiches für den Gasdruck auf der Anodenseite
gesteuert werden kann.
-
Die
Erfindung ermöglicht
es, die Elektrizitätserzeugungsmenge
zu erhöhen
und/oder eine vorbestimmte Elektrizitätserzeugungsmenge beizubehalten,
ohne auf der Wasserstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle ein
Auslassventil vorzusehen und/oder ohne vom Öffnen und Schließen eines
Auslassventils auf der Wasserstoffelektrodenseite abhängig zu
sein.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie
ihre technische und industrielle Bedeutung erschließen sich
besser noch anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird. Es zeigen:
-
1 schematisch
eine Brennstoffzelle gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
2 konzeptionell
ein Kennfeld, in dem ein Wasserstoffzielpartialdruck berechnet wird;
-
3 ein
Ablaufschema einer Steuerung einer ECU 3 während der
Aktivierung der Brennstoffzelle;
-
4 ein
Ablaufschema einer Steuerung der ECU 3 während des
normalen Betriebs;
-
5 ein
Ablaufschema einer Steuerung zur Korrektur eines Wasserstoffpartialdrucks
während des
normalen Betriebs unter Verwendung einer Kühlmitteltemperatur der Brennstoffzelle;
-
6 konzeptionell
ein Kennfeld, in dem der Wasserstoffpartialdruck unter Verwendung
der Kühlmitteltemperatur
der Brennstoffzelle korrigiert wird;
-
7 ein
Ablaufschema einer Steuerung der ECU 3, um zu ermitteln,
ob sich der Wasserstoffversorgungsdruck während des normalen Betriebs
in einem Toleranzbereich befindet.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
In
der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung
ausführlicher
anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen
beschrieben.
-
1 zeigt
schematisch eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die Brennstoffzelle umfasst Folgendes: einen Brennstoffzellenkörper 1;
eine Luftversorgungseinheit 7 zum Zuführen von als Oxidationsgas
fungierender Luft zu einer Luftelektrode (auch Kathode genannt) des
Brennstoffzellenkörpers 1;
einen Atmosphärendruckssensor 9,
der in einem Lufteinleitungsdurchlass stromaufwärts von der Luftversorgungseinheit 7 angeordnet
ist; einen Luftelektrodendrucksensor 11 zum Messen des
Gasdrucks auf der Luftelektrodenseite; ein Regelventil 15 zum
Regeln des Gasdrucks auf der Luftelektrodenseite; einen Brennstofftank 5 zum
Zuführen
von als Brennstoffgas agierendem Wasserstoff zu einer Wasserstoffelektrode
(auch Anode genannt) des Brennstoffzellenkörpers 1; ein Wasserstoffversorgungsventil 13 zum
Steuern eines Versorgungsdrucks an Wasserstoff vom Brennstofftank 5;
ein Auslass ventil 17 zum Steuern einer Brennstoffabgasabfuhr
von der Wasserstoffelektrode; und einen Kühlmitteltemperatursensor 19 zum Erfassen
einer Temperatur eines Kühlmittels,
das den Brennstoffzellenkörper 1 kühlt.
-
Der
Brennstoffzellenkörper 1 setzt
sich aus einem Schichtkörper
(Zellenstapel genannt) zusammen, in dem mehrere Lagen Zellen, die
einen Membran-Elektroden-Aufbau (MEA) enthalten, und ein Separator
in Serie verbunden und aufeinander geschichtet sind. Der MEA enthält: eine
Wasserstoffelektrode, die Wasserstoff in Protonen und Elektronen trennt;
eine Elektrolytmembran, die von der Wasserstoffelektrode erzeugte
Protonen zu einer Luftelektrode leitet; und eine Luftelektrode,
die unter Verwendung von Sauerstoff, zur Luftelektrode geleiteter
Protonen und von der Wasserstoffelektrode aus über eine externe Schaltung
zugeleiteter Elektronen Wasser erzeugt.
-
In
dem Separator befindet sich ein Luftdurchlass, um der Luftelektrode
innerhalb der Zelle als Oxidationsgas agierende Luft zuzuführen. Die
Luft fließt in
dem Luftdurchlass innerhalb der Zelle von stromaufwärts nach
stromabwärts
und diffundiert innerhalb der Luftelektrode in Richtung der Membran,
um mit Protonen innerhalb der Luftelektrode zu reagieren. Dementsprechend
nimmt die Sauerstoffkonzentration im Luftdurchlass innerhalb der
Zelle allmählich von
stromaufwärts
nach stromabwärts
ab.
-
Der
Separator hat außerdem
einen Wasserstoffdurchlass, um der Wasserstoffelektrode innerhalb
der Zelle als Brennstoffgas agierenden Wasserstoff zuzuführen. Der
Wasserstoff fließt
im Wasserstoffdurchlass innerhalb der Zelle von stromaufwärts nach
stromabwärts,
diffundiert innerhalb der Wasserstoffelektrode in Richtung der Membran
und wird innerhalb der Wasserstoffelektrode aufgrund der Wirkung
eines Katalysators in Protonen umgewandelt. Die Protonen gehen dann
durch die Membran und bewegen sich zur Luftelektrode. Dementsprechend nimmt
die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffdurchlass innerhalb der
Zelle allmählich
von stromaufwärts
nach stromabwärts
ab.
-
Die
Luftversorgungseinheit 7 (entspricht einer Oxidationsgaszuführungseinrichtung)
ist zum Beispiel ein Luftverdichter. Durch die Luftversorgungseinheit 7 wird
die Atmosphärenluft
unter Druck gesetzt und dann über
eine Luftversorgungsleitung L1 (den obigen Luftdurchlass innerhalb
der Zelle) der Luftelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 zugeführt. Die
Durchflussmenge der Luft, die der Luftversorgungsleitung L1 von
der Luftversorgungseinheit 7 aus zugeführt wird, wird durch ein Steuerungssignal von
einer ECU 3 aus gesteuert. Der Atmosphärendruck wird vom Atmosphärendrucksensor 9 gemessen,
der sich im Lufteinleitungsdurchlass stromaufwärts von der Luftversorgungseinheit 7 befindet.
-
Auf
der stromabwärtigen
Seite der Luftelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 ist mit einem
Auslass des Luftdurchlasses eine Gasauslassleitung L2 verbunden,
wobei sich in der Gasauslassleitung L2 das Regelventil 15 befindet.
Durch das Regelventil 15 wird die Gasabfuhr auf der Luftelektrodenseite
gesteuert. Darüber
hinaus befindet sich in der Gasauslassleitung L2 der Luftelektrodendrucksensor 11 (entspricht
einer kathodenseitigen Gasdruck-Erfassungseinrichtung) zum Messen
des Gasdrucks auf der Luftelektrodenseite. Abgesehen davon, dass
die Luftelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 von der Luftversorgungseinheit 7 mit
Luft versorgt wird, wird sie durch das Regelventil 15 auf
einen vorbestimmten Gasdruck gesteuert. Dabei ist zu beachten, dass die
Luftversorgungsleitung L1 auf der Auslassseite der Luftversorgungseinheit 7,
die Luft elektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 (der Luftdurchlass
innerhalb der Zelle) und der Raum der Gasauslassleitung L2 bis zum
Regelventil 15 einem Oxidationsgasversorgungsdurchlass
der Erfindung entsprechen.
-
Der
Brennstofftank 5 (entspricht einer Wasserstoffzuführungseinrichtung)
führt der
Wasserstoffelektrodenseite des Brennstoffzellenkörpers 1 (dem obigen
Wasserstoffdurchlass innerhalb der Zelle) über das Wasserstoffversorgungsventil 13 stromaufwärts von
einer Wasserstoffversorgungsleitung L3 Wasserstoff zu. Der Brennstofftank 5 hält den Wasserstoff
in einem Hochdruckzustand (Druckzustand von mehr als 1 Atmosphäre).
-
Das
Wasserstoffversorgungsventil 13 (entspricht einer Wasserstoffversorgung-Steuerungseinrichtung)
regelt, indem sein Öffnungs-
und Schließbetrieb
gesteuert wird, die Durchflussmenge des dadurch hindurchgehenden
Gases. Der Öffnungs-
und Schließbetrieb
des Ventils umfasst dabei zum Beispiel einen Ventilöffnungszyklus,
eine Ventilöffnungsdauer
und eine Ventilschließdauer.
Allerdings kann das Wasserstoffversorgungsventil 13 die
Versorgung mit Brennstoffgas auch steuern, indem es durch eine Ventilbewegung
den Öffnungswinkel
eines Öffnungsabschnitts
von ihm ändert.
-
Auf
der stromabwärtigen
Seite der Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 ist
mit dem Wasserstoffversorgungsdurchlass innerhalb der Zelle eine
Gasauslassleitung L4 verbunden, wobei sich in der Gasauslassleitung
L4 das Auslassventil 17 (entspricht einer Auslasseinrichtung)
befindet. Das Auslassventil 17 regelt ebenfalls, indem
sein Öffnungs-
und Schließbetrieb
gesteuert wird, die Durchflussmenge des dadurch hindurchgehenden
Gases. Allerdings kann das Auslassventil 17 die Versorgung mit
Brennstoffgas auch steuern, indem es durch eine Ventilbewegung den Öffnungswinkel
eines Öffnungsabschnitts
von ihm ändert.
-
Vor
der Versorgung mit Wasserstoff (d. h. bevor die Brennstoffzelle
aktiviert wird) herrschen auf der Wasserstoffelektrodenseite durch
die MEA eingedrungene Luft (hauptsächlich Stickstoff) und von der
Luftelektrode erzeugtes Wasser (Wasserdampf oder -tröpfchen)
vor. Im Folgenden werden dieser Stickstoff, der Wasserdampf und
dergleichen als Verunreinigungsgas bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wird, um den Versorgungsdruck des vom Wasserstoffversorgungsventil 13 aus
zuführenden
Wasserstoffs festzulegen, davon ausgegangen, dass der Gasdruck des
Verunreinigungsgases auf der Wasserstoffelektrodenseite vor der
Versorgung mit Wasserstoff im Großen und Ganzen dem Gasdruck
auf der Luftelektrodenseite entspricht.
-
Der
Wasserstoffversorgungsdruck ist dabei als der Druck des Wasserstoffs
definiert, der der mit der Wasserstoffelektrode und dem Inneren
der Wasserstoffelektrode verbunden Wasserstoffversorgungsleitung
L3 durch das Wasserstoffversorgungsventil 13 zugeführt wird.
Das Innere der Wasserstoffelektrode ist mit Gas gefüllt, das
den Wasserstoffversorgungsdruck und einen Ausgleichsdruck (Gasgemisch
aus Wasserstoff und Verunreinigungsgas) annimmt. Wenn zum Beispiel
der Fall betrachtet wird, dass der Brennstofftank 5 mit
50 Atmosphären
Wasserstoff gefüllt
ist, die das Wasserstoffversorgungsventil 13 auf 2 Atmosphären dekomprimiert
und der Wasserstoffversorgungsleitung L3 zuführt, und dabei angenommen wird,
dass der Gasdruck des Verunreinigungsgases vor der Versorgung mit
Wasserstoff 1 Atmosphäre
beträgt,
dann wird der Wasserstoff mit einem Wasserstoffversorgungsdruck
von 2 Atmosphären
zugeführt,
so dass sich das Innere der Wasserstoffelektrode mit 2 Atmosphären Gasgemisch füllt. Außerdem betragen
die Partialdrücke
des Verunreinigungsgases und des Wasserstoffs jeweils 1 Atmosphäre.
-
Darüber hinaus
wird bei der Brennstoffzelle gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
um den Versorgungsdruck des Wasserstoffs während des Betriebs der Brennstoffzelle
zu steuern, davon ausgegangen, dass der Gasdruck (Gesamtdruck) auf
der Wasserstoffelektrodenseite aus dem Partialdruck des auf der Wasserstoffelektrodenseite
befindlichen Wasserstoffs und dem Gasdruck der Luftelektrodenseite
besteht. Außerdem
ist zu beachten, dass die Wasserstoffversorgungsleitung L3 auf der
Auslassseite des Wasserstoffversorgungsventils 13, die
Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 (der Wasserstoffdurchlass
innerhalb der Zelle) und der Raum in der Gasauslassleitung L4 bis
zum Auslassventil 17 einem Wasserstoffversorgungsdurchlass
der Erfindung entsprechen.
-
Der
Kühlmitteltemperatursensor 19 misst
die Temperatur eines Kühlmittels,
das den Zellenstapel innerhalb des Brennstoffzellenkörpers 1 kühlt.
-
Die
ECU 3 steuert die Reaktion der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels
und umfasst eine CPU, einen Speicher und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle.
Die ECU 3 steuert außerdem über die
(nicht gezeigte) Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle das Öffnen und
Schließen
oder die Öffnungswinkel der Öffnungsabschnitte
des Wasserstoffversorgungsventils 13, des Luftregelventils 15 und
des Auslassventils 17. Zusätzlich steuert die ECU 3 die Durchflussmenge
der von der Luftversorgungseinheit 7 zugeführten Luft.
Darüber
hinaus ist die ECU 3 mit dem Atmosphärensensor 9, dem Luftelektrodendrucksensor 11 und
dem Kühlmitteltemperatursensor 19 (entspricht
einer Brennstoffzellentemperatur-Erfassungseinrichtung)
verbunden, um dadurch den Atmosphärendruck, den Gasdruck innerhalb
der Luftelektrode und die Temperatur des Kühlmittels zu überwachen.
-
Während der
Aktivierung der Brennstoffzelle greift die ECU 3 in einem
vorgegebenen Speicherbereich des Speichers auf einen Wasserstoffzielpartialdruck
zur stabilen Elektrizitätserzeugung
zu (die diese Verarbeitung ausführende
ECU 3 entspricht einer Einrichtung zum Festlegen des Wasserstoffzielpartialdrucks).
Der Wasserstoffzielpartialdruck zur stabilen Elektrizitätserzeugung
entspricht dem von der Brennstoffzelle geforderten Wasserstoffpartialdruck, mit
dem sich eine stabile Elektrizitätserzeugung
aufrechterhalten lässt.
Dabei ist zu beachten, dass der Wasserstoffzielpartialdruck zur
stabilen Elektrizitätserzeugung
vorab anhand der Brennstoffzellenspezifikationen, den Abmessungen
oder dergleichen als ein tatsächlicher
Wert oder ein Design-Wert ermittelt und im Speicher der ECU 3 festgehalten
wird.
-
Die
ECU 3 stellt in der Brennstoffzelle den Luftelektrodendruck
während
der Aktivierung auf den Atmosphärendruck
ein. Darüber
hinaus berechnet die ECU 3 anhand des Gasdrucks auf der
Luftelektrodenseite und dem obigen Wasserstoffzielpartialdruck zur
stabilen Elektrizitätserzeugung
den Wasserstoffzieldruck. Die ECU 3 geht bei diesem Ausführungsbeispiel
davon aus, dass der Gasdruck in der Luftelektrode im Wesentlichen
dem Druck des Verunreinigungsgases auf der Wasserstoffelektrodenseite vor
der Versorgung mit Wasserstoff entspricht. Der Wasserstoffzieldruck
wird dann anhand eines Drucks berechnet, der der Summe des Gasdrucks
in der Luftelektrode und des Wasserstoffzielpartialdrucks zur stabilen
Elektrizitätserzeugung
entspricht (die diese Verarbeitung ausführende ECU 3 entspricht
einer Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung).
-
Die
ECU 3 steuert das Öffnen
und Schließen des
Wasserstoffversorgungsventils 13 und steuert den Versorgungsdruck
des der Wasserstoffelektrodenseite zugeführten Wasserstoffs auf den
Wasserstoffzieldruck. Folglich wird der Wasserstoffelektrode Wasserstoff
zugeführt,
dessen Partialdruck ausgehend vom Wasserstoffzieldruck den Druck
des Verunreinigungsgases auf der Wasserstoffelektrodenseite ausnimmt,
d. h. Wasserstoff, dessen Druck dem Wasserstoffzielpartialdruck
zur stabilen Elektrizitätserzeugung
entspricht. In der Brennstoffzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird der Wasserstoffelektrode somit durch die Steuerung des Wasserstoffversorgungsdrucks
während
der Wasserstoffzufuhr hauptsächlich
als Brennstoffgas agierender Wasserstoff zugeführt, wobei das Auslassventil 17 möglichst wenig
geöffnet
und geschlossen wird.
-
Nach
der Aktivierung der Brennstoffzelle greift die ECU 3 auf
ein Kennfeld zu, das die Beziehung zwischen einer geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
und dem Wasserstoffzielpartialdruck für einen der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
entsprechenden Wasserstoffpartialdruck angibt (die diese Verarbeitung
ausführende
ECU 3 entspricht einer Einrichtung zum festlegen des Wasserstoffzielpartialdrucks).
-
2 zeigt
konzeptionell ein Kennfeld, in dem ein Wasserstoffzielpartialdruck
berechnet wird. Wenn eine geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge zugewiesen
ist, verwendet die ECU 3 dieses Kennfeld zur Berechnung
des Wasserstoffpartialdrucks, der zum Erzeugen einer solchen Elektrizitätsmenge erforderlich
ist. In dem Kennfeld von 2 entspricht die x-Achse der
geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
und die y-Achse dem Wasserstoffpartialdruck, der zum Erreichen der
geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
erforderlich ist (in beispielsweise den Einheiten kPa). Bei einem
mehrere Gase enthaltenden Gasgemisch ist die Konzentration jedes
Gases im Großen
und Ganzen auf den Partialdruck jedes Gases eingestellt.
-
Das
oben angesprochene Kennfeld kann unter Verwendung tatsächlicher
Messungen für
jede Brennstoffzellenspezifikation (zum Beispiel der Katalysatordichte,
der Zellenstapelmenge, des Elektrodenmaterials und dergleichen)
eingestellt werden. Wie in 2 gezeigt
ist, steigt das die Beziehung zwischen der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
und dem Wasserstoffzielpartialdruck angebende Kennfeld allmählich nach
oben hin an, d. h. das Kennfeld ist eine Kurve, in der der Wasserstoffzielpartialdruck
in Verbindung mit einer Zunahme der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
ansteigt. Ein solches Kennfeld wird im Speicher der ECU 3 als eine
Tabelle festgehalten, die aus mehreren Kombinationen der geforderten
Elektrizitätserzeugungswerte
und der Wasserstoffzielpartialdruckwerte gebildet wird. Allerdings
kann die ECU 3 auch eine empirische Beziehung zwischen
dem geforderten Elektrizitätserzeugungswert
und dem Wasserstoffzielpartialdruckwert (zum Beispiel eine Linie
erster Ordnung oder eine Kurve zweiter oder höherer Ordnung) festhalten.
Es ist zu beachten, dass ein Kennfeld zur Berechnung des Gasdrucks
der Luftelektrode und ein Kennfeld zur Berechnung der der Luftelektrode
zugeführten
Luft einen ähnlichen
Aufbau haben.
-
Daneben
greift die ECU 3 auf ein Kennfeld zu, das die Beziehung
zwischen der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge und einer
Sauerstoffversorgungsmenge für
eine der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
entsprechende Sauerstoffversorgungsmenge angibt. Der Sauerstoff
für die Sauerstoffversorgungsmenge
wird von der ECU 3 zugeführt, indem sie die Luft von
der Luftversorgungseinheit 7 verwendet (die diese Verarbeitung
ausführende
ECU 3 entspricht einer Oxidationsgasmengen-Steuerungseinrichtung).
Darüber
hinaus greift die ECU 3 auf ein Kennfeld zu, das die Beziehung zwischen
der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
und dem Gasdruck der Luftelektrode für den der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
entsprechenden Gasdruck angibt. Die ECU 3 steuert den Gasdruck
der Luftelektrode durch Öffnen
und Schließen
des Regelventils 15.
-
Die
ECU 3 geht des Weiteren davon aus, dass der Gasdruck der
Luftelektrode im Wesentlichen dem Druck des Verunreinigungsgases
auf der Wasserstoffelektrodenseite entspricht, und legt den Wasserstoffzieldruck
anhand des Gasdrucks der Luftelektrode und des Wasserstoffzielpartialdrucks fest
(die diese Verarbeitung ausführende
ECU 3 entspricht einer Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung).
Die ECU 3 steuert das Öffnen
und Schließen
des Wasserstoffversorgungsventils 13 und steuert den Versorgungsdruck
des dem Inneren der Wasserstoffelektrode zugeführten Wasserstoffs auf den
Wasserstoffzieldruck. In der Brennstoffzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird der Wasserstoffelektrode somit durch die Steuerung des Wasserstoffversorgungsdrucks
auch nach der Aktivierung der Brennstoffzelle hauptsächlich als
Brennstoffgas agierender Wasserstoff zugeführt, wobei das Auslassventil 17 möglichst
wenig geöffnet
und geschlossen wird.
-
3 zeigt
ein Ablaufschema einer Steuerung der ECU 3 während der
Aktivierung der Brennstoffzelle. Die Verarbeitung kann durch ein
von der CPU der ECU 3 ausgeführtes Steuerungsprogramm erreicht
werden. Während
der Aktivierung der Brennstoffzelle greift die ECU 3 zunächst auf
den Wasserstoffzielpartialdruck zur stabilen Elektrizitätserzeugung
zu (S1). Als nächstes
geht die ECU 3 davon aus, dass der Druck der Luftelektrode
und der Druck der Wasserstoffelektrode vor der Versorgung mit Wasserstoff
dem Atmosphärendruck
entsprechen und berechnet den Wasserstoffzieldruck anhand des Atmosphärendrucks
und des Wasserstoffzielpartialdrucks zur stabilen Elektrizitätserzeugung
(S3). Dabei wird der Wasserstoffzieldruck als die Summe des Atmosphärendrucks
und des Wasserstoffzielpartialdrucks zur stabilen Elektrizitätserzeugung
eingestellt.
-
Die
ECU 3 steuert anschließend
das Wasserstoffversorgungsventil 13, um der Wasserstoffelektrode
mit dem Wasserstoffzieldruck Wasserstoff zuzuführen (S5). Als nächstes steuert
die ECU 3 das Luftregelventil 15 und stellt die
Luftelektrode auf den Atmosphärendruck
ein. Diese Steuerung führt
dazu, dass der Wasserstoffpartialdruck auf der Wasserstoffelektrodenseite
auf den Wasserstoffzielpartialdruck zur stabilen Elektrizitätserzeugung
gesteuert wird. Die Brennstoffzelle wird dann durch die ECU 3 aktiviert
(S9).
-
Dabei
ist beachten, dass die Luftelektrode so gesteuert wird, dass sie
während
der Aktivierung den Atmosphärendruck
einnimmt. Allerdings ist das Ausführungsbeispiel der Erfindung
nicht auf diese Vorgehensweise beschränkt; die Vorgehensweise, mit
der die Luftelektrode während
der Aktivierung auf den Atmosphärendruck
eingestellt wird, ist also an sich nicht zwingend.
-
4 zeigt
ein Ablaufschema einer Steuerung der ECU 3 während des
normalen Betriebs. Diese Verarbeitung kann durch ein von der CPU
der ECU 3 ausgeführtes
Steuerungsprogramm erreicht werden. Während des normalen Betriebszustands berechnet
die ECU 3 zunächst
die geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge
(S10). Die geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge
kann beruhend auf Informationen berechnet werden, die eine Benutzeranweisung
wie den der Gaspedalbetätigung
bei einem Fahrzeug entsprechenden Beschleunigungsanweisungswert
oder den Verlauf der Elektrizitätsnutzung in
einem Haushalt, einer Anlage, einer Vorrichtung oder dergleichen,
denen von der Brennstoffzelle Elektrizität zugeführt wird, beinhalten.
-
Die
ECU 3 greift anschließend
auf ein auf der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge beruhendes
Kennfeld zu, um die Luftzielversorgungsmenge festzulegen (S11).
Die Luftzielversorgungsmenge entspricht der von der Elektrizitätserzeugungsmenge geforderten
Sauerstoffmenge. Als nächstes
steuert die ECU 3 die Luftversorgungsmenge der Luftversorgungseinheit 7 auf
die Luftzielversorgungsmenge (S12).
-
Die
ECU 3 greift anschließend
auf ein auf der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge basierendes
Kennfeld zu, um den Gaszieldruck der Luftelektrode festzulegen (S13).
Als nächstes
steuert die ECU 3 das Regelventil 15, um den Gasdruck
der Luftelektrode auf den Gaszieldruck zu steuern (S14).
-
Die
ECU 3 greift anschließend
auf ein auf der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge basierendes
Kennfeld zu, um den Wasserstoffzielpartialdruck der Wasserstoffelektrode
festzulegen (S15). Der Wasserstoffzielpartialdruck ist ein Betrag,
der der von der Elektrizitätserzeugungsmenge
geforderten Wasserstoffkonzentration der Wasserstoffelektrodenseite entspricht.
Als nächstes
berechnet die ECU 3 anhand des Gaszieldrucks der Luftelektrode
und des Wasserstoffzielpartialdrucks der Wasserstoffelektrode den
Wasserstoffzieldruck (S17). Der Wasserstoffzieldruck ist in diesem
Ausführungsbeispiel
als die Summe des Gaszieldrucks der Luftelektrode und des Wasserstoffzielpartialdrucks
eingestellt.
-
Die
ECU 3 steuert das Wasserstoffversorgungsventil 13,
um der Wasserstoffelektrode mit dem Wasserstoffzieldruck Wasserstoff
zuzuführen
(S19). Diese Steuerung führt
dazu, dass der Wasserstoffpartialdruck auf der Wasserstoffelektrodenseite
auf den Wasserstoffzielpartialdruck gesteuert wird. Die ECU 3 kehrt
dann mit der Steuerung zu S11 zurück.
-
Wie
oben beschrieben wurde, wird bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels
der Wasserstoffzieldruck während
der Aktivierung der Brennstoffzelle beruhend auf dem Gasdruck der
Luftelektrode und dem Wasserstoffzielpartialdruck zur stabilen Elektrizitätserzeugung
berechnet. Der Versorgungsdruck des der Wasserstoffelektrode zugeführten Wasserstoffs
wird dann auf den Wasserstoffzieldruck gesteuert. Dies wiederum
erlaubt, dass der Wasserstoffpartialdruck der Wasserstoffelektrode
im Wesentlichen auf den Wasserstoffzielpartialdruck zur stabilen
Elektrizitätserzeugung
gesteuert wird und dass der Wasserstoffelektrode der für eine stabile
Aktivierung erforderliche Wasserstoff zugeführt wird.
-
Bei
der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels
ist es somit möglich,
den Wasserstoffpartialdruck und daher die Wasserstoffkonzentration
auf der Wasserstoffelektrodenseite durch Steuern des Wasserstoffversorgungsdrucks
während
der Aktivierung zu steuern. Dementsprechend besteht während der
Aktivierung kein Bedarf, das Auslassventil 17 zu öffnen, um
wie bei einer herkömmlichen
Brennstoffzelle Verunreinigungsgas innerhalb der Wasserstoffelektrode
abzuführen.
Daher kann die Brennstoffzelle zum Beispiel auch dann, wenn das
Auslassventil 17 aufgrund von Temperaturen unter Null eingefroren ist,
innerhalb kurzer Zeit aktiviert werden.
-
Abgesehen
davon wird bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels der Gasdruck
der Luftelektrode während
der Aktivierung auf den Atmosphärendruck
gesteuert. Der Sauerstoff in der der Luftelektrode zugeführten Luft
wird in der Reaktion der Brennstoffzelle verwendet, wobei Verunreinigungen
wie Stickstoff durch die Diffusionsschicht und die Elektrolytmembran
zur Wasserstoffelektrodenseite hindurchgehen. Durch Einstellen des
Luftdrucks auf den Atmosphärendruck
ist es möglich,
den Partialdruck des Verunreinigungsgases auf der Wasserstoffelektrodenseite
zu reduzieren, wodurch der gesteuerte Wasserstoffzieldruck in der
Praxis gegenüber dem
Fall, wenn die Luftelektrode mit einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck
beaufschlagt wird, niedrig eingestellt werden kann.
-
Darüber hinaus
wird bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels der Wasserstoffzieldruck
während
des Normalbetriebs entsprechend der erzeugten Elektrizitätsmenge
beruhend auf dem Gasdruck der Luftelektrode und dem Wasserstoffzielpartialdruck
berechnet, um Wasserstoff mit dem Wasserstoffzieldruck zuzuführen. Durch
diese Steuerung führt
die Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels
der Wasserstoffelektrode Wasserstoff mit dem der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
entsprechenden Wasserstoffzielpartialdruck, also mit einer Wasserstoffzielkonzentration
zu. Dementsprechend besteht kein Bedarf, bei der Brennstoffzelle dieses
Ausführungsbeispiels
während
des normalen Betriebs das Auslassventil 17 zu öffnen und
zu schließen.
Daher ist es möglich,
eine verschwenderische Abfuhr von Wasserstoff zu verringern, die
durch das Öffnen
und Schließen
des Auslassventils 17 verursacht wird. Falls das Auslassventil 17 beschädigt wird,
kann zudem durch die in den 3 und 4 gezeigten
Steuerungen die Aktivierung und der Betrieb der Brennstoffzelle
aufrechterhalten werden. Darüber
hinaus kann bei Realisierung dieser Steuerungen auch eine Brennstoffzelle
erreicht werden, in deren Aufbau das Auslassventil 17 fehlt.
-
Das
obige Ausführungsbeispiel
stellt ein Beispiel dar, bei dem die Luftversorgungsmenge, der Gaszieldruck
der Luftelektrode und der Wasserstoffzielpartialdruck anhand von
Kennfeldern und der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge berechnet werden,
wobei der Wasserstoffpartialdruck der Wasserstoffelektrode gesteuert
wird, indem der Wasserstoffzieldruck zudem anhand des Gaszieldrucks
der Luftelektrode und des Wasserstoffzielpartialdrucks berechnet
wird. Dieser Wasserstoffpartialdruck kann beruhend auf einer Zellentemperatur
der Brennstoffzelle korrigiert werden. Der Aktivierungsgrad des
Katalysators innerhalb der Zelle ist aufgrund von Änderungen
der geforderten Wasserstoffmenge bezogen auf die geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge
abhängig
von der Zellentemperatur verschieden. Die Zellentemperatur wird
hier als die Temperatur eines Kühlmittels
definiert, das die Brennstoffzellenzelle kühlt, wobei im Folgenden ein
Beispiel dargestellt wird, bei dem der Wasserstoffpartialdruck beruhend auf
der Kühlmitteltemperatur
korrigiert wird.
-
5 zeigt
ein Beispiel einer Verarbeitung, bei der der Wasserstoffzielpartialdruck
gemäß einer Temperatur
vom Kühlmitteltemperatursensor 19 korrigiert
wird, der die Temperatur des Kühlmittels
misst. Die Verarbeitungsschritte in 5, die mit
denen in 4 vergleichbar sind, sind mit
den gleichen Bezugszahlen versehen und werden nicht erneut beschrieben.
-
Nachdem
der Gasdruck der Luftelektrode und der Wasserstoffzielpartialdruck
der Wasserstoffelektrode anhand der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge
ermittelt wurden (S13-S15), erfasst die ECU 3 bei dieser
Verarbeitung die vom Kühlmitteltemperatursensor 19 gemessene
Temperatur des Kühlmittels
(S16A). Als nächstes
greift die ECU 3 auf ein die Temperatur des Kühlmittels
verwendendes Kennfeld zur Korrektur des Wasserstoffzielpartialdrucks
zu, um den Wasserstoffzielpartialdruck zu korrigieren (S16B).
-
6 zeigt
konzeptionell ein Kennfeld, in dem der Wasserstoffzielpartialdruck
unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels in der Brennstoffzelle
korrigiert wird. Wie in 6 gezeigt ist, entspricht die
x-Achse des Kennfelds der Kühlmitteltemperatur
und die y-Achse dem Wasserstoffzielpartialdruck, der bei der Kühlmitteltemperatur
die geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge
erfüllen
soll. Ähnlich
wie das Kennfeld in 2 kann auch dieses Kennfeld
im Speicher der ECU 3 in Tabellenform und einer auf empirischen
Erfahrungen basierenden Form festgehalten werden.
-
Als
nächstes
berechnet die ECU 3 unter Verwendung des korrigierten Wasserstoffzielpartialdrucks
und des Gaszieldrucks der Luftelektrode den Wasserstoffzieldruck
(S17). Die folgende Verarbeitung ähnelt der in 4.
-
Der
Wasserstoffzielpartialdruck wird bei der Brennstoffzelle dieser
Abwandlung somit unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels
in der Zelle und der geforderten Elektrizitätserzeugungsmenge korrigiert
(die diese Verarbeitung ausführende
ECU 3 entspricht einer Einrichtung zum Korrigieren des Wasserstoffzielpartialdrucks).
Dementsprechend können
der Wasserstoffzielpartialdruck und im Ergebnis der Wasserstoffzieldruck
präziser
als mit der Verarbeitung von 4 berechnet
werden. Folglich kann der Wasserstoff bezogen auf die geforderte Elektrizitätserzeugungsmenge
passend zugeführt werden,
wodurch das Risiko verringert wird, dass eine übermäßige oder unzureichende Menge
Elektrizität
erzeugt wird.
-
Dabei
ist zu beachten, dass die Zellentemperatur zwar vom Kühlmitteltemperatursensor 19 erfasst
wird, der die Temperatur des Kühlmittels
misst, dass aber auch ein Sensor, der die Zellentemperatur selbst
misst, vorgesehen und die Zellentemperatur selbst verwendet werden
kann, um den Wasserstoffzielpartialdruck zu korrigieren.
-
Als
nächstes
wird eine Abwandlung beschrieben, die die Festlegung eines Wasserstoffdrucktoleranzwerts
nutzt. 7 zeigt ein Beispiel einer Verarbeitung, bei der,
sobald der Wasserstoffzieldruck berechnet wird, eine Steuerungsabfolge
dem Umstand entsprechend geändert
wird, ob der Wasserstoffzieldruck einen Toleranzwert überschritten hat.
Ein solcher Toleranzwert für
den Wasserstoffzieldruck kann zum Beispiel als ein tatsächlicher
Wert oder ein Design-Wert festgelegt werden, um eine Verschlechterung
der Haltbarkeit der die Zelle bildenden Elektrolytmembran zu verhindern.
Die ECU 3 kann so gestaltet sein, dass sie diesen Toleranzwert im
Speicher festhält.
-
Die
Verarbeitungsschritte in 7, die mit denen der Verarbeitung
von 4 vergleichbar sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Bei dieser Verarbeitung
ermittelt die ECU 3, nachdem sie den Wasserstoffzieldruck
berechnet hat (S17), ob sich der Wasserstoffzieldruck innerhalb
eines Toleranzbereiches befindet (S18A).
-
Wenn
sich der Wasserstoffzieldruck nicht innerhalb des Toleranzbereiches
befindet, steuert die ECU 3 das Auslassventil 17 auf
der Wasserstoffelektrodenseite so, dass es sich öffnet, und steuert außerdem das
Wasserstoffversorgungsventil 13 so, dass es der Wasserstoffelektrode
Wasserstoff zuführt
und Restgas innerhalb der Wasserstoffelektrode abgeführt wird
(S18B). Die diese Verarbeitung ausführende ECU 3 entspricht
einer Auslasssteuerungseinrichtung. Dementsprechend wird der Partialdruck
des Verunreinigungsgases innerhalb der Wasserstoffelektrode gesenkt.
Die ECU 3 berechnet dann anhand der verstrichenen Zeit
seit der vorherigen Öffnung
des Auslassventils 17, der erzeugten Elektrizitätsmenge
der Brennstoffzelle, der derzeitigen Ventilöffnungsdauer und dem Druck
des zugeführten Wasserstoffs
den Partialdruck des Verunreinigungsgases in der Wasserstoffelektrode
(S18C). Die diese Verarbeitung ausführende ECU 3 entspricht
einer Einrichtung zum Berechnen des Restgaspartialdrucks. Danach
kehrt die ECU 3 mit der Steuerung zu S15 zurück und berechnet
den Wasserstoffzieldruck beruhend auf dem in S18C berechneten Druck
des Verunreinigungsgases. In diesem Fall kann also der Wasserstoffzieldruck
als die Summe des Drucks des Verunreinigungsgases in der Wasserstoffelektrode und
des Wasserstoffzielpartialdrucks eingestellt werden.
-
Wenn
dagegen in S16 festgestellt wird, dass sich der Wasserstoffzieldruck
innerhalb des Toleranzbereiches befindet, steuert die ECU 3 das
Wasserstoffversorgungsventil 13 derart, dass der Gasdruck
der Wasserstoffelektrode den Wasserstoffzieldruck einnimmt (S19).
Die anschließende
Verarbeitung ähnelt
der in 4.
-
Wie
oben beschrieben wurde, wird bei der Brennstoffzelle dieses Ausführungsbeispiels
das Auslassventil 17 geöffnet,
wenn sich der Wasserstoffzieldruck nicht innerhalb des Brennstoffzellentoleranzbereiches
befindet. Daneben wird vom Wasserstoffversorgungsventil 13 aus
Wasserstoff zugeführt und
von der Wasserstoffelektrode aus Verunreinigungsgas abgeführt. Der
Druck des Verunreinigungsgases in der Wasserstoffelektrode wird
somit gesenkt, was wiederum den Wasserstoffzieldruck senkt.
-
Bei
der Brennstoffzelle dieser Abwandlung ist es daher möglich, Verunreinigungen
aus dem Auslassventil 17 abzuführen, ohne das Auslassventil 17 im
normalen Zustand zu verwenden, sondern nur, wenn sich der Wasserstoffzieldruck
außerhalb
des Toleranzbereiches befindet. Das Auslassventil 17 wird
somit weniger oft unnötig
geöffnet
und geschlossen, wodurch eine übermäßige Abfuhr
von Wasserstoff vermieden wird. Darüber hinaus ist es möglich, beruhend
auf dem Gasdruck auf der Wasserstoffelektrodenseite einen Betrieb
zu vermeiden, der sich außerhalb
des Toleranzbereiches befindet, indem Verunreinigungsgas abgeführt und
der Wasserstoffzieldruck in der Wasserstoffelektrode gesenkt wird, wenn
sich der Wasserstoffzieldruck außerhalb des Toleranzbereiches
befindet. Dies führt
zum Beispiel zu einer höheren
Haltbarkeit der Elektrolytmembran, wodurch sich ihre Lebensdauer
(d. h. der Austauschzyklus) verlängert.
-
Im
Folgenden werden weitere Abwandlungen beschrieben. Bei dem obigen
Ausführungsbeispiel
wurde eine Brennstoffzelle ohne Wasserstoffumwälzsystem beschrieben, wie es
in 1 gezeigt ist, bei dem der Wasserstoffzieldruck
auf der Wasserstoffelektrodenseite auf die Summe des Verunreinigungsgasdrucks
und des Wasserstoffzielpartialdrucks eingestellt wird. Allerdings
sind die Ausführungsbeispiele
der Erfindung nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt. So
kann zum Beispiel eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffumwälzsystem durch
eine ähnliche
Steuerung wie in 3 aktiviert werden, ohne das
Auslassventil 17 auf der Wasserstoffelektrodenseite zu öffnen und
zu schließen.
Darüber
hinaus kann eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffumwälzsystem
die Wasserstoffkonzentration durch eine ähnliche Steuerung wie in 4 steuern,
ohne das Auslassventil 17 auf der Wasserstoffelektrodenseite
zu öffnen
und zu schließen.
-
Das
obige Ausführungsbeispiel
stellt ein Beispiel dar, bei dem unter Zufuhr von Wasserstoff als Brennstoffgas
Oxidationsgas und Luft zugeführt
werden. Allerdings sind die Ausführungsbeispiele
der Erfindung nicht auf diese Gasarten (d. h. Oxidationsgas und
Brennstoffgas) beschränkt.
So können
zum Beispiel als Oxidationsgas Sauerstoff und als Brennstoffgas
Erdgas verwendet werden.
-
Bei
dem obigen Ausführungsbeispiel
wird der Wasserstoffdruck anhand des Gaszieldrucks der Luftelektrode
und des Wasserstoffzielpartialdrucks der Wasserstoffelektrode berechnet
(siehe S17 in 4 als Beispiel). Allerdings
sind die Ausführungsbeispiele
der Erfindung nicht auf eine solche Vorgehensweise beschränkt. Die
Wirkung des Partialdrucks des Gases in der Luftelektrode und des
Partialdruckes des Gases in der Wasserstoffelektrode (Partialdruck
des Gases auf beiden Seiten der Elektrolytmembran) auf die Durchgangsmenge
des von der Luftelektrodenseite zur Wasserstoffelektrodenseite gehenden
Gases kann ebenfalls berücksichtigt werden.
Der Wasserstoffversorgungsdruck kann daher zum Beispiel entsprechend
dem Partialdruck des Verunreinigungsgases der Sauerstoffelektrodenseite korrigiert
werden, wodurch der Wasserstoffversorgungsdruck mit abnehmendem
Partialdruck des Verunreinigungsgases (etwa des Stickstoffpartialdrucks) auf
der Sauerstoffelektrodenseite gesenkt werden kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Offenbart
ist eine Steuerungsvorrichtung für eine
Brennstoffzelle, mit einer Oxidationsgaszuführungseinrichtung (7)
zum Zuführen
eines Oxidationsgases zu einer Kathode über eine Oxidationsgasversorgungsleitung
(L1); einer kathodenseitigen Gasdruck-Erfassungseinrichtung (11)
zum Erfassen eines Gasdrucks innerhalb der Oxidationsgasversorgungsleitung
(L1) oder der Kathode; einer Wasserstoffzuführungseinrichtung (5)
zum Zuführen
von Wasserstoff zu einer Anode über
eine Wasserstoffversorgungsleitung (L3); einer Wasserstoffzielpartialdruck-Festlegungseinrichtung
(3) zum Festlegen eines Wasserstoffdrucks unter einem Gasdruck
innerhalb der Wasserstoffversorgungsleitung (L3) oder der Anode;
einer Wasserstoffversorgungsdruck-Berechnungseinrichtung (3)
zum Berechnen eines Wasserstoffversorgungsdrucks des der Brennstoffzelle (1)
zuzuführenden
Wasserstoffs beruhend auf dem Wasserstoffzielpartialdruck und dem
von der kathodenseitigen Gasdruck-Erfassungseinrichtung (11)
erfassten Gasdruck; und einer Wasserstoffversorgung-Steuerungseinrichtung
(13), um der Brennstoffzelle (1) den Wasserstoff
von der Wasserstoffzuführungseinrichtung
(5) aus mit dem Wasserstoffversorgungsdruck zuzuführen. Ein
Verfahren dafür
ist ebenfalls offenbart.