DE112006001469T5 - Brennstoffzellenvorrichtung, Fahrzeug, welches die Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, und Leistungsverwaltungsverfahren für ein System, das mit einer Brennstoffzelleneinheit ausgestattet ist - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung, Fahrzeug, welches die Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, und Leistungsverwaltungsverfahren für ein System, das mit einer Brennstoffzelleneinheit ausgestattet ist Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellenvorrichtung, die eine wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung, eine Brennstoffzelleneinheit einschließlich einer Brennstoffzelle mit einem Katalysator, eine Steuereinrichtung, die das Laden und Entladen der wiederaufladbaren Steuervorrichtung und die Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit entsprechend einer Systemleistungsausgabe-Forderung steuert, aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung dadurch gekennzeichnet, ist, dass
die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie
eine Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, entsprechend einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators begrenzt, und
eine Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, gemäß der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, erhöht, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, die Leistung unter Verwendung von Brenngas, welches Wasserstoff enthält, und Oxidationsgas, welches Sauerstoff enthält, erzeugt, und ein Fahrzeug, das solch eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Leistungsverwaltungsverfahren für ein System, das mit einer Brennstoffzelleneinheit ausgestattet ist.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Eine bekannte Brennstoffzellenvorrichtung, wie diejenige, die in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. JP08-33782 offenbart ist, weist protonenleitende Festpolymer-Elektrolytmembrane in den Elektrolytschichten der Brennstoffzellen auf. Um elektrochemische Reaktionen der Brennstoffzellen zu erleichtern, werden Kohlenstoffpartikel, die Platin tragen und bei denen es sich um einen Katalysator handelt, auf der Oberfläche jeder der Festpolymer-Elektrolytmembrane aufgebracht. Diese Katalysatoren werden im Folgenden als „Pt-Katalysator" bezeichnet.
  • 12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Oxidations-/Reduktionspotential vom Pt-Katalysator und der Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle zeigt. Das Oxidations-/Reduktionspotential im Graphen stellt in seiner Gesamtheit das elektrische Potential dar, bei dem eine Oxidation des Pt-Katalysators induziert wird, die beispielsweise einen Oxidfilm auf einem Pt-Katalysator bildet, und dasjenige, bei dem eine Reduktion des oxidierten Katalysators induziert wird. „OCV" stellt die Klemmen- bzw. Leerlaufspannung einer Brennstoffzellenvorrichtung dar, die Ausgangsspannung, wo keine Last mit der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden ist, d.h. kein Strom von der Brennstoffzellenvorrichtung geliefert wird. Wie in dem Graphen dargestellt, ist die Klemmenspannung der Brennstoffzellenvorrichtung höher als das Oxidations-/Reduktionspotential eines Pt-Katalysators, das von der gepunkteten Linie dargestellt wird.
  • In einem System, das mit einer Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattet ist, wechselt die Region, wo die Leistungserzeugung der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird, häufig zwischen der Niederpotentialseite und der Hochpotentialseite, beispielsweise als Antwort auf Änderungen der Leistungsmenge, die vom System benötigt wird. Ein solcher häufiger Wechsel der Leistungserzeugungsregion induziert jedoch eine Reduktion und Oxidation an der Oberfläche des Pt-Katalysators, wie von den nachstehenden Formeln (1) und (2) dargestellt. Pt + 2H2O → Pt(OH)2 + 2H+ + 2e– (1) Pt(OH)2 + 2H+ + 2e– → Pt + 2H2O (2)
  • Wiederholte Oxidationen und Reduktionen bewirken ein Sintern des Pt-Katalysators, was zu einem verringerten Leistungserzeugungsvermögen der Brennstoffzellenvorrichtung führt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Technik bereitzustellen, die ein Sintern unterdrückt, um eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens einer Brennstoffzelleneinheit zu minimieren.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, die eine wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung, eine Brennstoffzelleneinheit, die einen Katalysator einschließt, eine Steuereinrichtung, die das Laden und Entladen der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung und die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß einer Systemleistungsausgabe-Forderung steuert, aufweist. Die Steuereinrichtung begrenzt die Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, gemäß einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators, und die Steuereinrichtung erhöht die Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, gemäß der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.
  • Gemäß dieser Konstruktion wird die Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, gemäß der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators begrenzt (z.B. als Antwort darauf, dass sich die Ausgangsspannung dem Oxidations-/Reduktionspotential nähert) und die Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, wird dann korrigiert, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen, und daher werden die Gelegenheiten, zu denen die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit sich über das Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators hinweg ändert, weniger, unabhängig von den Änderungen der Systemleistungsausgabe-Forderung. Somit kann ein Sintern des Katalysators unterdrückt und dadurch eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens der Brennstoffzelleneinheit vermieden werden. Das „Oxidations-/Reduktionspotential" schließt nicht nur ein Potential ein, bei dem oder in dessen Nähe entweder eine Oxidation oder eine Reduktion des Katalysators induziert wird, sondern auch ein vorgegebenes Potential, das mit dem oxidations-/reduktionsinduzierenden Potential assoziiert ist (z.B. ein Steuerpotential, das nahe am oxidationsinduzierenden Potential eingestellt ist).
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit sich dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators nähert, und so, dass sie die Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, erhöht, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, fortsetzt oder wiederholt, bis ein Parameter, der einen Ladungszustand der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung anzeigt, einen Bezugsladungspegel erreicht.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, als Antwort darauf, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit auf einen Pegel sinkt, der dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators nahe kommt, durchführt.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie eine maximale Dauer der Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, einstellt und diese Begrenzung innerhalb der eingestellten maximalen Dauer fortsetzt oder wiederholt.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie einen Ladungszustand der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung erfasst und die maximale Dauer entsprechend dem erfassten Ladungszustand ändert.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung ist die Steuereinrichtung so gestaltet, dass sie zählt, wie oft innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne die System leistungsausgabe-Forderung sich ändert oder die Brennstoffzelleneinheit eine Leistungserzeugung durchführt, und die maximale Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit ändert.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie einen pH eines Abgases, das aus der Brennstoffzelleneinheit ausgetragen wird, erfasst und einen Ausgangsspannungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, entsprechend dem erfassten pH anpasst.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie einen Zustand der Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit erfasst und einen Ausgangsspannungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt werden soll, durchführt, entsprechend dem erfassten Zustand anpasst.
  • In der genannten Brennstoffzellenvorrichtung kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass eine Leistungsaufteilung zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung durchgeführt wird, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen, und wenn eine Leistungsmenge, die der Brennstoffzelleneinheit zugeteilt wurde, unter einem Oxidations-/Reduktionsleistungspegel liegt, der mit dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators assoziiert ist, kann die Steuereinrichtung die Leistungszuordnung so durchführen, dass die Systemleistungsausgabe-Forderung mit nur der Leistung, die von der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung erzeugt wird, erfüllt wird.
  • Die genannte Brennstoffzellenvorrichtung kann in einem Fahrzeug vorgesehen werden. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie zählt, wie oft das Fahrzeug innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne beschleunigt und/oder verlangsamt, und die maximale Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit ändert.
  • Die genannte Brennstoffzellenvorrichtung kann in einem Fahrzeug vorgesehen werden, das auf einer Straße fährt. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie einen Zustand oder eine Eigenschaft der Straße, auf welcher das Fahrzeug fährt, bestimmt und die maximale Dauer entsprechend dem erfassten Zustand oder der erfassten Eigenschaft der Straße ändert.
  • Die genannte Brennstoffzellenvorrichtung kann in einem Fahrzeug vorgesehen werden. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst und einen Ausgangsleistungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, entsprechend der erfassten Geschwindigkeit anpasst.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsverwaltungsverfahren für ein System, das mit einer Brennstoffzelleneinheit und mit einer wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung ausgestattet ist, die verwendet werden, um eine Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen, und das folgendes umfasst: Bestimmen der Systemleistungsausgabe-Forderung; Bestimmen einer Leistungsmenge, die von einer Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, und einer Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um eine wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der Systemleistungsausgabe-Forderung; Korrigieren der bestimmten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, aufgrund einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential eines Katalysators einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit; und Korrigieren der bestimmten Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der korrigierten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll.
  • Im vorstehenden Verfahren kann die Korrigierung der bestimmten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, folgendes einschließen: Bestimmen, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit nahe am Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators liegt, und Korrigieren der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit nahe am Oxidations-/Reduktionspotential liegt.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Bestimmen, ob ein Ladungspegel der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung einen Bezugsladungspegel erreicht hat; und Unterbrechen der Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, wenn der Ladungspegel den Bezugsladungspegel erreicht hat.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Bestimmen, ob die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, für eine maximale Dauer fortgesetzt oder wiederholt wurde; und Unterbrechen der Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, wenn die Korrigierung für die maximale Dauer fortgesetzt oder wiederholt wurde.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Erfassen eines Ladungszustands der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend dem erfassten Ladungszustand.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Zählen, wie oft innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne die geforderte Systemleistungsausgabe sich ändert oder die Brennstoffzelleneinheit eine Leistungserzeugung durchführt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Erfassen eines pH eines Abgases, das aus der Brennstoffzelleneinheit ausgetragen wird; und Anpassen eines Ausgangsspannungspegels der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend dem erfassten pH.
  • Das genannte Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Erfassen eines Ladungszustands der Brennstoffzelleneinheit; und Anpassen eines Ausgangsspannungspegels der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend dem erfassten Zustand.
  • Im genannten Verfahren kann, wenn die bestimmte Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, kleiner ist als ein Oxidations-/Reduktionsleistungspegel, der mit dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators assoziiert ist, die Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, auf null korrigiert werden, und die Leistungsmenge, die aus der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung entladen werden soll, kann nach oben korrigiert werden, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.
  • Im genannten Verfahren kann das System eine Brennstoffzellenvorrichtung sein, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, und das Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Zählen, wie oft das Fahrzeug innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne beschleunigt und/oder verlangsamt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit.
  • Im genannten Verfahren kann es sich bei dem System um eine Brennstoffzellenvorrichtung handeln, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, das dafür ausgelegt ist, auf einer Straße zu fahren, und das Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Bestimmen eines Zustands oder einer Eigenschaft der Straße, auf der das Fahrzeug fährt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend dem erfassten Zustand oder der erfassten Eigenschaft der Straße.
  • Im genannten Verfahren kann es sich bei dem System um eine Brennstoffzellenvorrichtung handeln, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, und das Verfahren kann ferner Folgendes einschließen: Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs; und Anpassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit, bei der oder in deren Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend der erfassten Geschwindigkeit.
  • Gemäß der oben genannten Brennstoffzellenvorrichtung, des Leistungsverwaltungsverfahrens und des Fahrzeugs, das die Vorrichtung und/oder das Verfahren beinhaltet, kann das Sintern eines Katalysators einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzelleneinheit zuverlässig verhindert werden, wodurch eine Abnahme der Leistung der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle vermieden werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung klarer, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Konfiguration ist, die eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließt;
  • 2 eine Steuerungsdiagramm ist, das eine Steuerlogik zeigt, die in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird, um ein Sintern des Pt-Katalysators zu verhindern;
  • 3 ein Ablaufschema ist, das ein Beispiel für eine Steuerroutine zeigt, mit der die Steuerlogik in 2 implementiert werden soll;
  • 4 ein Leistung/Strom-Kennfeld ist, das in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird;
  • 5 ein Spannung/Strom-Kennfeld ist, das in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird;
  • 6 ein Kennfeld ist, das verwendet wird, um einen Schwellenwert zu bestimmen (erstes Modifikationsbeispiel);
  • 7 ein Kennfeld ist, das verwendet wird, um den Schwellenwert zu bestimmen (zweites Modifikationsbeispiel);
  • 8 ein Kennfeld ist, das verwendet wird, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit zu steuern (drittes Modifikationsbeispiel);
  • 9 ein Kennfeld ist, das verwendet wird, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit zu steuern (viertes Modifikationsbeispiel);
  • 10 ein Kennfeld ist, das verwendet wird, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit zu steuern (fünftes Modifikationsbeispiel);
  • 11 ein Graph ist, der eine Variation der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit zeigt (fünftes Modifikationsbeispiel); und
  • 12 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Oxidations-/Reduktionspotential und der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. 1 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, das eine Brennstoffzellenvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel einschließt. Zwar wird in diesem Ausführungsbeispiel die Erfindung auf ein Brennstoffzellen-Hybridauto (FCHV) angewendet, aber sie kann statt dessen auch auf verschiedene andere Autos (z.B. Elektroautos und Hybridautos), verschiedene andere Fahrzeuge (z.B. Schiffe, Flugzeuge), verschiedene stationäre Leistungsversorgungseinrichtungen usw. angewendet werden.
  • Das in 1 dargestellte Brennstoffzellen-Hybridauto wird von einem Synchronmotor 61 angetrieben, der über ein Untersetzungsgetriebe 12 mit Rädern 63L, 63R verbunden ist. Der Synchronmotor 61 wird von einem Leistungsversorgungssystem 1 mit Leistung versorgt. Genauer wird der Gleichstrom, der vom Leistungsversorgungssystem 1 geliefert wird, von einem Wechselrichter 60 in dreiphasigen Wechselstrom umgewandelt und dann dem Synchronmotor 61 zugeführt. Der Synchronmotor 61 wird beispielsweise während eines Bremsens auch als Leistungserzeugungseinrichtung verwendet.
  • Das Leistungsversorgungssystem 1 weist eine Brennstoffzelleneinheit 40, eine Batterie 20 und einen Gleichstrom/Gleichstrom- bzw. DC/DC-Wandler 30 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 40 hat einen Stapelaufbau, wo Zellen in Serie übereinander gestapelt sind. Die Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt Leistung unter Verwendung von Brenngas und Oxidationsgas. In der Brennstoffzelleneinheit 40 sind protonenleitende Festpolymer-Elektrolytmembrane in den Elektrolytzellen der Brennstoffzellen vorgesehen, und auf der Oberfläche dieser Membrane ist ein Pt-Katalysator aufgebracht. Gegebenenfalls kann der Pt-Katalysator durch einen anderen Katalysator ersetzt werden, was einen Platin/Cobalt-Katalysator einschließt, aber nicht auf diesen beschränkt ist.
  • Eine Brenngas-Versorgungseinrichtung (z.B. ein Wasserstofftank) 70 liefert Brenngas, das Wasserstoff enthält, zu den Anoden der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheiten 40, und ein Luftkompressor 80 liefert Oxidationsgas, das Sauerstoff enthält, zu den Kathoden.
  • Die Batterie 20 ist eine wiederaufladbare Sekundärbatterie, was eine Nickelhydridbatterie einschließt, aber nicht auf diese beschränkt ist. Es können jedoch verschiedene andere Batterien als Batterie 20 verwendet werden. Ferner ist die Batterie 20 nicht auf solche Sekundärbatterien beschränkt, sondern kann auch durch andere Leistungsspeichereinrichtungen, wie einen Kondensator, ersetzt werden. Die Batterie 20 ist mit den Ausgangsleitungen (Leistungsausgabeleitungen) der Brennstoffzelleneinheit 40 verbunden, so dass diese parallel zueinander geschaltet sind.
  • Die Batterie 20 und die Brennstoffzelleneinheit 40 sind parallel zum Wechselrichter 60 geschaltet. Zwischen der Brennstoffzelleneinheit 40 und dem Wechselrichter 60 sind in der Zeichnung nicht dargestellte Dioden vorgesehen, um einen Umkehrstrom von der Batterie 20 und dem Synchronmotor 61 als der Leistungserzeugungseinrichtung zu verhindern.
  • Ein DC/DC-Wandler 30 ist ein DC-Spannungswandler, der DC-Spannung von der Batterie 20 anpasst und diese an die Seite der Brennstoffzelle 40 ausgibt und DC-Spannung vom Synchronmotor 61 anpasst und diese zur Seite der Batterie 20 ausgibt. Aufgrund dieser Funktionen des DC/DC-Wandlers 30 kann die Batterie 20 auf geeignete Weise geladen und entladen werden.
  • Eine Zubehöreinrichtung 50 ist zwischen die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 30 geschaltet und wird von der Batterie 20 mit Leistung versorgt. Die Zubehöreinrichtung 50 schließt verschiedene elektrische und elektronische Einrichtungen ein, die beispielsweise während des Betriebs des Brennstoffzellen-Hybridautos verwendet werden. Beispiele für solche Einrichtungen schließen Lampen, Klimaanlage und hydraulische Pumpen ein.
  • Verschiedene Komponenten des Brennstoffzellen-Hybridautos, einschließlich solcher, die oben beschrieben sind, werden von einer Steuereinheit 10 gesteuert, bei der es sich um einen Mikrorechner handelt, der eine CPU, einen ROM, einen RAM usw. aufweist. Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit 10 verschiedene Sensoreingaben, die notwendige Parameter anzeigen, wie z.B.: (a) einen Brenngas-Versorgungsdruck, der von einem Drucksensor 91 erfasst wird; (b) eine Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40, die von einem Spannungssensor 92 erfasst wird; (c) einen Ausgangsstrom Ifc der Brennstoffzelleneinheit 40, der von einem Stromsensor 93 erfasst wird; (d) einen pH der Kathoden der Brennstoffzellen, der von einem pH-Sensor 94 erfasst wird; und (e) einen SOC-(Ladungszustands-) Wert, der dem Ladungszustand der Batterie 20, der von einem SOC-Sensor 21 erfasst wird, entspricht. Unter Verwendung dieser Sensoreingaben steuert die Steuereinheit 10 die entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellen-Hybridautos, wie ein Reglerventil 71, das in einer Brenngasleitung vorgesehen ist, ein Reglerventil 81, das in einer Oxidationsgasleitung vorgesehen ist, den Luftkompressor 80, die Batterie 20, den DC/DC-Wandler 30 und den Wechselrichter 60. Um ein Sintern des Pt-Katalysators zu verhindern, führt die Steuereinheit 10 verschiedene Steuerungen durch, was später beschrieben wird, damit die Gelegenheiten, zu denen die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit 40 sich über einen Oxidations-/Reduktionsleistungspegel, der mit einem Oxidations-/Reduktionspotential des Pt-Katalysators assoziiert ist, hinweg ändert, weniger werden.
  • 2 ist ein Steuerdiagramm, das eine Steuerlogik darstellt, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, um ein Sintern des Pt-Katalysators zu verhindern. 3 ist ein Ablaufschema, das ein Beispiel für eine Steuerroutine zeigt, mit der die in 2 dargestellte Steuerlogik implementiert wird. In 2 stellt die vertikale Achse die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit 40 dar und die horizontale Achse stellt die Zeit dar. Die Steuerroutine von 3 wird wiederholt von der Steuereinheit 10 durchgeführt.
  • Wenn die Routine beginnt, ermittelt die Steuereinheit 10 in Schritt 1 die Menge der geforderten Systemleistung Wreq auf der Basis von beispielsweise Signalen von einem Beschleunigungssensor, einem Fahrgeschwindigkeitssensor und einem Sensor zur Erfassung des Betriebszustands der Zubehöreinrichtung 50. Dann geht die Steuereinheit zu Schritt 2 weiter und bestimmt den Anteil der Leistung, der von der Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt werden soll, und der Leistung, die verwendet werden soll, um die Batterie 20 zu laden bzw. zu entladen, um die Systemleistungs-Forderung Wreq zu erfüllen. Diese Aufteilung wird auf der Basis der Ausgabegrenze (z.B. der maximalen Ausgabe pro Zeiteinheit) der Brennstoffzelle 40, der oberen Eingabe- und Ausgabegrenzen der Batterie 20 usw. durchgeführt.
  • In Schritt 3 bestimmt die Steuereinheit 10, ob die Leistungsmenge, die der Brennstoffzelleneinheit 40 zugeteilt wurde (nachstehend als „BZ-Leistungsanteil" bezeichnet), größer ist als ein Oxidations-/Reduktionspegel Woxpt, der mit einem Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt des Pt-Katalysators assoziiert ist. Das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt ist ein Steuerpotential (z.B. 0,7 V), das zwischen dem Potential, das eine Oxidation des Pt-Katalysators induziert (z.B. 0,78 V), und dem Potential, das eine Reduktion des oxidierten Pt-Katalysators induziert (z.B. 0,6 V), eingestellt ist. Da die oxidations- und reduktionsinduzierenden Potentiale abhängig von der Innentemperatur der Brennstoffzelleneinheit 40 variieren, kann der Versorgungsdruck des Brenngases usw. des Oxidations-/Reduktionspotentials Voxpt eine Toleranz γ einschließen, und der Oxidations-/Reduktionsleistungspegel Woxpt kann eine Toleranz α einschließen.
  • Wenn die Menge des BZ-Leistungsanteils unter dem Oxidations-/Reduktionsleistungspegel Woxpt liegt (siehe „A" in 2), geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 8 weiter und bestimmt, ob ein BZ-Leistungserzeugungsstart-Flag, das in der Steuereinheit 10 gespeichert ist, auf ein oder aus steht. Das Flag zeigt an, ob die Brennstoffzelleneinheit 40 mit der Leistungserzeugung begonnen hat, und bleibt auf aus, bis die Brennstoffzelleneinheit 40 mit der Leistungserzeugung beginnt. Wenn das BZ-Leistungserzeugungsstart-Flag auf aus steht, geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 13 weiter und setzt die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 auf die Klemmen spannung (OCV), so dass die Ausgangsleistung Wfc der Brennstoffzelleneinheit 40 null wird. Das heißt, da die Leistung ein Produkt aus Spannung Strom ist, wird durch die Einstellung der Ausgangsspannung Vfc auf die Klemmenspannung (OCV) die Ausgangsspannung Wfc der Brennstoffzelleneinheit 40 auf null gesetzt. Anschließend geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 14 weiter und korrigiert die Leistungsmenge, die der Batterie 20 zugeteilt wird (nachstehend als „Batterie-Leistungsanteil" bezeichnet), die in Schritt 2 bestimmt wurde, um die auf Null gesetzte Ausgangsleistung Wfc der Brennstoffzelleneinheit 40 zu kompensieren, d.h. um die Systemleistungs-Forderung Wreq nur mit der Batterie 20 zu erfüllen. Schließlich geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 7 weiter und steuert den DC/DC-Wandler 30, um den korrekten Batterie-Leistungsanteil von der Batterie 20 zu liefern, wonach die Routine endet.
  • Wenn in Schritt 3 eines anschließenden Zyklus der Routine bestimmt wird, dass die Menge des BZ-Leistungsanteils größer (geworden) ist als der Oxidations-/Reduktionsleistungspegel Woxpt (siehe „B" in 2), geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 4 weiter. In diesem Schritt setzt die Steuereinheit 10 das BZ-Leistungserzeugungsstart-Flag auf „ein" und löscht den Zähler, der in der Steuereinheit 10 vorgesehen ist und der in der Zeichnung nicht dargestellt ist (Zähler = 0). Dann geht die Steuereinheit 10 zu Schritt 5 weiter und bestimmt Betriebsziele (Zielspannung, Zielstrom) der Brennstoffzelle 40 gemäß der Menge des BZ-Leistungsanteils, der in Schritt 2 bestimmt wurde. Einzelheiten dieses Verfahrens werden nachstehend beschrieben.
  • Ein Leistung/Strom-Kennfeld, das in 4 dargestellt ist, und ein Spannung/-Strom-Kennfeld, das in 5 dargestellt ist, sind im Speicher der Steuereinheit 10 hinterlegt. In Schritt 5 stellt die Steuereinheit 10 unter Bezugnahme auf das Leistung/-Strom-Kennfeld den Ziel-Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit 40 auf einen Wert ein, der der Menge des BZ-Leistungsanteils entspricht, und stellt dann die Ziel-Ausgangsleistung unter Bezugnahme auf das Spannung/Strom-Kennfeld auf einen Wert ein, der dem Zielstrom entspricht. Nachdem diese Betriebsziele somit eingestellt wurden, steuert die Steuereinheit 10 dann den DC/DC-Wandler 30 so, dass die Ausgangs spannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 auf die Ziel-Ausgangsspannung gebracht wird (Schritt 6, Schritt 7).
  • Wenn in Schritt 3 eines nachfolgenden Zyklus der Routine bestimmt wird, dass die Menge des BZ-Leistungsanteils unter dem Oxidations-/Reduktionsleistungspegel Woxpt liegt (gelegen ist) (siehe „C" in 2), geht die Steuereinheit 10 dann zu Schritt 8 weiter und bestimmt, ob das BZ-Leistungserzeugungsstart-Flag auf ein oder aus steht. Da das Flag bereits auf „ein" gesetzt wurde, wie oben beschrieben (d.h. die Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit 40 bereits begonnen hat), bestimmt die Steuereinheit 10 „JA" und geht zu Schritt 9 weiter. In Schritt 9 bestimmt die Steuereinheit 10, ob die aktuelle Zählung des Zählers weniger ist als ein Schwellenwert β, der der maximalen Dauer für die Begrenzung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt werden soll, entspricht. Der Schwellenwert β wird vorab auf einen festen Wert gesetzt, beispielsweise während der Herstellung des Brennstoffzellen-Hybridautos. Es kann jedoch auch der Wert sein, der abhängig von manchen Bedingungen variiert, wie später ausführlich beschrieben wird.
  • Wenn die aktuelle Zählung des Zählers unter dem Schwellenwert β liegt (Schritt 9: JA), rückt die Steuereinheit 10 dann den Zähler um einen Einzykluswert Car vor, der der Zeit entspricht, die erforderlich ist, um einen Zyklus der Routine durchzuführen, und stellt die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 auf das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt ein (Schritte S10, S11). Dann korrigiert die Steuereinheit 10 die Menge des Batterie-Leistungsanteils in Schritt S12, um die Variation der Menge der Ausgangsleistung Wfc der Brennstoffzelleneinheit 40, die daraus resultiert, dass die Ausgangsspannung Vfc auf das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt gesetzt wurde, zu kompensieren. Schließlich steuert die Steuereinheit 10 in Schritt 7 den DC/DC-Wandler 30, um den korrigierten Batterie-Leistungsanteil von der Batterie 20 zu liefern und die Ausgangsleistung Wfc von der Brennstoffzelleneinheit 40 zu erzeugen.
  • Wenn die Zählung des Zählers den Schwellenwert β überschreitet, nachdem die vorangehenden Prozesse in einer bestimmten Häufigkeit wiederholt wurden (Schritt 9: NEIN) geht die Steuereinheit 10 dann zu Schritt 13 weiter und reduziert die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 auf die Klemmenspannung (OCV) (siehe „D") in 2). Dann steuert in Schritt 14 die Steuereinheit 10 den DC/DC-Wandler 30, um die Reduzierung der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 zu kompensieren. Schließlich steuert die Steuereinheit 10 in Schritt 7 den DC/DC-Wandler so, dass er den korrigierten Batterie-Leistungsanteil von der Batterie 20 liefert, wonach die Routine endet.
  • Durch diese Prozesse kann die Brennstoffzellenvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels die Gelegenheiten, zu denen die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit sich über das Oxidations-/Reduktionspotential hinweg ändert, minimieren, unabhängig von den Änderungen der Menge an geforderter Systemleistung, die als Antwort darauf, dass das Gaspedal niedergedrückt oder gelöst wird, oder abhängig von irgendwelchen andere Bedingungen, eintreten. Somit kann ein Sintern des Pt-Katalysators verhindert und dadurch eine Abnahme des Leistungserzeugungsmögens der Brennstoffzelleneinheit 40 vermieden werden.
  • Andere Beispiele
  • Es folgen mehrere Beispiele für Modifikationen der oben beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtung. Die ersten beiden Beispiele betreffen Beispielsfälle, wo der Schwellenwert β, der der maximalen Dauer der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 40 entspricht und der im vorangehenden Ausführungsbeispiel auf einen festen Wert gesetzt wurde, abhängig von bestimmten Bedingungen variiert.
  • Erstes Beispiel
  • Ein Kennfeld MP1 von 6 zeigt ein Beispiel, wo der Schwellenwert β sich entsprechend der Häufigkeit, mit der das Beschleunigungselement ein- und ausgeschaltet wird, d.h. der Frequenz der Beschleunigung und Verlangsamung des Brennstoffzellen-Hybridautos, ändert. Genauer zählt in diesem Beispiel die Steuereinheit 10 die Frequenz über eine bestimmte Zeitspanne und ändert den Schwellenwert β entsprechend der gezählten Frequenz. Wenn gefunden wird, dass das Brennstoffzellen-Hybridauto oft beschleunigt und verlangsamt wurde, ist es sehr wahrscheinlich, dass das Brennstoffzellen-Hybridauto beispielsweise erneut beschleunigt wird. Wenn dies nur selten der Fall war, ist dagegen die Wahrscheinlichkeit gering.
  • Angesichts dessen ist das Kennfeld MP1 so formuliert, dass der Schwellenwert β steigt, je höher die vorangegangene Beschleunigungs-/Verlangsamungsfrequenz über dem bestimmten Zeitraum gestiegen ist. Das Kennfeld MP1 wird in einem Speicher oder dergleichen hinterlegt und wird verwendet, um die Zeit zu minimieren, über welche die Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit 40 andauert, um eine Abnahme der Brennstoffausnutzung und des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung unter Verwendung einer regenerativen Antriebsleistung usw. zu minimieren. Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle der Beschleunigungs-/Verlangsamungsfrequenz die Häufigkeit, mit der ein Bremsschalter ein- oder ausgeschaltet wird, mit der die Menge der Systemleistungs-Forderung Wreq sich ändert oder mit der die Brennstoffzelleneinheit 40 eine Leistungserzeugung durchführt, gezählt werden kann und der Schwellenwert β entsprechend dieser gezählten Häufigkeit geändert werden kann.
  • Zweites Beispiel
  • Ein Kennfeld MP2 von 7 stellt ein Beispiel dar, wo der Schwellenwert β sich entsprechend dem Ladungszustand der Batterie 20 ändert. Genauer ermittelt die Steuereinheit 10 einen SOC- (Ladungszustands-) Wert, der den Ladungszustand der Batterie 20 anzeigt, und ändert den Schwellenwert β entsprechend dem ermittelten SOC-Wert. Wenn der SOC-Wert klein ist, zeigt dies, dass die Batterie 20 eine große Menge an überschüssiger Leistung speichern kann. Wenn der SOC-Wert dagegen groß ist, zeigt dies, dass die Menge an überschüssiger Leistung, die gespeichert werden kann, nicht so groß ist. Angesichts dessen wird das Kennfeld MP2 so formuliert, dass der Schwellenwert β annimmt, wenn der SOC-Wert steigt. Das Kennfeld MP2 wird in einem Speicher oder dergleichen hinterlegt und wird verwendet, um die Zeit zu minimieren, über die eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit 40 andauert, um zu vermeiden, dass die Kraftstoffausnutzung und der Wirkungsgrad der Leistungsregeneration aus regenerativer Antriebskraft usw. abnimmt.
  • Ferner, wenn das Brennstoffzellen-Hybridauto, als eines von möglichen Fahrzeugen, mit einem Navigationssystem ausgestattet ist, kann der Schwellenwert β gemäß dem Zustand und/oder den Eigenschaften einer Straße (z.B. dem Gefälle der Straße, der Art der Straße), die von den Positionsinformationen, die vom GPS-Empfänger des Navigationssystems empfangen werden, abgeleitetet werden können, geändert werden. Wenn beispielsweise das Brennstoffzellen-Hybridauto bergauf oder auf einer Schnellstraße fährt, ist es sehr wahrscheinlich, dass das Auto erneut beschleunigt wird. In diesem Fall wird daher der Schwellenwert β erhöht. Wenn das Brennstoffzellenauto bergab oder auf einer Landstraße fährt, ist dagegen die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer erneuten Beschleunigung kommt, nicht so hoch, und daher wird der Schwellenwert β gesenkt. Somit kann der Schwellenwert β nach Wunsch und abhängig vom Zustand und/oder den Eigenschaften einer Straße geändert werden.
  • Drittes Beispiel
  • Ein Kennfeld MP3 von 8 zeigt ein Beispiel, wo die Ausgangsspannung Vfc, bei der es sich um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 40 handelt, sich während deren Leistungserzeugung begrenzt ist, entsprechend dem pH der Kathoden der Brennstoffzellen, der vom pH-Sensor 94 erfasst wird, ändert (die Ausgangsspannung wird im Folgenden als „Steuerspannung Vfc" bezeichnet). Der Grund dafür ist, dass das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt steigt, wenn der pH zur basischen Seite hin zunimmt, und abnimmt, wenn der pH zur sauren Seite hin abnimmt. Angesichts dessen wird das Kennfeld MP3 so formuliert, dass die Steuerspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 zunimmt, wenn der pH zunimmt. Das Kennfeld MP3 wird in einem Speicher oder dergleichen hinterlegt und wird verwendet, um die Steuerspannung Vfc zu ändern, um noch zuverlässiger ein Sintern des Pt-Katalysators zu verhindern und eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden.
  • Viertes Beispiel
  • Ein Kennfeld MP4 von 9 zeigt ein Beispiel, wo die Steuerspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 sich abhängig vom Zustand der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelleneinheit 40 ändert. Wenn die Brennstoffzelleneinheit 40 auf einem hohen Ausgabeniveau weiter arbeitet, nimmt die Wassermenge, die an der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt wird, zu, wodurch das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt verringert wird. Wenn die Brennstoffzelleneinheit 40 auf einem niedrigen Ausgabeniveau weiter arbeitet, nimmt dagegen diese Wassermenge ab, wodurch das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt steigt. Angesichts dessen wird das Kennfeld MP4 so formuliert, dass die Steuerspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 abnimmt, wenn die Wassermenge, die auf der Kathodenseite erzeugt wird, zunimmt. Das Kennfeld MP4 wird in einem Speicher oder dergleichen hinterlegt und wird verwendet, um ein Sintern des Pt-Katalysators zuverlässiger zu verhindern und um eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden.
  • Fünftes Beispiel
  • Ein Kennfeld MP5 von 10 zeigt ein Beispiel, wo die Steuerspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 sich entsprechend der Fahrgeschwindigkeit des Brennstoffzellen-Hybridautos, die von einem Fahrgeschwindigkeitssensor erfasst wird, ändert. Wenn das Brennstoffzellen-Hybridauto mit hoher Geschwindigkeit fährt, wird die Menge an regenerativer Antriebsleistung, die während des Bremsens erzeugt wird, und somit auch die Menge an überschüssiger Leistung eher groß sein. Wenn das Brennstoffzellen-Hybridauto mit geringer Geschwindigkeit fahrt, wird dagegen die Menge an regenerativer Leistung und somit auch die Menge an überschüssiger Leistung eher gering sein. Angesichts dessen wird das Kennfeld MP5 so formuliert, dass die Steuer spannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 abnimmt, wenn die Fahrgeschwindigkeit zunimmt. Das Kennfeld MP5 wird in einem Speicher oder dergleichen hinterlegt und verwendet, um die Steuerspannung Vfc zu ändern, um ein Sintern des Pt-Katalysators zuverlässiger zu verhindern und eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden.
  • Sechstes Beispiel
  • Der Graph von 11 zeigt eine Variation der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40. Wie im Graphen dargestellt, hält, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 40 dabei ist, unter das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt zu sinken, wenn die Menge an geforderter Systemleistung Wreq beispielsweise als Antwort darauf, dass das Gaspedal niedergetreten wird, allmählich steigt, die Steuereinheit 10 die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 beim Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt (dies begrenzt die Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt werden soll). Wenn die Ausgangsleistung Vfc somit beim Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt gehalten wird und nicht unter dieses Potential sinkt, kann die Menge der Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit 40 nicht auf den geforderten Pegel steigen. Daher erhöht dann die Steuereinheit 10 die Leistungsmenge, die von der Batterie 20 entladen werden soll, um eine Menge, die notwendig ist, um die begrenzte Leistungsmenge von der Brennstoffzelleneinheit 40 zu kompensieren. Die Steuereinheit 10 setzt diese Leistungskompensierung fort, bis der SOC-Wert der Batterie 20 unter einen ersten Bezugswert (einen ersten Bezugsladungspegel) sinkt. Wenn der SOC-Wert unter den ersten Bezugswert sinkt, senkt die Steuereinheit 10 die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 unter das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt. Auch wenn das Gaspedal gelöst wird und daher die Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit 40 überflüssig wird, setzt dann die Steuereinheit 10 die Leistungserzeugung von der Brennstoffzelleneinheit 40 fort, während sie die Ausgangsspannung Vfc unter dem Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt hält, um die Batterie 20 zu laden. Die Steuereinheit 10 setzt diese Batterieladung fort, bis der SOC-Wert der Batterie 20 einen zweiten Bezugswert (einen zweiten Bezugsladungswert) überschreitet. Wenn der SOC-Wert den zweiten Bezugsladungswert überschreitet, erhöht die Steuereinheit 10 die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelleneinheit 40 über das Oxidations-/Reduktionspotential Voxpt. Somit ist es gemäß diesem Beispiel möglich, ein Sintern des Pt-Katalysators zuverlässiger zu verhindern und dadurch eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden.
  • Siebtes Beispiel
  • Während in der vorangehenden Ausführungsform ein Überschuss an Leistung, der von der Brennstoffzelle 40 erzeugt wird, verwendet wird, um die Batterie 20 zu laden, kann die überschüssige Leistung statt dessen auch verbraucht werden, um einen elektrischen Verbraucher, wie eine Kühlpumpe, anzutreiben. Alternativ dazu kann die überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, erst verwendet werden, um die Batterie 20 zu laden, und wenn nach dem Laden der Batterie noch Leistung übrig ist, kann diese verwendet werden, um den elektrischen Verbraucher anzutreiben.
  • Zwar wurde die Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben, aber es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungs- oder Konstruktionsbeispiele beschränkt ist. Die Erfindung soll vielmehr verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abgesehen von den oben beschriebenen abdecken. Obwohl die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen dargestellt wurden, bei denen es sich um Beispiele handelt, liegen auch andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich von mehr oder weniger Elementen oder einem einzigen Element, ebenfalls im Bereich der Erfindung.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • BRENNSTOFFZELLENVORRICHTUNG, FAHRZEUG, WELCHES DIE BRENNSTOFFZELLENVORRICHTUNG AUFWEIST, UND LEISTUNGSVERWALTUNGSVERFAHREN FÜR EIN SYSTEM, DAS MIT EINER BRENNSTOFFZELLENEINHEIT AUSGESTATTET IST
  • Die Variation der Leistungsmenge, die von einer Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, wird entsprechend einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential eines Katalysators einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit begrenzt. Die Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um eine Batterie zu laden oder zu entladen, wird dann entsprechend der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit 40 erzeugt werden soll, korrigiert, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.

Claims (25)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung, die eine wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung, eine Brennstoffzelleneinheit einschließlich einer Brennstoffzelle mit einem Katalysator, eine Steuereinrichtung, die das Laden und Entladen der wiederaufladbaren Steuervorrichtung und die Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit entsprechend einer Systemleistungsausgabe-Forderung steuert, aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung dadurch gekennzeichnet, ist, dass die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie eine Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, entsprechend einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators begrenzt, und eine Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, gemäß der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, erhöht, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit sich dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators nähert, und die Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der begrenzten Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, erhöht, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, fortsetzt oder wiederholt, bis ein Parameter, der einen Ladungszustand der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung anzeigt, einen Bezugsladungspegel erreicht.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, als Antwort darauf, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit auf einen Pegel sinkt, der dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators nahe ist, durchführt.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie eine maximale Dauer der Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, einstellt und die Begrenzung innerhalb der eingestellten maximalen Dauer fortsetzt oder wiederholt.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Ladungszustand der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung erfasst und die maximale Dauer entsprechend dem erfassten Ladungszustand ändert.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie zählt, wie oft innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne die Systemleistungsausgabe-Forderung sich ändert oder die Brennstoffzelleneinheit eine Leistungserzeugung durchführt, und die maximale Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit ändert.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen pH eines Abgases, das aus der Brennstoffzelleneinheit ausgetragen wird, erfasst und einen Ausgangsspannungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit ausgegeben werden soll, durchführt, entsprechend dem erfassten pH ändert.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelleneinheit erfasst und einen Ausgangsspannungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, entsprechend dem erfassten Zustand ändert.
  10. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie eine Leistungsaufteilung zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung durchführt, um die Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen, wobei wenn eine Leistungsmenge, die der Brennstoffzelleneinheit zugeteilt ist, unter einem Oxidations-/Reduktionsleistungspegel liegt, der mit dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators assoziiert ist, die Steuereinrichtung die Leistungsaufteilung so durchführt, dass die Systemleistungsausgabe-Forderung mit nur der Leistung, die von der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung entladen wird, erfüllt wird.
  11. Fahrzeug, das die Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, einschließt, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie zählt, wie oft das Fahrzeug innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne beschleunigt und/oder verlangsamt, und die maximale Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit ändert.
  12. Fahrzeug, das die Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5 aufweist, wobei das Fahrzeug so konfiguriert ist, dass es auf einer Straße fährt, und die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Zustand oder eine Eigenschaft der Straße, auf der das Fahrzeug fährt, bestimmt und die maximale Dauer entsprechend dem erfassten Zustand oder den erfassten Eigenschaften der Straße ändert.
  13. Fahrzeug, das die Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5 aufweist, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie eine Geschwindigkeit eines Fahrzeugs erfasst und einen Ausgangsspannungspegel der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Steuereinrichtung die Begrenzung der Variation der Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchführt, entsprechend der erfassten Geschwindigkeit ändert.
  14. Leistungsverwaltungsverfahren für ein System, das mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung ausgestattet ist, die verwendet werden, um eine Systemleistungsausgabe-Forderung zu erfüllen, umfassend: Bestimmen der Systemleistungsausgabe-Forderung; Bestimmen einer Leistungsmenge, die von einer Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, und einer Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um eine wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der Systemleistungsausgabe-Forderung; Korrigieren der bestimmten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, auf der Basis einer Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit und einem Oxidations-/Reduktionspotential eines Katalysators einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit; und Korrigieren der bestimmten Leistungsmenge, die verwendet werden soll, um die wiederaufladbare Leistungsspeichereinrichtung zu laden oder zu entladen, entsprechend der korrigierten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Korrektur der bestimmten Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, Folgendes einschließt: Bestimmen, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators nahe kommt, und Korrigieren der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit nahe dem Oxidations-/Reduktionspotential ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, ferner Folgendes umfassend: Bestimmen, ob ein Ladungspegel der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung einen Bezugsladungspegel erreicht hat; und Unterbrechen der Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, wenn der Ladungspegel den Bezugsladungspegel erreicht hat.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, ferner Folgendes umfassend: Bestimmen, ob die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, für eine maximale Dauer fortgesetzt oder wiederholt wurde; und Unterbrechen der Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, wenn die Korrigierung über die maximale Dauer fortgesetzt oder wiederholt wurde.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner Folgendes umfassend: Erfassen eines Ladungszustands der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend dem erfassten Ladungszustand.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner Folgendes umfassend: Zählen, wie oft in einer vorgegebenen Zeitspanne die Systemleistungsausgabe-Forderung sich ändert oder die Brennstoffzelleneinheit eine Leistungserzeugung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne durchführt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner Folgendes umfassend: Erfassen eines pH eines Abgases, das von einer Brennstoffzelleneinheit ausgetragen wird; und Anpassen eines Ausgangsspannungspegels der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend dem erfassten pH.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner Folgendes umfassend: Erfassen eines Zustands der Leistungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit; und Anpassen eines Ausgangsspannungspegels der Brennstoffzelleneinheit, bei dem oder in dessen Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend dem erfassten Zustand.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei wenn die bestimmte Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, kleiner ist als ein Oxidations-/Reduktionsleistungspegel, der mit dem Oxidations-/Reduktionspotential des Katalysators assoziiert ist, die Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, auf Null korrigiert wird, und die Leistungsmenge, die von der wiederaufladbaren Leistungsspeichereinrichtung entladen werden soll, so nach oben korrigiert wird, dass sie die Systemleistungsausgabe-Forderung erfüllt.
  23. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das System eine Brennstoffzellenvorrichtung ist, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Zählen, wie oft das Fahrzeug innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne beschleunigt und/oder verlangsamt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend der ermittelten Häufigkeit.
  24. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das System eine Brennstoffzellenvorrichtung ist, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, das dafür konfiguriert ist, auf einer Straße zu fahren, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen eines Zustands oder einer Eigenschaft der Straße, auf der das Fahrzeug fährt; und Ändern der maximalen Dauer entsprechend dem erfassten Zustand oder der erfassten Eigenschaft der Straße.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei das System eine Brennstoffzellenvorrichtung ist, die in einem Fahrzeug vorgesehen ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs; und Anpassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit, bei der oder in deren Nähe die Korrigierung der Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugt werden soll, durchgeführt wird, entsprechend der erfassten Geschwindigkeit.
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