DE112007000141T5 - Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und in einem Brennstoffzellensystem verwendete Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses einer Zelle - Google Patents

Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und in einem Brennstoffzellensystem verwendete Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses einer Zelle Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird;
Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle zum Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird; und
Mittel zum Erhöhen der Gasmenge zum Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, die zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und eine in einem Brennstoffzellensystem verwendete Vorrichtung zur stöchiometrischen Berechnung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsur. JP-A-8-315843 offenbart eine Brennstoffzelle, in der der Anodenseite solange Gas zugeführt wird, bis die Spannung einen festgelegten Wert übersteigt und bei der, nach dem Entfernen von stehendem Wasser, die Zufuhr einer äußeren Belastung mit elektrischem Strom gestartet wird.
  • In dem vorstehend genannten Stand der Technik gibt es jedoch Fälle, da eine Blockade des Strömungsdurchlasses der Anode der einzige Grund ist, der dafür in Betracht gezogen wird, dass sich die Spannung unterhalb eines festgelegten Werts befindet, in denen der Start aus anderen Gründen Zeit braucht.
  • Wenn unterhalb des Gefrierpunkts angefahren wird, gibt es Fälle, in denen das während der vorhergehenden Betriebsdauer erzeugte Wasser innerhalb der Brennstoffzelle einfriert und den Gasdurchlass innerhalb der Brennstoffzelle blockiert. Da der Strom des Gases behindert ist, fällt die Spannung der Brennstoffzelle in diesem Fall ab, wodurch es schwierig wird, einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle zu erreichen. Aus diesem Grund ist ein langes Aufwärmen erforderlich, wodurch es schwierig wird, schnell in einen normalen Betrieb überzugehen.
  • Selbst wenn versucht wird, zu bestimmen, ob ein Gefrieren des Strömungsdurchlasses für das Gas bei einer niedrigen Temperatur vorliegt oder nicht, wenn der Strömungsdurchlass in nur einigen Zellen blockiert ist, liegt nahezu kein Einfluss auf den Druckverlust des Gases vor. Aus diesem Grund ist es schwer zu bestimmen, ob der Strömungsdurchlass blockiert ist.
  • Wenn die Blockade des Strömungsdurchlasses weitere Unzulänglichkeiten bei der Gaszufuhr verursacht, besteht das Problem der Erzeugung einer negativen Spannung. In diesem Fall ist es schwer zu beurteilen, ob der Grund für die negative Spannung eine unzulängliche Zufuhr von Anodengas oder eine unzulängliche Zufuhr von Kathodengas ist. Besonders in dem Fall einer unzulänglichen Zufuhr von Anodengas besteht das Problem einer Verschlechterung der Elektrolytmembran, der Katalysatorschicht oder dergleichen durch die negative Spannung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen stabilen Aufwärmvorgang einer Brennstoffzelle vorzusehen und gleichzeitig eine durch unzulängliche Gaszufuhr beim Starten der Brennstoffzelle verursachte Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
  • Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem schließt eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird, Mittel zum Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle beim Starten der Brennstoffzelle und Mittel zum Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb eines festgelegten Werts abfällt, ein.
  • Das Brennstoffzellensystem kann verwendet werden, wenn die Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur startet. Das System kann besonders eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Einheitszellen, denen ein bestimmtes Gas zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird, Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle bei Starten der Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur und Mittel zum Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb eines festgelegten Werts abfällt, einschließen.
  • In dem Brennstoffzellensystem schließt das Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle Mittel zum Erfassen einer Zellenspannung von jeder Einheitszelle, Mittel zum Berechnen einer mittleren Zellenspannung durch Mitteln der Zellenspannungen von jeder Einheitszelle, Mittel zum Ändern des stöchiometrischen Verhältnisses des der Brennstoffzelle zugeführten, bestimmten Gases, das von einem Referenzwert geändert wird, Mittel zum Erfassen einer Annäherungsgleichung, die eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wiedergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert geändert wird, und Mittel zum Berechnen der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert auf einen festgelegten Wert geändert wird, ein. Das Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle kann das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung unter Verwenden der Annäherungsgleichung berechnen.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ferner Mittel zum Berechnen einer Strömungsgeschwindigkeit des bestimmten Gases für jede Einheitszelle auf Basis des für jede Einheitszelle berechneten stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle einschließen.
  • Die Mittel zum Erhöhen einer Gasmenge können Mittel zum Berechnen eines minimalen Werts für das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für das bestimmte Gas oder die Strömungsgeschwindigkeit des bestimmten Gases, die in jeder Einheitszelle berechnet wird, und Mittel zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des bestimm ten Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird einschließen, so dass der minimale Wert nicht unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ferner Mittel zum Erfassen einer Innentemperatur der Brennstoffzelle und Mittel zum Korrigieren der Zellenspannung auf Basis der Innentemperatur aufweisen.
  • Das Mittel zum Erfassen einer Innentemperatur kann die Innentemperatur auf Basis der Temperatur des Kühlwassers erfassen, das um die Brennstoffzelle zirkuliert.
  • Das Mittel zum Erfassen einer Innentemperatur erfasst die Innentemperatur auf Basis der zum Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle erzeugten Energie und einer Menge des in der Brennstoffzelle erzeugten Stroms.
  • Wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle berechnet wird, können ferner Mittel zum Einstellen einer Belastung, in der die Belastung der Brennstoffzelle auf einen kleineren Wert eingestellt wird, als die Belastung zum Zeitpunkt des Normalbetriebs, in dem Aspekt eingeschlossen sein.
  • Das Mittel zum Erhöhen der Menge des Gases kann nach dem Übergang des Betriebs der Brennstoffzelle in den Normalbetrieb solange um das Verhältnis der Zunahme vor dem Übergang in den Normalzustand erhöht werden, bis die Temperatur der Brennstoffzelle den Gefrierpunkt übersteigt.
  • Das Mittel zum Erhöhen der Menge des Gases kann nach dem Anstieg der Temperatur der Brennstoffzelle auf oberhalb des Gefrierpunkts verringert werden.
  • Das bestimmte Gas ist das erste Gas, das Wasserstoff enthält, und das zweite Gas, das Sauerstoff enthält, und das Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle berechnet nach der Berechnung des stöchiometrischen Verhält nisses der Zelle für das erste Gas für jede Einheitszelle ein stöchiometrische Verhältnis der Zelle für das zweite Gas für jede Einheitszelle.
  • Der zweite Aspekt der vorlegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren schließt das Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle beim Starten der Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird, und das Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird ein, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  • Das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems kann auch den Zeitpunkt verwenden, zu dem die Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur startet. Das Verfahren kann besonders das Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle beim Starten der Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zur Erzeugung von Energie zugeführt wird, bei einer niedrigen Temperatur und das Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt, einschließen.
  • Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle berechnet, das für ein Brennstoffzellensystem verwendet wird. Die Vorrichtung schließt Mittel zum Erfassen einer Zellenspannung von Einheitszellen einer Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen aufweist und der ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von elektrischem Strom zugeführt wird, Mittel zum Berechnen der mittleren Zellenspannung durch Mitteln der Zellenspannungen jeder Einheitszelle, Mittel zum Ändern des stöchiometrischen Verhältnisses des der Brennstoffzelle zugeführten, bestimmten Gases, das von einem Referenzwert geändert wird, Mittel zum Erfassen einer Annäherungsgleichung, die eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und der Änderungsrate der mittleren Zel lenspannung wiedergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert geändert wird, und Mittel zum Berechnen der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert auf einen festgelegten Wert geändert wird, ein. Das Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle berechnet das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung unter Verwenden der Annäherungsgleichung.
  • Die Vorrichtung, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle berechnet, kann ferner Mittel zum Erfassen einer Innentemperatur der Brennstoffzelle und Mittel zum Korrigieren der Zellenspannung auf Basis der Innentemperatur einschließen.
  • Die Vorrichtung, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle berechnet, kann ferner Mittel zum Einstellen einer Belastung der Brennstoffzelle auf einen kleineren Wert als denjenigen der Belastung zum Zeitpunkt des Normalbetriebs einschließen.
  • Die Vorrichtung, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle berechnet, kann ferner erste Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das erste Gas des bestimmten Gases, das Wasserstoff einschließt, für jede Einheitszelle und zweite Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das zweite Gas des bestimmten Gases, das Sauerstoff einschließt, für jede Einheitszelle einschließen.
  • Da der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung die Menge an bestimmtem Gas erhöht, die in dem Fall zugeführt wird, in dem das für jede Einheitszelle berechnete stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb eines festgelegten Werts liegt, selbst wenn der Durchlass für das Brenngas infolge des Gefrierens blockiert ist, unterdrückt er eine Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und ermöglicht einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle. Der erste Aspekt verkürzt auch die zum Aufwärmen der Brennstoffzelle erforderliche Zeit und kann eine Verschlechterung der Brennstoffzelle infolge einer unzulänglichen Zufuhr des Gases unterdrücken.
  • Es ist möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle auf Basis einer Annäherungsgleichung zu bestimmen, die die Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des bestimmten Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, und der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wiedergibt. Auf Basis des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle ist es daher möglich, zu erfassen, bei welchen Einheitszellen die Strömungsdurchlässe blockiert sind, und auf Basis des stöchiometrischen Verhältnisses ist es möglich, die Menge des zugeführten bestimmten Gases zu erhöhen.
  • Da es möglich ist, die Durchflussmenge des bestimmten Gases für jede Einheitszelle auf Basis des für jede Einheitszelle berechneten stöchiometrischen Verhältnisses zu berechnen, ist es möglich, diejenigen Einheitszelle zu erfassen, deren Strömungsdurchlässe durch Einfrieren blockiert sind, und auf Basis der Durchflussmenge des bestimmten Gases für jede Einheitszelle ist es möglich, die Menge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, zu erhöhen.
  • Da die Durchflussmenge des der Brennstoffzelle zugeführten bestimmten Gases so gesteuert wird, dass der minimale Wert der Durchflussmenge oder das stöchiometrische Verhältnis des bestimmten Gases oberhalb eines festgelegtem Schwellenwerts liegt, ist es möglich, eine Abnahme der Ausgangsleistung jeder Einheitszelle zuverlässig zu unterdrücken. Daher ist ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle, wenn sie bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird, möglich.
  • Da die Zellenspannung auf Basis der Innentemperatur der Brennstoffzelle korrigiert wird, ist es möglich, den Einfluss eines Temperaturanstiegs in der Brennstoffzelle auf die Zellenspannung zu unterdrücken, wenn sie bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird. Daher ist das Bestimmen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle mit hoher Genauigkeit möglich.
  • Da die Belastung der Brennstoffzelle auf einen kleineren Wert als denjenigen der Belastung bei Normalbetrieb eingestellt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle berechnet wird, ist es möglich, eine Verschlechterung des Films infolge einer negativen Spannung zu unterdrücken, selbst wenn einem Teil der Zelle nur unzulänglich Gas zugeführt wird.
  • Nach dem Übergang des Betriebs der Brennstoffzelle in den Normalbetrieb ist es, da die Menge des zugeführten bestimmten Gases solange um das Verhältnis der Zunahme vor dem Übergang in den Normalbetrieb erhöht wird, bis die Temperatur der Brennstoffzelle den Gefrierpunkt übersteigt, möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle der Einheitszellen, die infolge des Einfrierens eine Blockade des Strömungsdurchlasses aufweisen, zu erhöhen, so dass es möglich ist, eine Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle zu unterdrücken.
  • Da das Erhöhen der Menge des zugeführten bestimmten Gases nach Ansteigen der Brennstoffzelle auf oberhalb des Gefrierpunkts gestoppt wird, ist es möglich, die Brennstoffzelle mit der minimalen Menge an Gas, die bei den Betriebsbedingungen reagiert, zu betreiben.
  • Da eine unzulängliche Zufuhr des ersten Gases, das Wasserstoff einschließt, eintritt, wenn ein hoher Grad an Blockade des Strömungspfads vorliegt, ist es durch Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses des ersten Gases und Erhöhen der Durchflussmenge des ersten Gases möglich, die Strömungsdurchlässe für das erste Gas aufzuwärmen, wodurch eine Verkürzung der Aufwärmzeit möglich wird. Wenn die Zufuhr des ersten Gases unzulänglich ist, ist es aufgrund der Verschlechterung der Brennstoffzelle infolge einer negativen Spannung durch zunächst Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das erste Gas auch möglich, schnell eine Unzulänglichkeit in der Zufuhr des ersten Gases zu erkennen. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle aufgrund einer negativen Spannung zu unterdrücken.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen zum Darstellen gleicher Elemente verwendet werden und in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2A und 2B schematische Darstellungen sind, die die Einzelheiten des Durchlasses für das Anodengas, des Durchlasses für das Kathodengas und der Verbindungsteile zu jedem Stapel zeigen;
  • 3 eine schematische Darstellung ist, die den Aufbau jeder Einheitszelle und des umgebenden Bereichs in der Draufsicht zeigt;
  • 4 die Kenndaten zeigt, die die Beziehung zwischen der Durchflussmenge des einer Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases und der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle angeben;
  • 5 ein Graph ist, der die Kenndaten zeigt, die die Beziehung zwischen der Änderungsrate der mittleren Spannung jeder Einheitszelle und der Durchflussmenge des Kathodengases angeben;
  • 6 eine schematische Darstellung ist, die die Ergebnisse der Berechnung der Duchflussmenge des Kathodengases (stöchiometrisches Verhältnis) in jeder Einheitszelle (Nr. 1 bis Nr. 400) einer Brennstoffzelle zeigt;
  • 7A bis 7D Ablaufdiagramme sind, die die zum Zeitpunkt des Anfahrens des Brennstoffzellensystems durchgeführte Ablaufsteuerung zeigen;
  • 8 ein Graph ist, der Kenndaten zeigt, die die Beziehung zwischen der Temperatur einer Brennstoffzelle und der Zellenspannung angeben;
  • 9A und 9B Flussdiagramme sind, die das Verfahren der Ablaufsteuerung in dem Brennstoffzellensystem zeigen.
  • Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren sind im Folgenden Ausführungsformen der vorlegenden Erfindung beschrieben. Gemeinsame Elemente in jeder Figur sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hierin nicht wiederholt beschrieben. Es wird verstanden, dass die folgende Beschreibung der Ausführungsformen die Erfindung nicht einschränkt.
  • Nun wird der Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist zum Beispiel in einem Fahrzeug mit Brennstoffzellensystem eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 12 auf. In dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelle (FC) eine Brennstoffzelle (PEMFC) mit einer Festpolymer-Trennmembran und ist aus zwei Brennstoffzellenstapeln (Stapel 12a und Stapel 12b) gebildet.
  • Jeder Stapel 12a und 12b ist aus einer Vielzahl laminierter Einheitszellen gebildet, die aus Anoden, Kathoden und Separatoren gebildet sind. In 1 und 2 gibt der Pfeil A die Richtung der Laminierung der Einheitszellen an. In dieser Ausführungsform ist jeder Stapel 12a und 12b aus 200 Einheitszellen gebildet.
  • Die in den Einheitszellen vorgesehene Elektrolytmembran ist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran, die zum Beispiel aus einem fluorbasierten Festpolymermaterial gebildet ist. Die Anode und die Kathode sind aus Kohlenstofftuch, das aus Kohlenstofffaser hergestellt ist, gebildet und weisen eine Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht auf. Der Separator ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, das gasundurchlässig ist und durch Komprimieren von Kohlenstoff unter Bilden eines dichten Kohlenstoffs, der gasundurchlässig ist, gebildet wird. Benachbarte Einheitszellen sind so laminiert, dass die Anode von einer Zelle der Kathode der anderen Zelle gegenüberliegt, wobei ein Separator zwischen denselben angeordnet ist.
  • Wie in 1 gezeigt, führen der Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas und der Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas in die Brennstoffzelle 12. Der Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas ist mit einem Hochdruckwasserstoffbehälter 18 verbunden und wasserstoffreiches Anodengas wird aus dem Wasserstoffbehälter 18 zu den Anoden jedes Stapels 12a und 12b geleitet. Der Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas ist mit einem Regler 20 stromabwärtig von dem Wasserstoffbehälter 18 versehen. Der Regler 20 regelt den Druck des Anodengases am Eingang der Brennstoffzelle 12 auf einen geeigrieten Druck, der gefordert wird. Ein Drucksensor 22 ist mit dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas stromabwärtig von dem Regler 20 verbunden.
  • In dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas ist eine Pumpe 24 vorgesehen, wobei die Pumpe 24 so angesteuert wird, dass sie Kathodengas, das Sauerstoff enthält, als oxidierendes Gas zu den Kathoden in jedem Stapel 12a und 12b leitet.
  • Die 2A und 2B sind schematische Darstellungen, die die Einzelheiten der Verbindungsteile zwischen dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas und dem entsprechenden Stapel 12a und 12b zeigen. Die 2A zeigt den Verbindungsteil zwischen dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas und den Stapeln 12a und 12b. Wie in 2A gezeigt, ist der Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas über das Trennrohr 26 mit jedem Stapel 12a und 12b verbunden. Das Trennrohr 26 besitzt die Funktion, das von dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas zu dem Stapel 12a und dem Stapel 12b geleitete Anodengas aufzuteilen.
  • 2B zeigt den Verbindungsteil zwischen dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas und den Stapeln 12a und 12b. Wie in 2B gezeigt, ist der Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas über das Trennrohr 28 mit den Stapeln 12a und 12b verbunden. Das Trennrohr 28 besitzt die Funktion, das von dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas zu den Stapeln 12a und 12b geleitete Kathodengas aufzuteilen.
  • Die 2A und 2B zeigen die Positionen der 400 Einheitszellen der Stapel 12a und 12b. Wie in den 2A und 2B gezeigt, sind die Zellen mit den Zellnummern Nr. 1, Nr. 200 in dem Stapel 12a vorgesehen und die Zellen mit den Zellnummern Nr. 201 bis Nr. 400 in dem Stapel 12b. Im Stapel 12a ist die Zellnummer Nr. 1 an der Seite angeordnet, die dem Ende gegenüberliegt, an dem die Trennrohre 26, 28 verbunden sind, wobei die Zellnummern zu den Trennrohren 26, 28 zunehmen und die Nummer der Zelle, die den Trennrohren 26, 29 am nächsten ist, Nr. 200 ist. Im Gegensatz dazu ist im Stapel 12b die Zelle mit der Zellnummer Nr. 201 an der Seite angeordnet, an der die Trennrohre 26, 28 verbunden sind und die Zellnummern nehmen von den Trennrohren 26, 28 weggehend zu, wobei die Zellnummer Nr. 400 von den Trennrohren 26, 28 am weitesten entfernt ist.
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die den Bereich in der Draufsicht zeigt, der jede Einheitszelle umgibt, wobei das Innere von jedem Stapel 12a und 12b aus der Richtung der Laminierung der Einheitszellen betrachtet wird. Das heißt, dass 3 schematisch den Querschnitt in einer Richtung zeigt, die die Richtung der Laminierung der Zellen schneidet und zum Beispiel dem Querschnitt entlang der in 2A gezeigten Strich-Punkt-Linie III-III entspricht.
  • Wie in 3 gezeigt, ist jede Einheitszelle mit einem Strömungsdurchlass 30 für das Anodengas und einem Strömungsdurchlass 32 für das Kathodengas versehen. Da die Strömungsdurchlässe 30, 32 so vorgesehen sind, dass sie in der Richtung der Laminierung der Einheitszellen überlappen, sind die Strömungsdurchlässe 30, 32 in 3 einfach als gestrichelte Linien gezeigt. Wie in 3 gezeigt, erstrecken sich die Strömungsdurchlässe 30, 32 in einer geraden Linie von einem Ende zum anderen Ende der Zellen.
  • An jedem Ende der Strömungsdurchlässe 30, 32 sind die Trennabschnitte 34, 35, die getrennt voneinander mit jedem Strömungsdurchlass 30, 32 verbunden sind, so vorgesehen, dass sie in der Richtung der Laminierung der Einheitszellen überlappen.
  • Ferner sind die Sammelleitungen 36, 38, 42, 44 an der Außenseite der Trennabschnitte 34, 35 vorgesehen. Die Sammelleitung 36 ist über den Trennabschnitt 34 mit dem Strömungsdurchlass 30 für das Anodengas verbunden. Die Sammelleitung 38 ist über den Trennabschnitt 35 mit dem Strömungsdurchlass 32 für das Kathodengas verbunden. Die Sammelleitungen 36, 38 und die Sammelleitungen 42, 44, die nachfolgend beschrieben sind, werden als Löcher bereitgestellt, die sich in der Richtung der Laminierung der Zellen erstrecken. Der Endteil der Sammelleitung 36 ist mit dem Trennrohr 26 und der Endteil der Sammelleitung 38 ist mit dem Trennrohr 28 verbunden.
  • Durch jede Einheitszelle der Brennstoffzelle 12 zirkuliert Kühlmittel. Auf diese Weise wird ein übermäßiger Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 12, der die Erzeugung von elektrischem Strom begleitet, verhindert und die Temperatur der Brennstoffzelle in geeigneter Weise eingestellt.
  • Durch Übernehmen dieses Aufbaus, wird Anodengas, das aus dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas über das Trennrohr 26 zu jedem Stapel 12a und 12b geleitet wird, zur Sammalleitung 36 und aus der Sammelleitung 36 über den Trennabschnitt 34 und den Strömungsdurchlass 30 zu jeder Anode der Einheitszellen geleitet. Auf die gleiche Weise wird Kathodengas, das aus dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas über das Trennrohr 28 zu jedem Stapel 12a, 12b geleitet wird, zur Sammelleitung 38 und von der Sammelleitung 38 über den Trennabschnitt 35 und den Strömungsdurchlass 32 zu den Kathoden jeder Einheitszelle geleitet.
  • Wenn Anodengas zu den Anoden der Brennstoffzelle 12 geleitet wird, werden aus dem in dem Anodengas enthaltenen Wasserstoff Wasserstoffionen erzeugt (H2 → 2H+ + 2e–). Wenn Kathodengas in die Kathoden der Brennstoffzelle 12 geleitet wird, werden aus dem im Kathodengas enthaltenen Sauerstoff Sauerstoffionen erzeugt. Auf diese Weise wird in der Brennstoffzelle 12 elektrischer Strom erzeugt. Gleichzeitig wird an der Kathode aus den oben angegebenen Wasserstoffionen und Sauerstoffionen Wasser erzeugt ((1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O). Beinahe sämtliches Wasser nimmt die in der Brennstoffzelle 12 erzeugte Wärme auf und wird verdampft und als Teil des Kathodenabgases abgeführt.
  • Das aus den Anoden abgeführte Anodenabgas wird, wie in 3 gezeigt, zur Sammelleitung 42 geleitet und, wie in 1 gezeigt, über die Sammelleitung 42 zu dem Strömungsdurchlass 46 für das Abgas geleitet. In dem Strömungsdurchlass 46 für das Abgas ist eine Pumpe 48 vorgesehen und durch Betreiben der Pumpe 48 wird das Anodenabgas wieder in den Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas geführt. Das in den Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas rückgeführte Anodenabgas wird durch Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehälter 18 ergänzt und wieder in die Brennstoffzelle 12 geleitet. Durch Leiten von Anodenabgas in die Brennstoffzelle 12 ist es möglich, eine Reaktion mit dem nicht-reagierten Wasserstoff, das in dem Anodenabgas enthalten ist, in der Brennstoffzelle zu bewirken, wodurch eine Verbesserung der Effizienz der Nutzbarkeit des Wasserstoffs möglich ist. Die Durchflussmenge des in die Brennstoffzelle 12 geleiteten Kathodengases kann durch den Regler 20 und die Pumpe 48 gesteuert werden.
  • Ein Gas-/Flüssigkeitsscheider 50, der den Wassergehalt aus dem Anodenabgas sammelt, ist in dem Strömungsdurchlass 46 für das Anodenabgas vorgesehen. Mit dem Gas-/Flüssigkeitsscheider ist ein Wasserablassventil 52 verbunden. Der durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 50 gesammelte Wassergehalt des Anodenabgases wird durch Öffnen des Wasserablassventils 52 abgeführt.
  • Mit dem Strömungsdurchlass 46 für das Anodenabgas ist stromabwärtig von der Pumpe 48 ein Auslassventil 54 verbunden. Wenn eine große Menge an Verunreinigungsbestandteilen wie Stickstoff (N2) oder dergleichen in dem Anodenkreislauf eingeschlossen ist, der durch den Weg von dem Strömungsdurchlass 46 für das Anodenabgas zu dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas und dann die Brennstoffzelle gebildet wird, wird durch zeitweiliges Öffnen des Auslassventils 54 ein Spülen durchgeführt, um solche Komponenten ausströmen zu lassen.
  • Stromabwärtig an der Position der Verbindung des Auslassventils 54 ist ein Rückschlagventil 56 angeordnet. Das Rückschlagventil 56 besitzt die Funktion, den Strom aus dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas zu der Pumpe 48 zu blockieren.
  • Das aus den Kathoden jeder Einheitszelle abgeführte Abgas wird zu der in 3 gezeigten Sammelleitung 44 geleitet und von der Sammelleitung 44 zu dem in 1 gezeigten Strömungsdurchlass 58 für das Kathodenabgas geleitet. Das Kathodenabgas strömt durch den Strömungsdurchlass 58 für das Kathodenabgas und wird schließlich aus dem Auspufftopf 60 abgeführt. Ein Steuerventil 62, das den Druck des Kathodenabgases abgleicht, und ein Drucksensor 64, der den Druck des Kathodenabgases stromaufwärtig von dem Steuerventil 62 erfasst, sind in dem Strömungsdurchlass 58 für das Kathodenabgas angeordnet. Die Durchflussmenge des in die Brennstoffzelle 12 geleiteten Kathodengases kann durch die Pumpe 24 und das Steuerventil 62 gesteuert werden.
  • Ein Befeuchter 66 ist stromaufwärtig von dem Auspufftopf 60 in dem Strömungsdurchlass 58 für das Kathodenabgas vorgesehen. Der Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas führt in den Befeuchter 66. Der Befeuchter 66 besitzt die Funktion, den in dem in der Brennstoffzelle 12 erzeugten Kathodenabgas enthaltenen Wassergehalt aufzunehmen und das Kathodengas in dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas mit Hilfe des aufgenommen Wassergehalts zu befeuchten.
  • Wie in 1 gezeigt, weist das System dieser Ausführungsform eine ECU (elektronische Steuereinheit) 40 auf. Zum Zweck des Erfassens der Ausgangsleistung (Spannungswert und Stromwert) der Brennstoffzelle 12 und der Temperatur des Kühlwassers und dergleichen sind verschiedene Sensoren (nicht gezeigt) mit der ECU 40 verbunden, um einen Zugriff auf den Betriebszustand des Systems zu erlangen. Mit Hilfe dieser Sensoren ist es möglich, mit der ECU 40 die einzelnen Zellenspannungen von jeder der 400 Einheitszellen der Brennstoffzelle 12 zu erfassen. Die vorstehend beschriebenen Drucksensoren 22, 64, der Regler 20, das Wasserablassventil 52, das Auslassventil 54 und das Steuerventil 62 und dergleichen sind mit der ECU 40 verbunden. Durch Steuern der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12, der verschiedenen Gasdrücke und der verschiedenen Durchflussmengen der Gase kann die ECU 40 die Brennstoffzelle 12 im gewünschten Betriebszustand betreiben.
  • Im Folgenden wird das Verfahren zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses (der Durchflussmenge der Gase) von jeder Einheitszelle beschrieben. Die Brennstoffzelle 12 erzeugt Elektrizität mit Hilfe einer Reaktion in jeder Einheitszelle zwischen dem Wasserstoff im Anodengas und dem Sauerstoff im Kathodengas, wie vorstehend beschrieben wurde. Um die Effizienz der Erzeugung von elektrischem Strom der Brennstoffzelle 12 zu verbessern, ist es daher erforderlich, die Menge an Gas, die jeder Einheitszelle zugeführt wird, genau zu steuern. Wenn bei einer extrem niedrigen Temperatur gestartet wird, gibt es jedoch Fälle, in denen in den Strömungsdurchlässen 30, 32 für das Anodengas und das Kathodengas, den Trennabschnitten 34, 35 und den Sammelleitungen 36, 38, 42, 44 und dergleichen ein Einfrieren auftreten kann. Wenn das Einfrieren eine Blockade der Strömungsdurchlässe 32, 34 verursacht, kann ein Strömen des Gases innerhalb des Strömungsdurchlasses verhindert werden.
  • Aus diesem Grund wird in dieser Ausführungsform das stöchiometrische Verhältnis (die Gasmenge), das jeder Einheitszelle zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle 12 bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird und wenn die Zufuhr des Gases unzulänglich ist, eine Ablaufsteuerung durchgeführt, um die Menge der Gaszufuhr zu erhöhen.
  • Beim Erfassen der Menge des jeder Einheitszelle zugeführten Gases ist ein Verfahren, das ins Auge gefasst werden kann, das, die Menge des zugeführten Gases auf Basis der Zellenspannung jeder Einheitszelle vorherzusagen. Da die Zellenspannung gemäß anderer Faktoren als der Menge des Gases variiert, bestehen jedoch Schwierigkeiten, die Menge an jeder Zelle zugeführtem Gas auf Basis der Zellenspannung vorherzusagen.
  • Wenn zum Beispiel in einer gegebenen Einheitszelle irgendetwas eine Verschlechterung der Elektrolytmembran oder der Katalysatorschicht und der Diffusionsschicht, die die Anode und die Kathode bilden, verursacht hat, fällt die Zellenspannung selbst dann, wenn die Menge des der Einheitszelle zugeführten Gases auf einem geeigneten Wert gehalten wird, ab. Wenn sich Verunreinigungen an den Strömungsdurchlässen 30, 32 oder dergleichen der Anode und der Kathode angelagert haben, fällt die Zellenspannung selbst dann ab, wenn die Menge des zugeführten Gases einen geeigneten Wert aufweist.
  • Aufgrund einer Entscheidung auf Basis der Zellenspannung ist es daher schwierig, durch die Menge des zugeführten Gases verursachte Änderungen der Zellenspannung und eine durch andere Faktoren verursachte Änderung der Zellenspannung voneinander zu trennen, wodurch es schwierig wird, die Menge des jeder Einheitszelle zugeführten Gases auf Basis der Zellenspannung genau zu erfassen.
  • Ausgehend von den obigen Ausführungen berechnet diese Ausführungsform die Menge des jeder Einheitszelle zugeführten Gases auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle. Das Verfahren zum Bestimmen der Menge des jeder Einheitszelle zugeführten Gases auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung wird nachfolgend ausführlich beschrieben. In dieser Beschreibung ist das Verfahren dasjenige zum Bestimmen der Menge des jeder Einheitszelle zugeführten Kathodengases, obwohl es alternativ möglich ist, die Bestimmung mit Hilfe eines ähnlichen Verfahren in Bezug auf die Menge des zugeführten Anodengases durchzuführen.
  • 4 zeigt die Kenndaten, die die Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Kathodengases und der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 angeben, wobei diese Kenndaten durch tatsächliche Messungen während des Betriebs der Brennstoffzelle 12 erfasst werden.
  • In 4 gibt die horizontale Achse das stöchiometrische Verhältnis des in dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas strömenden Kathodengases an. Das stöchiometrische Verhältnis ist das Verhältnis der tatsächlichen Durchflussmenge des Kathodengases in Bezug auf den theoretischen Wert der Durchflussmenge des Kathodengases. Der theoretische Wert der Durchflussmenge des Kathodengases ist ein Wert, der auf Basis der Fahrbelastung der Brennstoffzelle 12 berechnet wird. Das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases im Bereich hoher Stromdichte beträgt normalerweise annähernd 1,2 bis 1,5 und durch Erhöhen der tatsächlichen Durchflussmenge des Kathodengases auf mehr als den theoretischen Wert ist es möglich, die Brennstoffzelle 12 stabil zu betreiben.
  • Die vertikale Achse in 4 gibt den mittleren Wert der Zellenspannung (mittlere Zellenspannung) aller Einheitszellen der Brennstoffzelle 12 wieder. Wie vorstehend beschrieben, kann die ECU 40 die Zellenspannung jeder Einheitszelle erfassen und durch Mitteln dieser Zellenspannung die mittlere Zellenspannung bestimmen.
  • Bei Erhalten der in 4 gezeigten Kenndaten wird die Durchflussmenge des Anodengases in dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas auf einem konstanten Wert gehalten. Wenn die in 4 gezeigten Kenndaten erhalten werden, wird die mittlere Zellenspannung (Referenzspannung V0) zunächst in einem Zustand erfasst, in dem das stöchiometrische Verhältnis auf das stöchiometrische Verhältnis S0 als Referenz eingestellt ist. Anschließend wird das stöchiometrische Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis S0 als Referenz verringert und die mittlere Zellenspannung bei den verschiedenen stöchiometrischen Verhältnissen S1, S2 und S3 erfasst.
  • Wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis S0 als Referenz verringert wird, nimmt die Durchflussmenge des Kathodengases ab und da die Reaktionsmenge in der Brennstoffzelle 12 abnimmt, nimmt die mittlere Zellenspannung von der Referenzspannung V0 ab. Wie in 4 gezeigt, wird die mittlere Zellenspannung, wenn das stöchiometrische Verhältnis von S0 af S1 verringert wird, zu V1 und das Ausmaß der Änderung ΔV1 der mittleren Zellenspannung von der Referenzspannung V0 beträgt (V0–V1). In gleicher Weise wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis von S0 auf S2 verringert wird, die mittlere Zellenspannung zu V2 und das Ausmaß der Änderung der mittleren Zellenspannung zu ΔV2 (= V0–V2). Wenn das stöchiometrische Verhältnis von S0 auf S3 verringert wird, wird die mittlere Zellenspannung V3 und das Ausmaß der Änderung der mittleren Zellenspannung beträgt ΔV3 (= V0–V3). Auf diese Weise nimmt das Ausmaß der Änderung der mittleren Zellenspannung umso mehr zu, je mehr das stöchiometrische Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis S0 als Referenz verringert wird.
  • 5 zeigt die Kenndaten, die die Beziehung zwischen der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung und dem stöchiometrischen Verhältnis (Annäherung) angeben, wobei diese auf Basis der in 4 gezeigten Kenndaten erhalten werden. In 5 gibt die horizontale Achse die Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wieder. Die Änderungsrate der mittleren Zellenspannung (zum Beispiel bei jedem der stöchiometrischen Verhältnisse S1, S2 und S3 in 4) kann durch Teilen der jeweiligen Ausmaße der Änderungen ΔV1, ΔV2 und ΔV3 der mittleren Zellenspannung durch die Referenzspannung V0 bestimmt werden. Das heißt, dass die Änderungsrate der Spannung bei dem stöchiometrischen Verhältnis S1 ΔV1/V0, die Änderungsrate der Spannung bei dem stöchiometrischen Verhältnis S2 ΔV2/V0 und die Änderungsrate der Spannung bei dem stöchiometrischen Verhältnis S3 ΔV3/V0 ist. Die in 5 verwendete Annäherungsgleichung wird durch Abbilden der Änderungsrate der Spannung bei jedem stöchiometrischen Verhältnis S1, S2 und S3 und Verbinden derselben durch eine Annäherungskurve (gerade Linie) erhalten.
  • Die in 5 gezeigten Kenndaten geben eindeutig die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Spannung der Einheitszellen und dem stöchiometrischen Verhältnis des Kathodengases an. Wenn die Änderungsrate der Zellenspannung für jede Einheitszelle bestimmt wird, ist es daher möglich, das stöchiometrische Verhältnis für jede Einheitszelle (das stöchiometrische Verhältnis des in jeder Einheitszelle strömenden Kathodengases) auf Basis der Änderungsrate der Spannung zu bestimmen.
  • Die Zellenspannung in jeder Einheitszelle ändert sich durch Ändern des stöchiometrischen Verhältnisses des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Kathodengases. Aus dem Ausmaß der Änderung der Zellenspannung jeder Einheitszelle ist es daher, wenn das stöchiometrische Verhältnis geändert wird, möglich, die Änderungsrate der Spannung der Zellenspannung zu bestimmen.
  • Das Verfahren zum Bestimmen der Änderungsrate der Zellenspannung in jeder Einheitszelle ist im Folgenden beschrieben. Beim Bestimmen der Änderungsrate der Spannung von jeder Einheitszelle wird das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases in dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas zunächst auf das stöchiometrische Verhältnis S0 als Referenz, das unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, eingestellt und die Referenzspannung V0(n) in jeder Einheitszelle bei dieser Bedingung bestimmt. Anschließend wird das stöchiometrische Verhältnis in dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas von dem stöchiometrischen Verhältnis S0 als Referenz auf das stöchiometrische Verhältnis SA zum Zeitpunkt des Normalbetriebs verringert. Bei der Bedingung eines stöchiometrischen Verhältnisses wie SA wird die Zellenspannung VA (n) in jeder Einheitszelle bestimmt. Dadurch wird das Ausmaß der Änderung der Zellenspannung (V0(n)–VA(n)), wenn das stöchiometrische Verhältnis von S0 auf SA geändert wird, bestimmt und durch Teilen dieses Ausmaßes der Änderung (V0(n)–VA(n)) durch die Referenzspannung VA(n) ist es möglich, die Änderungsrate P(n) der Zellenspannung jeder Einheitszelle zu bestimmen. Das heißt, dass die Änderungsrate der Spannung P(n) durch die folgende Gleichung bestimmt wird. P(n) = (V0(n)–VA(n))/V0(n) (1)
  • In der vorstehenden Gleichung ist n die Zellennummer.
  • Die auf diese Weise bestimmte Änderungsrate P(n) der Zellenspannung jeder Einheitszelle wird für die Kenndaten (horizontale Achse) der 5 angewendet. Somit ist es möglich, das stöchiometrische Verhältnis (das stöchiometrische Verhältnis der Zelle) des Kathodengases in jeder Einheitszelle zu bestimmen.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird der theoretische Wert für die von der Brennstoffzelle 12 erforderliche Durchflussmenge des Kathodengases auf Basis der Belastung der Brennstoffzelle 12 berechnet und auf dieser Basis werden die theoretischen Werte für die Durchflussmengen des Kathodengases in jeder einzelnen Einheitszelle berechnet. Wenn die tatsächlichen stöchiometrischen Verhältnisse der Zelle für jede Einheitszelle aus den in 5 gezeigten Kenndaten bestimmt werden, ist es daher durch Multiplizieren derselben mit den theoretischen Durchflussmengen des Kathodengases für jede Einheitszelle möglich, die tatsächlichen Durchflussmengen des Kathodengases für jede Einheitszelle zu bestimmen.
  • Unter der Annahme der Zufuhr eines gleichförmigen Kathodengases in jede Einheitszelle ist der theoretische Wert für die Durchflussmenge des Kathodengases in jeder Einheitszelle auch der theoretische Werte für die Menge des der gesamten Brennstoffzelle 12 zugeführten Kathodengases geteilt durch die Anzahl der Zellen.
  • Auf diese Weise ist es gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle und die Durchflussmenge des Kathodengases für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle zu bestimmen. Es ist daher möglich zu beurteilen, ob eine gute Zufuhr des Kathodengases zu jeder einzelnen Einheitszelle gegeben ist oder nicht.
  • In dem Verfahren dieser Ausführungsform wird die Änderungsrate der Zellenspannung durch Teilen des Ausmaßes der Änderung der Spannung von der Referenzspannung V0 durch die Referenz V0 berechnet. Aus diesem Grund hat, selbst wenn eine durch andere Faktoren als die Menge des zugeführten Gases, wie zum Beispiel eine Verschlechterung der Elektrolytfolie, der Diffusionsschicht oder der Katalysatorschicht, die die Anode und die Kathode bilden, oder Kurzschließen oder das Einbringen von Verunreinigungen in die Strömungsdurchlässe, verursachte Änderung der Zellenspannung vorhanden ist, diese Änderung keinen Einfluss. Gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform ist es daher möglich, das stöchiometrische Verhältnis und die Durchflussmenge des Kathodengases mit guter Genauigkeit für jede Einheitszelle bei einer Bedingung, die solche Faktoren ausschließt, zu messen.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die die Ergebnisse der Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses (der Durchflussmenge des Kathodengases) unter Verwenden des vorstehend beschriebenen Verfahrens für jede Einheitszelle (Nr. 1 bis Nr. 400) der Brennstoffzelle 12 zeigt. In 6 gibt die horizontale Achse die Zellnummer und die vertikale Achse das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Kathodengases) wieder.
  • In den in 6 gezeigten Ergebnissen ist das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Kathodengases) bei jeder Einheitszelle (Nr. 201 bis Nr. 400) des Stapels 12b im Wesentlichen gleichförmig. Bei den Einheitszellen (Nr. 1 bis Nr. 200) des Stapels 12a findet sich jedoch eine Abnahme des stöchiometrischen Verhältnisses (der Durchflussmenge des Kathodengases) der Zellen mit relativ kleinen Nummern Nr. 26, Nr. 59, Nr. 87 im Vergleich zu den anderen Zellen. Daher ist es möglich zu beurteilen, dass eine Abnahme der Menge des diesen Zellen zugeführten Gases (des stöchiometrischen Verhältnisses) vorliegt.
  • Um die Brennstoffzelle 12 stabil zu betreiben, ist es notwendig, den Betrieb so auszuführen, dass das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Kathodengases) in jeder Einheitszelle oberhalb des in 6 gezeigten, limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) liegt. Da es möglich ist, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) in jeder Einheitszelle mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ist es gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform durch Zuführen von Gas auf eine solche Weise, dass der minimale Wert für das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für jede Einheitszelle immer größer als das limitierende stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die limitierende Durchflussmenge der Zelle) ist, möglich, die Brennstoffzelle 12 stabil zu betreiben.
  • Nun wird der Aufwärmvorgang von einer niedrigen Temperatur beschrieben. Bei Anfahren bei einer niedrigen Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts kann angenommen werden, dass der Wassergehalt und dergleichen, die in der Brennstoffzelle 12 zum letzten Zeitpunkt des Betriebs erzeugt wurden, in der Brennstoffzelle 12, in der sie bleiben, eingefroren sind. Unter Verwenden des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für jede Einheitszelle in dieser Ausführungsform bestimmt, wenn bei einer niedrigen Temperatur angefahren wird, und es wird beurteilt, in welchen Einheitszellen sich das stöchiometrische Verhältnis verringert hat.
  • Wenn bei einer niedrigen Temperatur angefahren wird, ist es in den Einheitszellen, in denen sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle verringert hat, möglich, anzunehmen, dass das Einfrieren eine Blockade der Strömungsdurchlässe 30, 32 verursacht hat. In diesem Fall ist die Menge der Gaszufuhr ebenso erhöht, so dass das stöchiometrische Verhältnis (die Durchflussmenge des Gases) für die Einheitszellen, die das am meisten verringerte stöchiometrische Verhältnis zeigen, am oder oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) liegt, so dass die Brennstoffzelle 12 stabil betrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle aller Einheitszellen auf oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle zu erhöhen und ein Verhindern eines Spannungsabfalls in der Brennstoffzelle 12 zu ermöglichen.
  • Die 7A bis 7D sind Ablaufdiagramme, die die beim Anfahren des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführte Ablaufsteuerung zeigen. Wenn bei einer niedrigen Temperatur angefahren wird, erfolgt das Starten des Brennstoffzellensystems 10 bei t0, wo der Aufwärmvorgang durchgeführt wird. Der Betrieb geht zum Zeitpunkt t7 in den Normalbetrieb über, wo die Brennstoffzelle 12 in geeigneter Weise gestartet wird. In dieser Ausführungsform wird während der Dauer vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t7 beurteilt, ob die Strömungsdurchlässe 30, 32 jeder Einheitszelle eingefroren und durch Einfrieren blockiert sind oder nicht und es wird eine Ablaufsteuerung ausgeführt, um die Gasmenge zu erhöhen, wenn die Durchlässe blockiert sind.
  • 7A zeigt die Belastung der Brennstoffzelle 12 die nach dem Starten eingestellt wird. Im Beispiel von 7A wird die Last nach dem Startzeitpunkt t0 auf 0,1 [A/cm2] eingestellt. Nach dem Zeitpunkt t7, zu dem der Betrieb in den Normalbetrieb übergeht, wird die Belastung auf 1,0 [A/cm2] eingestellt. Wenn beurteilt wird, ob die Strömungsdurchlässe 30, 32 durch Einfrieren blockiert wurden oder nicht, wird die Belastung auf diese Weise gegenüber dem Normalbetrieb verkleinert. Wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für entweder das Anodengas oder das Kathodengas bestimmt wird, ist es dadurch möglich, einen Zustand zu vermeiden, in dem es nicht möglich ist, das stöchiometrische Verhältnis aufgrund eines unzureichendes Gases in dem anderen von dem Anodengas und dem Kathodengas genau zu beurteilen. Wenn die Belastung, die auf einen kleineren Wert als denjenigen während des Normalbetriebs eingestellt wurde, übermäßig niedrig eingestellt wird, wird es schwierig, die Änderung der Spannung zu erfassen. Zum anderen tritt, wenn diese Belastung übermäßig hoch eingestellt wird, infolge der aufgrund der unzulänglichen Durchflussmenge auftretenden negativen Spannung eine Verschlechterung der Elektrolytfolie, der Katalysatorschicht und dergleichen auf. Unter dieser Voraussetzung ist gewünscht, dass die Belastung, die geringer eingestellt wurde als zu dem Zeitpunkt des Normalbetriebs, annähernd 0,05 bis 0,1 [A/cm2] beträgt. Obwohl die Belastung auf die Brennstoffzelle während des Normalbetriebs in dieser Ausführungsform 1,0 [A/cm2] beträgt, ist sie nicht auf diesen Wert beschränkt.
  • 7B zeigt das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases in dem Strömungsdurchlass 14 für das Anodengas. 7C zeigt das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases in dem Strömungsdurchlass 16 für das Kathodengas. Diese stöchiometrischen Verhältnisse sind Werte, die entsprechend der Belastung auf die Brennstoffzelle 12 eingestellt wurden, und Verhältnisse der tatsächlichen Durchflussmengen der Gase in Bezug auf den theoretischen Wert der Gasströmung, der der Belastung entspricht. In dem Fall einer Belastung von 0,1 [A/cm2] wird das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases auf annähernd auf 1,2 und das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases auf annähernd 2,0 eingestellt.
  • 7D zeigt die Temperatur der Brennstoffzelle 12. Wie in 7D gezeigt, steigt die Temperatur der Brennstoffzelle 12, wenn die Brennstoffzelle 12 zum Zeitpunkt t0 gestartet wird, infolge der Erzeugung von elektrischem Strom nach dem Starten an. Die Korrektur der Zellenspannung auf Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 12 wird später beschrieben.
  • In dieser Ausführungsform wird eine Änderung der stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases und des Kathodengases zwischen den Zeitpunkten t0 und t7 bewirkt und die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Spannung und dem stöchiometrischen Verhältnis wird mit dem unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschriebenen Verfahren bestimmt. In dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird das stöchiometrische Verhältnis (die Durchflussmenge des Gases) für das Anodengas und das Kathodengas in jeder Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Spannung für jede Einheitszelle berechnet.
  • Wie in 7B gezeigt, nimmt das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases aus diesem Grund zunächst schrittweise vom Zeitpunkt t0 zum Zeitpunkt t3 ab und die Änderungsrate der Spannung wird berechnet, wobei eine Ablaufsteuerung durchgeführt wird, um so die in 4 und 5 gezeigten Kenndaten zu erhalten. Auf diese Weise wird das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases (in diesem Fall 2,0) konstant gehalten. In dem in 7B gezeigten Beispiel wird das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases in Schritten von 1,2 auf 1,1 und dann 1,05 geändert. Durch Bestimmen der mittleren Zellenspannungen V0, V1 und V2, die den stöchiometrischen Verhältnissen von 1,2, 1,1 und 1,05 entsprechen, wird die Änderungsrate der Spannung, wenn das stöchiometrische Verhältnis geändert wird, daher, wie in 4 und 5 beschrieben, bestimmt. Auf Basis der Änderungsrate der Spannung von jeder Einheitszelle ist es daher möglich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Anodengases) für das Anodengas in jeder Einheitszelle zu berechnen.
  • Wenn die stöchiometrischen Verhältnisse der Zelle (die Durchflussmengen der Gase) für das Anodengas in jeder Einheitszelle bestimmt werden, wird eine Ablaufsteuerung durchgeführt, um die Menge des Anodengases so zu erhöhen, dass bewirkt wird, dass sich das stöchiometrische Verhältnis (die Durchflussmenge des Gases) in den Einheitszellen, die die größte Abnahme des stöchiometrischen Verhältnisses zeigen, am oder oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) befindet.
  • Als nächstes wird, wie in 7C gezeigt, das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases schrittweise vom Zeitpunkt t4 bis t6 verringert und eine Ablaufsteuerung durchgeführt, um die Änderungsrate der Spannung zu berechnen. Dadurch wird das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases konstant gehalten (in diesem Fall 1,2). In dem Beispiel aus 7C wird das stöchiometrische Verhältnis des Kathodengases schrittweise von 2,0 auf 1,9 und dann 1,8 geändert. Durch Bestimmen der mittleren Zellenspannungen V0, V1 und V2, die den stöchiometrischen Verhältnissen 2,0, 1,9 und 1,8 entsprechen, kann daher die Änderungsrate der Spannung, wenn das stöchiometrische Verhältnis geändert wird, bestimmt werden, wie in 4 und 5 beschrieben ist. Auf Basis der Änderungsrate der Spannung von jeder Einheitszelle ist es daher möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Kathodengases) in jeder Einheitszelle zu berechnen.
  • Wenn die stöchiometrischen Verhältnisse der Zelle (die Durchflussmengen der Gase) für das Kathodengas in jeder Einheitszelle bestimmt werden, wird so eine Ablaufsteuerung durchgeführt, dass die Menge des Kathodengases erhöht wird, so dass bewirkt wird, dass sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) der Einheitszellen, die die größte Abnahme des stöchiometrischen Verhältnisses zeigen, am oder oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) befindet.
  • Auf diese Weise ist es möglich, das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases bei allen Einheitszellen auf oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses einzustellen, so dass es möglich ist, einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle 12 selbst dann auszuführen, wenn die Strömungsdurchlässe 30, 32 aufgrund von Einfrieren blockiert sind.
  • Auf diese Weise startet die Brennstoffzelle 12 bei einer niedrigen Temperatur und, wenn der Zeitpunkt t7 abgelaufen ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 einen geeigneten Start aus, um so in den Normalbetrieb überzugehen. Das heißt, dass die Belastung des Brennstoffzellensystems 10 auf einen Wert für die Belastung des Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem oder dergleichen, das betrieben wird, eingestellt wird. In dem Beispiel der 7A bis 7D wird die Belastung der Brennstoffzelle 12 auf 1,0 [A/cm2] eingestellt.
  • Selbst nach dem Zeitpunkt t7 wird solange, bis der Strömungsdurchlass vollständig entblockt ist, das heißt, bis die Brennstoffzelle 12 vollständig aufgewärmt ist und die Temperatur der Brennstoffzelle 12 den Gefrierpunkt übersteigt, da man sich vorstellen kann, dass ein Einfrieren die Strömung des Gases behindert, die Menge des Gases auf Basis des Anteils der Zunahme des Gases vor dem Zeitpunkt t7 erhöht. Wenn das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases auf Basis der Beurteilung vor dem Zeitpunkt t7 zum Beispiel 1,5-mal beträgt, wird nach dem Zeitpunkt t7 ebenso eine Steuerung durchgeführt, so dass das stöchiometrische Verhältnis 1,5-mal erhöht wird, was der Belastung von 1,0 [A/cm2] auf die gleiche Weise entspricht. Auf diese Weise ist es selbst nach dem Übergang in den Normalbetrieb möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für eine Einheitszelle, in der der Strömungsdurchlass durch Einfrieren blockiert ist, auf einen höheren Wert als das limitierende stöchiometrische Verhältnis einzustellen, das der Belastung von 1,0 [A/cm2] entspricht, wodurch eine Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle 12 unterdrückt wird.
  • Zum Zeitpunkt t7 ist das Aufwärmen der Brennstoffzelle 12 beendet und, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle 12 den Gefrierpunkt übersteigt, da der Wassergehalt in der Brennstoffzelle 12, der eingefroren ist, schmilzt, wodurch die Blockade der Strömungsdurchlässe 30, 32 und dergleichen entblockt wird, wird die Erhöhung der Menge des Anodengases und des Kathodengases gestoppt und das stöchiometrische Verhältnis wird auf einen Wert eingestellt, der auf die Belastung reagiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Brennstoffzelle 12 mit der minimalen Menge an Gas, die den Betriebsbedingungen entspricht, zu betreiben.
  • Das Verfahren dieser Ausführungsform kann das stöchiometrische Verhältnis (die Durchflussmenge des Gases) des Anodengases und des Kathodengases jeder Einheitszelle, wenn bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird, bestimmen. Wenn die Zellenspannung aufgrund einer durch Einfrieren verursachten Blockade der Strömungsdurchlässe abnimmt, ist es, da diese Ausführungsform das stöchiometrische Verhältnis (die Durchflussmenge des Gases) mit der Spannung einer Einheitszelle einer Zelle, deren Spannung sich als Referenz verringert hat, erhöht, möglich, die Brennstoffzelle 12 selbst dann stabil zu betreiben, wenn bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird. Dies ermöglicht ein schnelles Beenden des Aufwärmens der Brennstoffzelle 12 und einen schnellen Übergang in den Normalbetrieb.
  • Da die Beurteilung darüber, ob die Strömungsdurchlässe 30, 32 blockiert sind oder nicht, in dem Zustand durchgeführt wird, in dem die Belastung der Brennstoffzelle 12 vor dem Übergang in den Normalbetrieb verringert ist, ist es möglich, eine Verschlechterung des Films infolge der negativen Spannung selbst dann zu unterdrücken, wenn eine unzulängliche Zufuhr von Gas nur in manchen Zellen erfolgt. Es ist bevorzugt, dass die Belastung zu dem Zeitpunkt der Beurteilung auf einen Wert unterhalb des Werts eingestellt wird, bei dem eine negative Spannung in der Brennstoffzelle 12 auftritt.
  • Wenn die Durchflussmenge des Gases in jeder Einheitszelle bestimmt wird, ist es, da die Durchflussmenge des Anodengases zuerst bestimmt wird, wenn eine ernsthafte Unzulänglichkeit der Zufuhr des Anodengases infolge von Einfrieren vorliegt, durch Vornehmen geeigneter Messungen, wie dem Stoppen des Aufwärmens oder dem Durchführen des Aufwärmens durch eine äußere Wärmequelle, möglich, eine durch die Erzeugung einer negativen Spannung verursachte Verschlechterung des Films, wie des Elektrolytfilms, zu unterdrücken. Da eine Unzulänglichkeit der Zufuhr des An odengases auftritt, wenn ein hoher Grad an Blockade des Strömungspfades auftritt, ist es durch zunächst Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases und Erhöhen der Durchflussmenge des Anodengases auch möglich, zuerst die Strömungsdurchlässe für das Anodengas zu erwärmen, die blockiert wurden, wodurch eine Verkürzung der Aufwärmzeit möglich ist.
  • Nun wird die Temperaturkorrektur des Spannungswerts beschrieben. Wie in 7D gezeigt, nimmt in dem Prozess des Beurteilens der Strömungsdurchlässe, die während der Dauer vom Zeitpunkt t0 bis zu Zeitpunkt t7 blockiert sind, die Temperatur der Brennstoffzelle 12 mit der Erzeugung von elektrischem Strom durch die Brennstoffzelle 12 zu. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 12 ansteigt, kann, da sich die Spannung erhöht, wenn beurteilt wird, ob eine Blockade des Strömungsdurchlasses infolge von Einfrieren aufgetreten ist oder nicht, die Änderung der Spannung auf Basis der Änderungsrate der Spannung so betrachtet werden, dass sie Faktoren einschließt, die mit dem Temperaturanstieg in Zusammenhang stehen. Aus diesem Grund korrigiert diese Ausführungsform, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle bestimmt wird, die Spannungswerte, indem sie das Ausmaß des Temperaturanstiegs berücksichtigt.
  • 8 ist eine Darstellung, die die Kenndaten zeigt, die die Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle 12 und der Zellenspannung angeben. Diese Ausführungsform führt eine Ablaufsteuerung durch, um die Änderungsrate der Spannung auf Basis der in 8 gezeigten Kenndaten zu korrigieren.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, wird die mittlere Zellenspannung, wenn die Änderungsrate der Spannung bestimmt wird, immer dann bestimmt, wenn das stöchiometrische Verhältnis verringert wird. In den in den 7A bis 7D gezeigten Beispielen werden die mittlere Zellenspannung V0, die dem stöchiometrischen Verhältnis von 1,2 zum Zeitpunkt t1 entspricht, die mittlere Zellenspannung V1, die dem stöchiometrischen Verhältnis von 1,1 zum Zeitpunkt t2 entspricht und die mittlere Zel lenspannung V2, die dem stöchiometrischen Verhältnis von 1,05 zum Zeitpunkt t3 entspricht, bestimmt.
  • Wie in 7D gezeigt, ändert sich auch die Temperatur der Brennstoffzelle 12 mit der Zeit. Aus diesem Grund wird die Zellenspannung V0 auf Basis der Temperatur T1 zum Zeitpunkt t1 korrigiert. Auf die gleiche Weise wird die Zellenspannung V1 auf Basis der Temperatur T2 zum Zeitpunkt t2 und die Zellenspannung V2 auf Basis der Temperatur T3 zum Zeitpunkt t3 korrigiert.
  • Wie in 8 gezeigt, wird besonders das Ausmaß der Spannungsänderung ΔV1 bestimmt, wenn sich Temperatur von T0 auf T1 ändert und V0 wird durch Subtrahieren von ΔV1 von der mittleren Zellenspannung korrigiert. Auf die gleiche Weise werden für die mittleren Zellenspannungen V2 und V3 die mittleren Zellenspannungen V1 und V2 entsprechend durch Subtrahieren der mittleren Zellenspannung ΔV2, wenn sich die Temperatur von T0 auf T2 ändert, und der mittleren Zellenspannung ΔV3, wenn sich die Temperatur von T0 auf T3 ändert, von den mittleren Zellenspannungen V1 und V2 korrigiert. Nach der Korrektur können daher die korrigierten mittleren Zellenspannungen V0korrigiert, V1korrigiert und V2korrigiert durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden. V0korrigiert = V0–ΔV1 V1korrigiert = V1–ΔV2 V2korrigiert = V2–ΔV3
  • Auf diese Weise ist es möglich, die in 4 und 5 gezeigten Kenndaten auf Basis der korrigierten mittleren Zellenspannungen V0korrigiert, V1korrigiert korrigiert und V2korrigiert zu bestimmen. Wenn ebenso die Änderungsrate der Spannung für jede Einheitszelle bestimmt wird, werden die Spannungswerte auf Basis der Temperatur, wenn die Zellenspannung erfasst wird, unter Verwenden der gleichen Art von Verfahren korrigiert. Auf diese Weise ist es möglich, das stöchiometrische Verhältnis der Zelle in jeder Einheitszelle nach dem Ausschließen des Einflusses der Temperatur auf die Span nung mit hoher Genauigkeit zu berechnen, wodurch es möglich wird, exakt die Einheitszellen zu unterscheiden, in denen eine Blockade der Strömungsdurchlässe 30, 32 infolge von Einfrieren aufgetreten ist. Daher ist es möglich, eine optimale und exakte Steuerung der erhöhten Menge an Gas durchzuführen, wenn bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird, und es ist möglich, nicht nur eine Verringerung der Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs infolge einer übermäßigen Strömung des Gases, sondern auch zuverlässig eine unzulängliche Zufuhr des Gases zu unterdrücken.
  • Die Temperatur der Brennstoffzelle 12 kann von der Ausgangstemperatur des in der Brennstoffzelle 12 zirkulierenden Kühlmittels (der Temperatur an der Position, an der das Kühlmittel aus der Brennstoffzelle abgeführt wird) erfasst werden. Die Temperatur der Brennstoffzelle 12 kann alternativ dazu auf Basis der Reaktionsmenge (der erzeugten Energie) in der Brennstoffzelle 12 von dem Zeitpunkt des Starts und der Menge der erzeugten Elektrizität berechnet werden. Die Reaktionsmenge innerhalb der Brennstoffzelle 12 kann auf Basis der Menge des zugeführten Anodengases (der Menge des zugeführten Wasserstoffs) von dem Zeitpunkt des Starts bis zum Zeitpunkt der Erfassung der Temperatur berechnet werden. Die Menge der erzeugten Elektrizität ist die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle 12 von dem Zeitpunkt des Starts bis zum Zeitpunkt der Erfassung der Temperatur erzeugt wird. Da die in anderer Form als der erzeugten Elektrizität verbrauchte Energie die erzeugte Wärme ist, ist es möglich, aus der Reaktionsmenge innerhalb der Brennstoffzelle 12 die Menge an erzeugter Wärme durch Subtrahieren der Menge der erzeugten Elektrizität von der Reaktionsmenge zu bestimmen, und es ist möglich, das Ausmaß des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 12 aus der Menge der erzeugten Wärme und der Wärmekapazität (bekannt) der Brennstoffzelle 12 zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle 12 aus der Anfangstemperatur und dem Ausmaß des Temperaturanstiegs zu bestimmen.
  • Im Folgenden ist das Verfahren der Ablaufsteuerung in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform auf Basis der Flussdiagramme der 9A und 9B beschrieben. Die Ablaufsteuerungen in den 9A und 9B werden durchge führt, wenn die Brennstoffzelle 12 gestartet wird. Zunächst wird in Schritt S1 die Temperatur des Kühlwassers der Brennstoffzelle 12 gemessen. Als nächstes wird in Schritt S2 eine Beurteilung vorgenommen, ob die Temperatur des Kühlwassers unterhalb des Gefrierpunkts liegt oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Kühlwassers in Schritt S2 unterhalb des Gefrierpunkts liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S3 fort, wo ein Aufwärmvorgang der Brennstoffzelle 12 gestartet wird. In diesem Fall wird, wie unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D beschrieben ist, die Belastung der Brennstoffzelle 12 auf 0,1 [A/cm2] eingestellt. Wenn die Temperatur des Kühlwassers in Schritt S2 jedoch nicht unterhalb des Gefrierpunkts liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S10 fort.
  • Nach Schritt S3 fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S4 fort, wo das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für das Anodengas in jeder Einheitszelle bestimmt wird. An diesem Punkt wird bewirkt, dass das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren geändert wird, und das stöchiometrische Verhältnis der Zelle von jeder Einheitszelle wird auf Basis der Änderungsrate der Spannung bestimmt.
  • Als nächstes wird in Schritt S5 eine Beurteilung darüber durchgeführt, ob sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für das Anodengas bei jeder Einheitszelle verringert hat oder nicht. Wenn eine Einheitszelle vorhanden ist, in der das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S6 fort. Wenn es keine Einheitszelle gibt, in der das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S7 fort.
  • In Schritt S6 wird eine Ablaufsteuerung durchgeführt, um die Durchflussmenge des Anodengases zu erhöhen. An diesem Punkt wird die Durchflussmenge des Anodengases erhöht, so dass das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle, in der sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge) verringert hat, auf oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) erhöht wird. Nach Schritt S6 fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S7 fort.
  • In Schritt S7 wird das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für das Kathodengas in jeder Einheitszelle bestimmt. An diesem Punkt wird bewirkt, dass das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für das Kathodengas mit dem vorstehend angegebenen Verfahren geändert wird und das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle wird auf Basis der Änderungsrate der Spannung bestimmt.
  • Als nächstes wird in Schritt S8 eine Beurteilung darüber durchgeführt, ob sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge des Gases) für das Kathodengas in jeder Einheitszelle verringert hat oder nicht. Wenn eine Einheitszelle vorhanden ist, in der das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle liegt, führt die Ablaufsteuerung mit Schritt S9 fort. Wenn es keine Einheitszelle gibt, in der das stöchiometrische Verhältnis der Zelle unterhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S10 fort.
  • In Schritt S9 wird eine Ablaufsteuerung durchgeführt, um die Durchflussmenge des Kathodengases zu erhöhen. An diesem Punkt wird die Durchflussmenge des Kathodengases erhöht, so dass das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle, in der sich das stöchiometrische Verhältnis der Zelle (die Durchflussmenge) verringert hat, auf oberhalb des limitierenden stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle (der limitierenden Durchflussmenge der Zelle) erhöht wird. Nach Schritt S9 fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S10 fort.
  • In Schritt S10 wird die Brennstoffzelle 12 eigentlich gestartet und es erfolgt der Übergang in den Normalbetrieb. An diesem Punkt wird die Belastung der Brennstoffzelle 12 auf zum Beispiel 1,0 [A/cm2] eingestellt. Auf diese Weise wird, wenn die Durchflussmengen des Anodengases und des Kathodengases in Schritt S6 und S7 erhöht werden, die Gasmenge auch nach dem Übergang in den Normalzustand um die gleiche Menge erhöht.
  • Als nächstes wird in Schritt S11 die Temperatur des Kühlwassers der Brennstoffzelle 12 gemessen. Dann wird in Schritt S12 eine Beurteilung darüber vorgenommen, ob die Temperatur des Kühlwassers oberhalb des Gefrierpunkts liegt oder nicht. Wenn die Temperatur des Kühlwassers in Schritt S12 oberhalb des Gefrierpunkts liegt, fährt die Ablaufsteuerung mit Schritt S13 fort. Wenn die Temperatur des Kühlwassers in Schritt S12 unterhalb des Gefrierpunkts liegt, kehrt die Ablaufsteuerung zu Schritt S11 zurück.
  • Wenn die Ablaufsteuerung mit Schritt S13 fortfährt, wird, da die Brennstoffzelle 12 vollständig aufgewärmt ist und angenommen werden kann, dass die Blockade der Strömungsdurchlässe 30, 32 durch Einfrieren entblockt wurde, in dem Fall des Erhöhens der Durchflussmenge des Anodengases und des Kathodengases in Schritt S6 und S8, eine Steuerung des stöchiometrischen Verhältnisses für das Anodengas und das Kathodengas durchgeführt, so dass sie zu angezielten stöchiometrischen Verhältnissen für den Normalbetrieb werden. Die Ablaufsteuerung endet (RETURN) nach Schritt S13.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, die stöchiometrischen Verhältnisse (die Durchflussmengen der Gase) für das Anodengas und das Kathodengas für jede Einheitszelle beim Starten mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. In dem Fall, in dem eine Zellenspannung infolge der Blockade von Strömungsdurchlässen infolge von Einfrieren zwischenzeitlich abnimmt, ist es durch Erhöhen der Zufuhr der Gase auf Basis der Zellenspannung der Einheitszelle, bei der die Zellenspannung verringert ist, möglich, die Brennstoffzelle 12 selbst dann stabil zu betreiben, wenn bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Aufwärmen der Brennstoffzelle 12 in einer kurzen Zeit durchzuführen und eine Ver schlechterung der Brennstoffzelle 12 aufgrund einer unzulänglichen Gaszufuhr zu unterdrücken.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben wurde, die als bevorzugte Ausführungsformen angesehen werden können, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Während die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaft sind, liegen daneben andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element einschließen, ebenso im Umfang der beigefügten Ansprüche.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und in einem Brennstoffzellensystem verwendete Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses einer Zelle
  • Ein Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle (12) mit einer Vielzahl von Einheitszellen, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird, eine Vorrichtung zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses, die das stöchiometrische Verhältnis des vorgeschriebenen Gases für jede Einheitszelle berechnet, und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Gasmenge, die die Zufuhr des bestimmten Gases erhöht, wenn das stöchiometrische Verhältnis auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt, auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 8-315843 A [0002]

Claims (21)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird; Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle zum Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird; und Mittel zum Erhöhen der Gasmenge zum Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, die zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  2. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird; Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle zum Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle, wenn die Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird; und Mittel zum Erhöhen der Gasmenge zum Erhöhen einer Gasmenge des bestimmte Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle Mittel zum Erfassen einer Zellenspannung von jeder Einheitszelle; Mittel zum Berechnen einer mittleren Zellenspannung durch Mitteln der Zellenspannungen von jeder Einheitszelle; Mittel zum Ändern des stöchiometrischen Verhältnisses des der Brennstoffzelle zugeführten, bestimmten Gases, das von einem Referenzwert geändert wird; Mittel zum Erfassen einer Annäherungsgleichung, die eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wiedergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert geändert wird; und Mittel zum Berechnen der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert auf einen festgelegten Wert geändert wird, einschließt, wobei das Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung unter Verwenden der Annäherungsgleichung berechnet.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend Mittel zum Berechnen einer Strömungsgeschwindigkeit des bestimmten Gases für jede Einheitszelle auf Basis des für jede Einheitszelle berechneten stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Mittel zum Erhöhen der Gasmenge Mittel zum Berechnen eines minimalen Werts für das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für das bestimmte Gas oder die Strömungsgeschwindigkeit des bestimmten Gases, der für jede Einheitszelle berechnet wird, und Mittel zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des bestimmten Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, so dass der minimale Wert nicht unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt, einschließt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner umfassend Mittel zur Erfassung der Innentemperatur zum Erfassen einer Innentemperatur der Brennstoffzelle und Mittel zum Korrigieren der Zellenspannung auf Basis der Innentemperatur.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Mittel zur Erfassung der Innentemperatur die Innentemperatur auf Basis der Temperatur einer Kühlflüssigkeit erfasst, die in der Brennstoffzelle zirkuliert.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Mittel zur Erfassung der Innentemperatur die Innentemperatur auf Basis einer von dem Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle erzeugten Energie und einer Menge an von der Brennstoffzelle erzeugtem elektrischem Strom erfasst.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend Mittel zum Einstellen einer Belastung der Brennstoffzelle, die kleiner ist als die Belastung zum Zeitpunkt des Normalbetriebs, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle berechnet wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Mittel zum Erhöhen der Gasmenge nach dem Übergang des Betriebs der Brennstoffzelle in den Normalbetrieb solange die Menge des bestimmten Gases um den Anteil der Erhöhung vor dem Übergang in den Normalbetrieb erhöht, bis die Temperatur der Brennstoffzelle den Gefrierpunkt übersteigt.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Mittel zum Erhöhen der Gasmenge die Menge des bestimmten Gases nach dem Anstieg der Temperatur der Brennstoffzelle auf oberhalb des Gefrierpunkts verringert.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das bestimmte Gas das erste Gas ist, das Wasserstoff enthält, und das zweite Gas Sauerstoff enthält, und dass Mittel zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle nach dem Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das erste Gas für jede Einheitszelle ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle für das zweite Gas für jede Einheitszelle berechnet.
  13. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird; eine Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle berechnet, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird; und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Gasmenge, die eine Gasmenge des bestimmten Gases erhöht, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  14. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein vorgeschriebenes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird; eine Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle, die ein stöchiometrisches Verhältnis der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle berechnet, wenn die Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird; und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Gasmenge, die eine Gasmenge des bestimmten Gases erhöht, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend: Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle, wenn die Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird, gestartet wird; und Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  16. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem, umfassend: Berechnen eines stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das bestimmte Gas für jede Einheitszelle, wenn die Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen einschließt, denen ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von Elektrizität zugeführt wird, bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird; und Erhöhen einer Gasmenge des bestimmten Gases, das zugeführt wird, wenn das stöchiometrische Verhältnis der Zelle auf unterhalb eines festgelegten Werts abfällt.
  17. Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für ein Brennstoffzellensystem, umfassend: Mittel zum Erfassen einer Zellenspannung einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle, der ein bestimmtes Gas zum Erzeugen von elektrischem Strom zugeführt wird; Mittel zum Berechnen der mittleren Zellenspannung durch Mitteln der Zellenspannungen von jeder Einheitszelle; Mittel zum Ändern des stöchiometrischen Verhältnisses des bestimmten Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, von einem Referenzwert; Mittel zum Erfassen einer Annäherungsgleichung, die eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wiedergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert geändert wird; und Mittel zum Berechnen der Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert auf einen festgelegten Wert geändert wird, wobei die Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung unter Verwenden der Annäherungsgleichung berechnet.
  18. Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle nach Anspruch 17, ferner umfassend: Mittel zum Erfassen einer Innentemperatur der Brennstoffzelle und Mittel zum Korrigieren der Zellenspannung auf Basis der Innentemperatur.
  19. Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend: Mittel zum Einstellen einer Belastung der Brennstoffzelle, die kleiner als die Belastung zum Zeitpunkt des Normalbetriebs ist.
  20. Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend: erste Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das erste Gas des bestimmten Gases, das Wasserstoff einschließt, für jede Einheitszelle; und zweite Mittel zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für das zweite Gas des bestimmten Gases, das Sauerstoff einschließt, für jede Einheitszelle.
  21. Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle für ein Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Vorrichtung, die eine Zellenspannung einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle erfasst, der ein bestimmten Gas zum Erzeugen von elektrischem Strom zugeführt wird; eine Vorrichtung, die die mittlere Zellenspannung durch Mitteln der Zellenspannungen von jeder Einheitszelle berechnet; eine Vorrichtung, die das stöchiometrische Verhältnis des der Brennstoffzelle zugeführten, bestimmten Gases von einem Referenzwert ändert; eine Vorrichtung, die eine Annäherungsgleichung erfasst, die eine Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und der Änderungsrate der mittleren Zellenspannung wiedergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert geändert wird; und eine Vorrichtung, die die Änderungsrate der Zellenspannung von jeder Einheitszelle berechnet, wenn das stöchiometrische Verhältnis von dem Referenzwert auf einen festgelegten Wert geändert wird, wobei die Vorrichtung zur Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses der Zelle das stöchiometrische Verhältnis der Zelle für jede Einheitszelle auf Basis der Änderungsrate der Zellenspannung unter Verwenden der Annäherungsgleichung berechnet.
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