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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Einschlägiger Stand
der Technik
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Es
gibt allgemein verschiedene Beschränkungen beim Betrieb
einer Brennstoffzelle im Vergleich mit anderen Leistungsquellen.
Die Wirksamkeit der Leistungserzeugung einer solchen Brennstoffzelle
verringert sich mit abnehmender Temperatur und mit einer Vergiftung
eines Elektrodenkatalysators, so dass eine gewünschte Spannung
bzw. ein gewünschter Strom nicht geliefert werden kann
und eine Vorrichtung daher in einigen Fällen nicht betrieben
werden kann.
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Angesichts
dieser Sachlage wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem beim
Starten der Brennstoffzelle mindestens einer von einem Anodenbrennstoff
(z. B. ein Brennstoffgas) und einem Kathodenbrennstoff (z. B. ein
Oxidationsgas), die Elektroden zugeführt werden sollen,
in einen Verknappungszustand gebracht wird und eine Überspannung
eines Teils der Elektroden erhöht wird, um mehr Wärme
zu erzeugen. Hierdurch wird die Temperatur der Brennstoffzelle angehoben,
und ein vergifteter Elektrodenkatalysator und dergleichen werden
saniert (siehe z. B. Patentdokument 1).
- [Patentdokument
1] JP-Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2003-504807
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Offenbarungsgehalt der Erfindung
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Eine
Verschlechterung von Zellencharakteristiken infolge eines vergifteten
Elektrodenkatalysators und einer Abnahme der Temperatur einer Brennstoffzelle
treten jedoch nicht nur während des Startens, sondern auch
während eines normalen Betriebs auf. Wenn der vergiftete
Elektrodenkatalysator, wie oben beschrieben, nur während
des Startens saniert wird, verschlechtern sich daher die Zellencharakteristiken
infolge einer Vergiftung des Elektrodenkatalysators und dergleichen
während des normalen Betriebs, und eine geforderte Leistung
kann nicht abgegeben werden. Ausserdem wird bei dem vorstehend genannten
Aufbau ein Betrieb zum Sanieren des vergifteten Elektrodenkatalysators
und dergleichen unabhängig von der angeforderten Leistung während
des Startens durchgeführt, wodurch sich insofern ein Problem
ergab, als eine der geforderten Leistung entsprechende Leistungserzeugung
nicht unverzüglich gestartet werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der genannten Sachlage entwickelt,
wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem
zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Funktion eines vergifteten
Elektrodenkatalysators und dergleichen wieder hergestellt und gleichzeitig
eine Ausgangsleistungsanforderung erfüllt werden kann.
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Um
das oben erwähnte Problem zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem,
welches aufweist: eine Brennstoffzelle, in der eine Elektrode mit einem
Elektrolyten und einem Katalysator und ein Separator aufeinander
geschichtet sind; und eine Betriebssteuereinrichtung zum Steuern
eines Betriebs der Brennstoffzelle auf einem Normalbetriebspunkt, um
eine Leistung entsprechend einer Leistungserzeugungsanforderung
abzugeben, wobei das System ferner aufweist: eine Entscheidungseinrichtung zum
Entscheiden, ob ein Betrieb zum Rückgängigmachen
einer Verschlechterung des Katalysators der Elektrode durchgeführt
werden soll, wobei die Betriebssteuereinrichtung dazu ausgelegt
ist, auf einem Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad zu arbeiten,
der eine der Leistungserzeugungsanforderung entsprechende Leistungsabgabe
und einen höheren Leistungsverlust als der Normalbetriebspunkt aufweist,
falls das Ergebnis der Entscheidung bejahend ist.
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Gemäß einem
solchen Aufbau kann auch bei einer Verschlechterung des Elektrodenkatalysators eine
Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators wieder hergestellt
werden, und gleichzeitig kann die Ausgangsleistungsanforderung erfüllt
werden. Hierbei beinhaltet eine "Verschlechterung des Elektrodenkatalysators"
eine Verschlechterung, bei der die Funktion des Katalysators auf
physikalischem oder chemischem Wege nicht wieder hergestellt werden kann,
sowie eine Verschlechterung, bei der die Funktion des Katalysators
mittels zugeführter Energie vorübergehend wieder
hergestellt wird (z. B. Vergiftung des Katalysators (eines Edelmetalls)
und dessen Aggregation (ein Phänomenon, bei dem sich Edelmetalle
nahe beieinander anlagern)). Gemäß der vor liegenden
Erfindung wird eine beeinträchtigte Funktion des Katalysators
wieder hergestellt, die auf einer rückgängig machbaren
Verschlechterung des Katalysators beruht.
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Bei
dem oben genannten Aufbau arbeitet die Betriebssteuereinrichtung
auf dem Normalbetriebspunkt, um eine der Leistungserzeugungsanforderung entsprechende
Leistung abzugeben, wenn das Ergebnis der Entscheidung negativ ist.
Wenn das Ergebnis der Entscheidung hingegen bejahend ist, kann die
Einrichtung auf dem Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad
arbeiten, der eine der Leistungserzeugungsanforderung entsprechende Leistungsabgabe
und einen höheren Leistungsverlust als der Normalbetriebspunkt
aufweist.
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Bei
einem bevorzugten Aspekt des oben genannten Aufbaus wird ausserdem
der Betrieb auf den Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad umgeschaltet,
ohne die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu ändern,
wenn die Betriebssteuereinrichtung auf dem Normalbetriebspunkt arbeitet
und die Entscheidungseinrichtung die bejahende Entscheidung fällt.
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Weiterhin
umfasst die Betriebssteuereinrichtung bei einem bevorzugten Aspekt
eine Spannungswandlervorrichtung, welche eine Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle steuert, und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen
einer der Brennstoffzelle zuzuführenden Menge eines Reaktionsgases;
die Spannungswandlervorrichtung steuert die Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle, und die Einstelleinrichtung stellt die Menge des
zuzuführenden Reaktionsgases ein, um einen Ausgangsstrom
der Brennstoffzelle zu steuern, wodurch der Betrieb auf den Betriebspunkt mit
einem geringeren Wirkungsgrad umgeschaltet wird, ohne die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle zu ändern.
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Ausserdem
weist das System bei dem bevorzugten Aspekt ferner eine Erfassungseinrichtung
auf, welche erfasst, ob der Katalysator der Brennstoffzelle vergiftet
ist, und die Entscheidungseinrichtung entscheidet, dass der Betrieb
zum Rückgängigmachen der Verschlechterung des
Katalysators der Elektrode erforderlich ist, falls erfasst wird,
dass der Katalysator vergiftet ist.
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Bei
dem bevorzugten Aspekt vergleicht die Erfassungseinrichtung weiterhin
eine elektrische Charakteristik, die einen voreingestellten Standard darstellt,
mit einer gegenwärtigen elektrischen Charakteristik der
Brennstoffzelle, um zu erfassen, ob der Katalysator vergiftet ist.
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Ausserdem
ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegende
Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle,
in der eine Elektrode mit einem Elektrolyten und einem Katalysator
und ein Separator geschichtet sind; und eine Betriebssteuereinrichtung
zum Steuern eines Betriebs der Brennstoffzelle auf einem Normalbetriebspunkt,
um eine Leistung entsprechend einer Leistungserzeugungsanforderung
abzugeben, wobei das System ferner eine Entscheidungseinrichtung aufweist
zum Entscheiden, ob ein Aufwärmbetrieb erforderlich ist,
wobei die Betriebssteuereinrichtung dazu ausgelegt ist, auf einem
Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad zu arbeiten, der
eine der Leistungserzeugungsanforderung entsprechende Leistungsabgabe
und einen höheren Leistungsverlust als der Normalbetriebspunkt
aufweist, falls das Ergebnis der Entscheidung bejahend ist. Die
vorliegende Erfindung ist somit nicht nur auf einen Fall anwendbar,
in dem eine Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators wieder
hergestellt wird, sondern auch auf einen Fall, in dem die Brennstoffzelle aufgewärmt
wird.
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Wie
vorausgehend beschrieben wurde, kann gemäß der
vorliegenden Erfindung der verschlechterte Elektrodenkatalysator
oder dergleichen saniert werden, während gleichzeitig die
Ausgangsleistungsanforderung erfüllt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Schemazeichnung, die den Aufbau eines Hauptteils eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
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2A ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung
und einem Leistungsverlust gemäß der Ausführungsform
zeigt;
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2B ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und
dem Leistungsverlust gemäß der Ausführungsform
zeigt;
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3 ist
ein Diagramm, das Änderungen der Ausgangsleistung gemäß der
Ausführungsform zeigt;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung zum Verschieben eines
Betriebspunktes gemäß der Ausführungsform
zeigt;
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5A ist
ein Diagramm, das Änderungen der Ausgangsleistung gemäß der
Ausführungsform zeigt;
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5B ist
ein Diagramm, das Änderungen der Ausgangsleistung gemäß der
Ausführungsform zeigt; und
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6 ist
eine Schemazeichnung, die einen Aufbau eines Hauptteils eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer Modifikation zeigt.
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Beste Ausführungsweise
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben.
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A. Vorliegende Ausführungsform
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1 ist
eine Schemazeichnung, die einen Aufbau eines Hauptteils eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform zeigt. Bei der vorliegenden
Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem angenommen,
das für die Anbringung an Fahrzeugen wie etwa einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug
(FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle), einem Elektroauto und einem Hybridauto vorgesehen
ist, jedoch ist das System nicht nur auf Fahrzeuge, sondern auch
auf verschiedene bewegliche Körper (z. B. ein Schiff, ein
Flugzeug, einen Robot o. dgl.) und auf eine stationäre
Leistungsquelle anwendbar.
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Eine
Brennstoffzelle 40 ist eine Einrichtung zum Erzeugen von
Leistung aus einem zuzuführenden Reaktionsgas (einem Brennstoffgas
und einem Oxidationsgas), und es kann eine Brennstoffzelle von einem
beliebigen Typ verwendet werden, wie z. B. einem Festpolymer-Typ,
einem Phosphat-Typ oder einem Schmelzcarbonat-Typ. Die Brennstoffzelle 40 weist
einen Stack-Aufbau auf, in dem eine Mehrzahl von Einzelzellen, die
eine MEA (Membrane Electrode Assembly; Membranelektrodenanordnung)
und dergleichen umfassen, in Serie geschichtet sind. Eine Ausgangsspannung
(im Nachfolgenden als BZ(Brennstoffzellen)-Spannung bezeichnet)
und ein Ausgangsstrom (im Nachfolgenden als BZ-Strom bezeichnet)
dieser Brennstoffzelle 40 werden von einem Spannungssensor 140 bzw.
einem Stromsensor 150 erfasst. Ein Brennstoffgas wie etwa
ein Wasserstoffgas wird von einer Brennstoffgas-Versorgungsquelle 10 einem
Brennstoffpol (einer Anode) der Brennstoffzelle 40 zugeführt,
während ein Oxidationsgas wie z. B. Luft von einer Oxidationsgas-Versorgungsquelle 70 einem
Sauerstoffgaspol (einer Kathode) zugeführt wird.
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Die
Brennstoffgas-Versorgungsquelle 10 besteht beispielsweise
aus einem Wasserstofftank, verschiedenen Ventilen und dergleichen,
und Ventilöffnungsgrade, Ventilbetätigungszeit
und dergleichen werden eingestellt, um eine der Brennstoffzelle 40 zuzuführende
Menge an Brennstoffgas zu steuern.
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Die
Oxidationsgas-Versorgungsquelle 70 besteht beispielsweise
aus einem Luftverdichter, einem Motor zum Antreiben des Luftverdichters,
einem Inverter und dergleichen, und eine Drehzahl des Motors und
dergleichen werden eingestellt, um eine der Brennstoffzelle 40 zuzuführende
Menge an Oxidationsgas einzustellen.
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Eine
Batterie 60 ist eine auf- und entladbare Sekundärzelle
und besteht beispielsweise aus einer Nickel-Wasserstoff-Batterie
o. dgl. Selbstverständlich kann anstelle der Batterie 60 ein
auf- und entladbarer Akkumulator (z. B. ein Kondensator) angeordnet
werden, bei dem es sich nicht um eine Sekundärzelle handelt.
Diese Batterie 60 und die Brennstoffzelle 40 sind
parallel zu einem Inverter 110 für einen Fahrmotor
geschaltet, und ein Gleichspannungswandler 130 ist zwischen
der Batterie 60 und dem Inverter 110 vorgesehen.
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Der
Inverter 110 ist beispielsweise ein PWM-Inverter eines
Pulsbreitenmodulationssystems und wandelt im Ansprechen auf einen
von einem Controller 80 erteilten Steuerbefehl einen Gleichstromleistungsausgang
von der Brennstoffzelle 40 oder von der Batterie 60 in
eine Dreiphasenwechselstromleistung um, um die Leistung einem Fahrmotor 115 zur
Verfügung zu stellen. Der Fahrmotor 115 ist ein
Motor zum Antreiben der Räder 116L, 116R,
und die Drehzahl eines solchen Motors wird von dem Inverter 110 gesteuert.
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Der
Gleichspannungswandler (eine Spannungswandlervorrichtung) 130 ist
ein Vollbrückenumformer, der beispielsweise aus vier Leistungstransistoren
und einer dedizierten Ansteuerschaltung (jeweils nicht gezeigt)
besteht. Der Gleichspannungswandler 130 hat die Funktion,
einen Gleichspannungseingang von der Batterie 60 zu erhöhen
oder zu senken, um die Spannung zur Brennstoffzelle 40 hin
abzugeben, sowie die Funktion, einen Gleichspannungseingang von
der Brennstoffzelle 40 o. dgl. zu erhöhen oder
zu senken, um die Spannung zur Batterie 60 hin abzugeben.
Die Funktionen des Gleichspannungswandlers 130 resultieren
in einem Laden bzw. Entladen der Batterie 60.
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Hilfsmaschinen 120 wie
etwa Fahrzeughilfsmaschinen und BZ-Hilfsmaschinen sind zwischen der
Batterie 60 und dem Gleichspannungswandler 130 angeordnet.
Die Batterie 60 ist eine Leistungsquelle für diese
Hilfsmaschinen 120. Es ist anzumerken, dass die Fahrzeughilfsmaschinen
verschiedene elektrische Vorrichtungen zur Verwendung beim Betrieb
des Fahrzeugs und dergleichen sind (Beleuchtungsanlagen, Klimaanlage,
Hydraulikpumpe o. dgl.), und die BZ-Hilfsmaschinen sind verschiedene
elektrische Vorrichtungen zur Verwendung beim Betrieb der Brennstoffzelle 40 (Pumpen
zum Zuführen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases
usw.).
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Der
Controller 80 besteht aus einer CPU, einem ROM, einem RAM
und dergleichen, und Systemabschnitte werden auf der Grundlage von
Sensorsignalen, die von einem Temperatursensor 50 zum Erfassen
einer Temperatur der Brennstoffzelle 40, einem SOC(State
Of Charge)-Sensor zum Erfassen eines Ladezustands der Batterie 20,
einem Fahrpedalsensor zum Erfassen eines Öffnungsgrades
eines Fahrpedals und dergleichen eingegeben werden, zentral gesteuert.
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Ausserdem
erfasst der Controller 80 mittels des nachfolgenden Verfahrens,
ob ein Elektrodenkatalysator der Brennstoffzelle 40 vergiftet
ist, und führt eine Verarbeitung zum Umschalten eines Betriebspunktes
der Brennstoffzelle 40 durch, um die Charakteristiken des
vergifteten Elektrodenkatalysators wieder herzustellen (weiter unten
beschrieben).
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Ein
Speicher 160 ist beispielsweise ein beschreibbarer nichtflüchtiger
Speicher, in dem Zellen-Anfangskenndaten, welche Zellencharakteristiken
in einem Anfangszustand (z. B. bei der Auslieferung einer hergestellten
Zelle) der Brennstoffzelle 40 und dergleichen angeben,
abgelegt sind. Die Zellen-Anfangskenndaten sind eine zweidimensionale Speicherdarstellung,
die eine Beziehung zwischen einer Stromdichte und einer Spannung
der Brennstoffzelle 40 im anfänglichen Zustand
zeigt, wobei die Spannung mit zunehmender Stromdichte abnimmt.
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Bekanntermaßen
verschlechtern sich die Zellencharakteristiken, wenn der Elektrodenkatalysator
der Brennstoffzelle 40 vergiftet wird. Bei einer gleichen
Spannung verringert sich die Stromdichte nach einer Vergiftung im
Vergleich mit derjenigen vor der Vergiftung (der von den Zellen-Anfangskenndaten angegebenen
Stromdichte). Bei der vorliegenden Ausführungsform werden
die BZ-Spannung und der BZ-Strom, die von dem Spannungssensor 140 bzw. dem
Stromsensor 150 erfasst werden, unter Verwen dung der oben
genannten Charakteristiken mit den Zellen-Anfangskenndaten verglichen,
um zu erfassen, ob der Elektrodenkatalysator vergiftet ist. Genauer
gesagt, wenn der Spannungssensor 140 und der Stromsensor 150 die
BZ-Spannung bzw. den BZ-Strom erfassen, vergleicht der Controller
(Erfassungseinrichtung) 80 das Erfassungsresultat mit der Stromdichte
bei einer gleichen Spannung in den Zellen-Anfangskenndaten. Wenn
als Ergebnis eines solchen Vergleichs die nachstehenden Formeln
(1), (2) erfüllt sind, wird entschieden, dass der Elektrodenkatalysator
vergiftet ist. Wenn die nachstehenden Formeln (1), (2) hingegen
nicht erfüllt sind, wird entschieden, dass der Elektrodenkatalysator
nicht vergiftet ist. Vfc = Vs (1), und Ifc < Is
+ α (2);hierbei
ist
- Vfc:
- eine BZ-Spannung,
- Vs:
- eine Spannung in den
Zellen-Anfangskenndaten,
- Ifc:
- ein BZ-Strom,
- Is:
- eine Stromdichte in
den Zellen-Anfangskenndaten, und
- α:
- ein vorgegebener Wert.
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Es
ist anzumerken, dass in der vorstehenden Beschreibung unter Verwendung
der Zellen-Anfangskenndaten erfasst wird, ob der Elektrodenkatalysator
vergiftet ist, aber es kann selbstverständlich auch mit
einem anderen Verfahren erfasst werden, ob der Elektrodenkatalysator
vergiftet ist. Wenn der Elektrodenkatalysator beispielsweise durch
Kohlenmonoxid vergiftet ist, kann ein bekannter CO-Konzentrationsfühler
vorgesehen sein, und eine Beziehung zwischen einer CO-Konzentration
und einem gemessenen Spannungswert kann im Voraus untersucht und
gemappt werden, um auf der Grundlage der erfassten CO-Konzentration
o. dgl. zu erfassen, ob der Elektrodenkatalysator vergiftet ist.
Der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 wird im Nachfolgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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2A und 2B sind
Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und
einem Leistungsverlust an Zeitpunkten zeigen, an denen die Brennstoffzelle
auf unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird. Die Abszisse
gibt den BZ-Strom an, und die Ordinate gibt die BZ-Spannung an.
Ausserdem ist eine in den 2A und 2B gezeigte
Leerlaufspannung (OCV; Open Circuit Voltage) eine Spannung in einem
Zustand, in dem kein Strom durch die Brennstoffzelle fliesst.
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Die
Brennstoffzelle 40, bei der die in den 2A und 2B gezeigten
Strom- und Spannungscharakteristiken (im Nachfolgenden als die IV-Charakteristik
bezeichnet) ermittelt werden können, wird normalerweise
auf einem Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) betrieben, auf dem der Leistungsverlust bezogen
auf die Ausgangsleistung gering ist (siehe 2A). Wenn
der Elektrodenkatalysator der Brennstoffzelle 40 aber vergiftet
ist, muss eine Innentemperatur der Brennstoffzelle 40 angehoben
werden, um die Funktion des Elektrodenkatalysators wieder herzustellen.
Daher geht der Betrieb der Brennstoffzelle bei der vorliegenden
Ausführungsform zu einem Betriebspunkt (Ifc2, Vfc2) mit
einem hohen Leistungsverlust über, bei dem gleichzeitig
eine benötigte Ausgangsleistung gesichert ist, wodurch
die Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators wieder hergestellt
wird (siehe 2B). Hierbei verhalten sich
die Ausgangsleistungen Pfc auf den in den 2A und 2B gezeigten
Betriebspunkten, ein Leistungsverlust Ploss, eine Beziehung zwischen
den Ausgangsspannungen Pfc, und eine Beziehung zwischen den Leistungsverlusten
Ploss wie folgt.
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<Betriebspunkt
(Ifc, Vfc1)>
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Ifc1·Vfc1 = Pfc1 (3)
Ifc1·OCV – Pfc1 = Ploss1 (4)
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<Betriebspunkt
(Ifc2, Vfc2)>
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Ifc2·Vfc2 = Pfc2 (5)
Ifc2·OCV – Pfc2 = Ploss2 (6)
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<Beziehungen
zwischen den Ausgangsleistungen und zwischen den Leistungsverlusten>
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Pfc1 = Pfc2 (7)
Ploss1 < Ploss2 (8)
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3 ist
ein Diagramm, das Änderungen der Ausgangsleistung zu einem
Zeitpunkt zeigt, an dem die Brennstoffzelle betrieben wird, während
der Betriebspunkt umgeschaltet wird. Die Abszisse gibt den BZ-Strom
an, und die Ordinate gibt die BZ-Spannung und die Ausgangsleistung
an. Es ist anzumerken, dass in 3 zur besseren Übersichtlichkeit
die IV-Charakteristik der Brennstoffzelle als gerade Linie (im Nachfolgenden
als die IV-Linie bezeichnet) gezeigt ist. Die Betriebspunkte (Ifc1,
Vfc1), (Ifc2, Vfc2) auf der IV-Linie entsprechen den in den 2A und 2B gezeigten
Betriebspunkten (Ifc1, Vfc1), (Ifc2, Vfc2).
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Wie
in 3 im Hinblick auf die Ausgangsleistung Pfc der
Brennstoffzelle 40 gezeigt ist, nimmt die Ausgangsleistung
Pfc bei abnehmender BZ-Spannung Vfc an einem Betriebspunkt auf der
Linie, der links von einem Betriebspunkt mit maximalem Ausgang (Vfcmax)
gezeigt ist, bei dem eine maximale Ausgangsleistung Pfcmax erhalten
wird, zu. Auf einem rechts von dem Betriebspunkt mit maximalem Ausgang
auf der Linie gezeigten Betriebspunkt hingegen nimmt die Ausgangsleistung
Pfc bei abnehmender BZ-Spannung Vfc ab.
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Gemäß der
vorstehenden Beschreibung erhöht sich der Leistungsverlust
mit abnehmender BZ-Spannung Vfc. Selbst wenn die Brennstoffzelle 40 betrieben
wird, um eine gleiche Leistung abzugeben, ist der Leistungsverlust
daher groß, wenn die Brennstoffzelle auf dem Betriebspunkt
auf der IV-Linie betrieben wird, der rechts von dem Betriebspunkt mit
maximalem Ausgang gezeigt ist (z. B. dem Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1)),
im Vergleich mit einem Fall, in dem die Brennstoffzelle auf dem
Betriebspunkt auf der IV-Linie betrieben wird, der links von dem
Betriebspunkt mit maximalem Ausgang gezeigt ist (z. B. dem Betriebspunkt
(Ifc2, Vfc2)). Daher ist in der nachfolgenden Beschreibung der Betriebspunkt
auf der IV-Linie, an dem die Ausgangsleistung Pfc bei abnehmender
BZ-Spannung Vfc zunimmt, als ein normaler Betriebspunkt definiert,
und der Betriebspunkt auf der IV-Linie, an dem die Ausgangsleistung
Pfc mit einer abnehmenden BZ-Spannung Vfc abnimmt, ist als ein Betriebspunkt
mit einem geringeren Wirkungsgrad definiert. Es ist anzumerken,
dass der Normalbetriebspunkt und der Betriebspunkt mit einem geringeren
Wirkungsgrad wie folgt sind.
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<Normaler
Betriebspunkt (Ifc, Vfc)>
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Ifc ≤ Ifcmax (9)
Vfcmax ≤ Vfc (10)
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<Betriebspunkt
mit einem geringeren Wirkungsgrad (Ifc, Vfc)>
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Ifcmax < Ifc (11)
Vfc < Vfcmax (12)
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Als
Nächstes wird die von dem Controller 80 durchzuführende
Betriebspunkt-Verschiebungsverarbeitung unter Bezugnahme auf 4 usw.
beschrieben.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Betriebspunkt-Verschiebungsverarbeitung
zeigt, und 5A und 5B sind
Diagramme, die Änderungen der Ausgangsleistung beim Umschalten
des Betriebspunktes zeigen. Es ist anzumerken, dass in der nachfolgenden
Beschreibung ein Fall angenommen wird, in dem der Betriebspunkt
der Brennstoffzelle 40 von dem Normalbetriebspunkt (Ifc1,
Vfc1) auf den Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad (Ifc2,
Vfc2) umgeschaltet wird, um die Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators
wieder herzustellen (siehe 5A und 5B).
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Der
Controller (Entscheidungseinrichtung) 80 entscheidet zuerst,
ob ein Betrieb zum Rückgängigmachen der Katalysatorverschlechterung
erforderlich ist (Schritt S1). Insbesondere werden die BZ-Spannung
und der BZ-Strom, die von dem Spannungssensor 140 bzw.
dem Stromsensor 150 erfasst werden, mit den Zellen-Anfangskenndaten
verglichen, um zu erfassen, ob der Elektrodenkatalysator vergiftet
ist. Wenn der Elektrodenkatalysator nicht vergiftet ist, wird entschieden,
dass der Betrieb zum Rückgängigmachen der Katalysatorverschlechterung
nicht erforderlich ist. Wenn der Elektrodenkatalysator hingegen
vergiftet ist, wird entschieden, dass der Betrieb zum Rückgängigmachen
der Katalysatorverschlechterung erforderlich ist.
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Wenn
der Elektrodenkatalysator nicht vergiftet ist, setzt der Controller
(Betriebssteuereinrichtung) 80 den Betrieb auf einem Normalbetriebspunkt fort,
bei dem Leistung entsprechend der Anforderung des Systems (Leistungserzeugungsanforderung) ausgegeben
wird. Wenn der Elektrodenkatalysator hingegen vergiftet ist, überprüft
der Controller 80 zuerst den Betriebspunkt (in diesem Fall
den Normalbetriebspunkt (Ifc1, Vfc1)) zum gegenwärtigen
Zeitpunkt (Schritt S2).
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Im
Anschluss daran ermittelt der Controller 80 einen angemessenen
Betriebspunkt (den Zielbetriebspunkt) der Brennstoffzelle 40 so,
dass die Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators wieder hergestellt
wird (Schritt S3). Hierzu sei ein Beispiel beschrieben. Wenn die
Brennstoffzelle beispielsweise auf dem Normalbetriebspunkt (Ifc1,
Vfc1) betrieben wird, um die Ausgangsleistung Pfc1 zu erhalten, wird
der Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad (Ifc2, Vfc2),
der in der Lage ist, eine Ausgangsleistung Pfc2 (= Pfc1) zu erzielen,
die gleich der vorgenannten Ausgangsleistung ist, als der Zielbetriebspunkt
ermittelt. Es ist anzumerken, dass in dem vergifteten Elektrodenkatalysator
eine Zellenspannung der Brennstoffzelle 40 auf 0,6 V oder
weniger gesteuert wird, weshalb eine Katalysatorreduzierungsreaktion
stattfindet, um die Katalysatorfunktion wieder herzustellen. Daher
kann der Betriebspunkt, der solche Bedin gungen erfüllt,
als der Zielbetriebspunkt ermittelt werden (Einzelheiten hierzu
sind weiter unten beschrieben).
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Der
Controller (die Betriebssteuereinrichtung) 80 beginnt mit
dem Verschieben des Betriebspunktes, wenn der Zielbetriebspunkt
ermittelt ist (Schritt S4). Falls hierbei nur die BZ-Spannung gesteuert
wird, um den Betriebspunkt vom Normalbetriebspunkt (Ifc1, Vfc1)
auf den Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad (Ifc2, Vfc2)
zu verschieben, wie in 5A gezeigt ist, schwankt die Ausgangsleistung
der Brennstoffzelle 40 stark als Reaktion auf die Verschiebung
des Betriebspunktes auf einer IV-Linie I1 (siehe Leistungslinie
pI1). Genauer gesagt, falls bei einem Verschiebungsvorgang nur die
BZ-Spannung unter Verwendung des Gleichspannungswandlers 130 gesteuert
wird, um den Betriebspunkt zu verschieben, tritt die Notwendigkeit auf,
einen Betrieb mit einem hohen Ausgang (einen Betrieb auf dem Betriebspunkt
mit maximalem Ausgang) durchzuführen, der in einer normalen
Einsatzumgebung möglicherweise nicht verwirklicht werden kann.
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Um
das Problem zu lösen, wird bei der vorliegenden Ausführungsform
der BZ-Strom zusammen mit der BZ-Spannung gesteuert, um die Verschiebung
des Betriebspunktes vom Normalbetriebspunkt (Ifc1, Vfc1) auf den
Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad (Ifc2, Vfc2) so
durchzuführen, dass die Ausgangsleistung konstant gehalten wird
(siehe Leistungslinie pI2.) Insbesondere wird die BZ-Spannung unter
Verwendung des Gleichspannungswandlers (einer Spannungswandlervorrichtung) 130 gesteuert,
und der Controller (Einstelleinrichtung) 80 stellt eine
Menge des Oxidationsgases ein, die von der Oxidationsgas-Versorgungsquelle 70 zugeführt
werden soll (hier: reduziert die Menge des Oxidationsgases), um
den BZ-Strom zu steuern. Infolge dieser Steuerung verschiebt sich
die IV-Charakteristik der Brennstoffzelle 40 von der IV-Linie
I1 zu einer IV-Linie I2, und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 40 wird
unbeschadet der Verschiebung des Betriebspunktes konstant gehalten.
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Wenn
der Betriebspunkt verschoben wurde, entscheidet der Controller 80 unter
Bezugnahme auf einen Zeitgeber (nicht gezeigt) o. dgl., ob eine
Zielvorgabezeit seit der Verschiebung des Betriebspunktes verstrichen
ist (Schritt S5). Die Zielvorgabezeit ist hierbei eine für
ein Wiederherstellen der Funktion des Elektrodenkatalysators angemessene
Zeit (z. B. 10 Sekunden), die verstrichen ist, seit der Betrieb
auf dem Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad begonnen
wurde, und kann im Voraus experimentell o. dgl. erhalten werden.
Wenn entschieden wird, dass die Zielvorgabezeit nicht verstrichen
ist (Schritt S5; NEIN), führt der Controller 80 Schritt
S5 wiederholte Male aus. Wenn hingegen entschieden wird, dass die
Zielvorgabezeit verstrichen ist (Schritt S5; JA), stellt der Controller 80 den
verschobenen Betriebspunkt auf den Betriebspunkt vor der Verschiebung
zurück (Schritt S6), womit der Vorgang endet.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann gemäß dem Brennstoffzellensystem
der vorliegenden Ausführungsform die Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators
wieder hergestellt und gleichzeitig die Ausgangsleistungsanforderung
erfüllt werden.
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Es
ist anzumerken, dass gemäß der vorstehenden Beschreibung
im Hinblick auf einen vergifteten Elektrodenkatalysator die Zellenspannung
der Brennstoffzelle 40 auf 0,6 V oder weniger gesteuert wird,
um die Funktion des Katalysators wieder herzustellen, so dass der
Betriebspunkt auf die folgende Weise abgeleitet werden kann.
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Falls
die Brennstoffzelle 40 beispielsweise einen Stack-Aufbau
besitzt, in dem 300 Zellen geschichtet sind, und eine benötigte
Ausgangsleistung 1 kW beträgt, ist der Zielbetriebspunkt
bei einer Einstellung der Zellenspannung auf 0,5 V (< 0,6 V) wie folgt.
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<Zielbetriebspunkt
(Ifc, Vfc)>
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Vfc = 300·0,5 = 150
V (13)
Ifc = 1000/150 = 6,7 A (14)
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Selbst
wenn der ermittelte Zielbetriebspunkt hierbei vor der Verschiebung
nicht auf der IV-Linie liegt, wird der BZ-Strom zusammen mit der
BZ-Spannung gesteuert, um die IV-Charakteristik zu ändern, wodurch
der ermittelte Zielbetriebspunkt auf der IV-Linie positioniert werden
kann.
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B. Modifikation
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- (1) Bei der vorstehenden Ausführungsform
wird die von der Oxidationsgas-Versorgungsquelle 70 zuzuführende
Menge an Oxidationsgas eingestellt, um den BZ-Strom zu steuern.
Es kann jedoch eine von einer Brennstoffgas-Versorgungsquelle 10 zuzuführende
Menge an Brennstoffgas eingestellt werden, um den BZ-Strom zu steuern.
- (2) Falls bei der vorstehenden Ausführungsform erfasst
wird, dass der Elektrodenkatalysator vergiftet ist, wird der Betriebspunkt
der Brennstoffzelle 40 vom Normalbetriebspunkt auf den
Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad verschoben, aber
die Verschiebung des Betriebspunktes kann in zeitlicher Hinsicht
auf die folgende Weise vorgenommen werden.
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Beispielsweise
kann eine Brennstoffzelle während des Betreibens eines
Systems bzw. einer Anlage einmal auf einem Betriebspunkt mit einem
geringeren Wirkungsgrad betrieben werden, und daraufhin kann der
Betriebspunkt auf einen Normalbetriebspunkt verschoben werden, um
einen Betrieb des Systems in einem Zustand durchzuführen,
in dem eine Funktion eines Katalysators stetig verbessert wird.
Wenn eine angeforderte Ausgangsleistung ein vorgegebener Wert oder
weniger (z. B. in der Umgebung eines Leerlaufausgangs o. dgl.) ist,
kann der Betriebspunkt vom Normalbetriebspunkt auf den Betriebspunkt
mit einem geringeren Wirkungsgrad verschoben werden. Ausserdem kann
der Betrieb nach dem Anhalten des Systems auf dem Betriebspunkt mit
einem geringeren Wirkungsgrad durchgeführt werden, um die
während des Betriebs verschlechterte Funktion des Katalysators
als Vorbereitung auf die nächste Betätigung wieder
herzustellen.
- (3) Bei der obigen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 vom
Normalbetriebspunkt auf den Betriebspunkt mit einem geringeren Wirkungsgrad
verschoben wird, um die Funktion des vergifteten Elektrodenkatalysators
wieder herzustellen, aber die vorliegende Erfindung ist auch auf
jeden Fall anwendbar, der einen Aufwärmbetrieb erfordert, beispielsweise
einen Fall, in dem der Aufwärmbetrieb während
des Betreibens bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt
wird, einen Fall, in dem der Aufwärmbetrieb vor dem Anhalten
des Systembetriebs schnell durchgeführt wird, und dergleichen.
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Es
wird nun ein Beispiel beschrieben. Bei Empfang eines Befehls zum
Betreiben des Systems von einem Betriebsschalter o. dgl. erfasst
ein Controller 80 eine Innentemperatur einer Brennstoffzelle 40 unter
Verwendung eines Temperatursensors 50 o. dgl. Der Controller
(Entscheidungseinrichtung) 80 entscheidet, dass der Aufwärmbetrieb
erforderlich ist, falls die Innentemperatur der Brennstoffzelle 40 unter
einer voreingestellten Schwellentemperatur liegt, und die in 4 gezeigte
Betriebspunkt-Verschiebungsverarbeitung wird ausgeführt.
Der anschliessende Betrieb ist ähnlich wie bei der vorliegenden
Ausführungsform, weshalb auf eine Beschreibung davon verzichtet
wird. Es ist anzumerken, dass statt des Temperatursensors 50 ein
Temperatursensor zum Erfassen einer Aussenlufttemperatur, ein Temperatursensor
zum Erfassen der Temperatur eines durch einen Kühlmechanismus
(nicht gezeigt) strömenden Kühlmittels o. dgl.
verwendet werden kann.
- (4) Bei der vorstehenden
Ausführungsform wurde ein Aufbau, bei dem ein Ausgabeende
der Brennstoffzelle mit dem Inverter 110 für den
Fahrmotor verbunden ist, als Beispiel beschrieben. Wie jedoch in 6 gezeigt
ist, kann beispielsweise ein Ausgabeende einer Batterie 60 mit
dem Inverter 110 für den Fahrmotor verbunden sein.
Es wird angemerkt, dass Komponenten in einem in 6 gezeigten
Brennstoffzellensystem 100', die den Komponenten des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems 100 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind, und dass auf eine ausführliche Beschreibung
davon verzichtet wird. Ausserdem wurde bei der vorstehenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Hybrid-Leistungsquellensystem, das
die Brennstoffzelle 40 und die Batterie 60 enthält,
als Beispiel beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist auch
auf ein Leistungsquellensystem anwendbar, das nur die Brennstoffzelle 40 enthält.
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem ein vergifteter
Elektrodenkatalysator saniert und gleichzeitig eine Ausgangsleistungsanforderung
erfüllt werden kann. Wenn ein Controller erfasst, dass
ein Elektrodenkatalysator vergiftet ist, ermittelt der Controller
einen Zielbetriebspunkt, der dazu geeignet ist, eine Funktion des
vergifteten Elektrodenkatalysators wieder herzustellen, um eine
Verschiebung eines Betriebspunktes so durchzuführen, dass
die Ausgangsleistung konstant gehalten wird. Insbesondere wird eine
BZ-Spannung unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers gesteuert, und
eine Menge eines von einer Oxidationsgas-Versorgungsquelle zuzuführenden
Oxidationsgases wird eingestellt, wodurch ein BZ-Strom gesteuert
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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