DE112007002395B4

DE112007002395B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007002395B4
Application number: DE112007002395.3T
Authority: DE
Inventors: Shigeto Kajiwara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP2008103169A; JP5120593B2; US8795914B2; CN101523654B; CN101523654A; DE112007002395T5; US20100028738A1; WO2008047932A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (10) weist auf: einen Brennstoffzellenstapel (40), der ein geliefertes Reaktionsgas empfängt, um Leistung zu erzeugen; einen Luftkompressor (14), um während einer Unterbrechung der Leistungserzeugung verbliebene Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel (40) zu entfernen; eine Sekundärzelle (42), um dem Luftkompressor (14) eine Betriebsleistung zuzuführen; und eine Steuereinrichtung (60), um die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel (40) strömt, so zu steuern, dass eine Zeit, die der Luftkompressor (14) braucht, um die im Brennstoffzellenstapel verbliebene Feuchtigkeit zu entfernen, im Wesentlichen konstant ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für die Zufuhr eines Abgases zu einem Brennstoffzellenstapel während der Unterbrechung einer Leistungserzeugung, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel abzuleiten.
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren wurde im Rahmen von Strategien zur Lösung von Umweltproblemen die Entwicklung von schadstoffarmen Fahrzeugen vorangetrieben, und eines dieser Fahrzeuge ist ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem als Onboard-Leistungsquelle aufweist. Das Brennstoffzellensystem ist ein Energieumwandlungssystem für die Zufuhr eines Reaktionsgases zu einer Membran/Elektroden-Anordnung, um eine elektrochemische Reaktion zu bewirken, wodurch chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. In jeder Baugruppe ist ein Anodenpol an einer Fläche eines Elektrolytfilms angeordnet und ein Kathodenpol ist an dessen anderer Fläche angeordnet. Vor allem ein Brennstoffzellensystem, das als Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem ausgebildet ist und in dem ein fester Polymerfilm als Elektrolyt verwendet wird, kann auf einfache Weise kompakt und kostengünstig hergestellt werden, und außerdem weist es eine hohe Ausgangsleistungsdichte auf. Infolgedessen ist die Verwendung des Systems als Onboard-Leistungsquelle zu erwarten.
In einem Gaskanal eines Brennstoffzellenstapels bleiben Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion des Reaktionsgases gebildet wird, Befeuchtungswasser für die Befeuchtung des Reaktionsgases und dergleichen zurück. Wenn die Leistungserzeugung unterbrochen wird, während dieser Wasserrückstand zurückgelassen wird, gefriert das verbliebene Wasser in einer Niedertemperaturumgebung, die Diffusion des Reaktionsgases zur Membran/Elektroden-Anordnung wird verhindert und das Kaltstartverhalten wird schlechter.
Angesichts dieses Problems wird bisher bei einer Unterbrechung der Leistungserzeugung eine Abfuhrbehandlung durchgeführt, um einen Luftkompressor durch die Leistung einer Batterieeinrichtung anzutreiben und dadurch Feuchtigkeit, die im Gaskanal des Brennstoffzellenstapels zurückgeblieben ist, auszuleiten. In der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003 - 297 399 A wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die im Brennstoffzellenstapel verbliebene Wassermenge schätzt, um die Abfuhrzeit zu verlängern, wenn die zurückgebliebene Wassermenge groß ist.
[Patentdokument 1] japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003 - 297 399 A
Die EP 1 400 548 A1 offenbart einen polymerbasierten Feststoffelektrolyten und eine protonenleitfähige Membran. Die DE 103 14 820 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verhindern der Einfrierung von Wasser im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems. Die US 2006 / 0 105 206 A1 beschreibt eine Leistungszufuhr aus einer Brennstoffzelle, deren Systemumgebung einen Kompressor umfasst.
Insbesondere offenbart die DE 10 2005 049 846 A1 den Betrieb eines Niederspannungskompressors für ein Brennstoffzellenenergiesystem.
Offenbarung der Erfindung
Jedoch variiert die Wassermenge, die in einem Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, erheblich, je nach der gefahrenen Leistung, der Temperatur, der Feuchtigkeit oder dergleichen. Anhand eines in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003 - 297 399 A offenbarten Verfahrens muss daher eine nötige Abfuhrzeit jedes Mal gemäß der verbliebenen Wassermenge reguliert werden, und dadurch wird die Abfuhrsteuerung kompliziert.
Infolgedessen schlägt die vorliegende Erfindung für die Lösung des genannten Problems ein Brennstoffzellensystem vor, das in der Lage ist, die Abfuhrsteuerung zu vereinfachen.
Um dies zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: einen Brennstoffzellenstapel, der ein geliefertes Reaktionsgas empfängt, um Leistung zu erzeugen; eine Abfuhreinrichtung, die Feuchtigkeit entfernt, die während einer Unterbrechung der Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt; eine Batterieeinrichtung, die der Abfuhreinrichtung Triebkraft zuführt; und eine Wasserbilanz-Steuereinrichtung, die die Wassermenge, die in den und aus dem Brennstoffzellenstapel strömt, so steuert, dass eine Zeit, die die Abfuhreinrichtung braucht, um die im Brennstoffzellenstapel verbliebene Feuchtigkeit zu entfernen, im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel strömt (die Bilanzberechnung der gebildeten Wassermenge, der Menge des mitgerissenen Wassers und der Menge des Befeuchtungswassers) wird so gesteuert, dass die Zeit, die die Abfuhreinrichtung benötigt, um die im Brennstoffzellenstapel verbliebene Feuchtigkeit zu entfernen, im Wesentlichen konstant bleibt, wodurch die Abfuhrsteuerung vereinfacht werden kann.
Figurenliste

1 skizziert einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist ein Ablaufschema, das die Wasserbilanzsteuerung für die Regulierung einer Zeit zeigt, die für die Abfuhrbehandlung nötig ist, um eine im Wesentlichen konstante Zeit zu erreichen;
3 erläutert einen Prozess zur Berechnung einer angestrebten Wechselstromimpedanz; und
4 erläutert ein Wasserbilanz-Steuerverfahren.

Beste Weise für die Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Brennstoffzellensystem 10 dient als Onboard-Leistungserzeugungssystem, das in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut ist, und weist einen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel 40 mit einer Stapelstruktur auf, worin eine Vielzahl von Zellen gestapelt sind. Jede Zelle weist auf: eine Membran/Elektroden-Anordnung, in der ein Anodenpol an einer Fläche eines Elektrolytfilms angeordnet ist, während ein Kathodenpol an der anderen Fläche angeordnet ist, und einen Separator mit Gaskanälen (einem Anodengaskanal, einem Kathodengaskanal), die das Strömen von Reaktionsgasen (einem Brenngas, einem Oxidierungsgas) durch die Membran/Elektroden-Anordnung ermöglichen, und mit einer Kühlmittelleitung, die das Strömen eines Kühlmittels durch die Baugruppe ermöglicht. Im Brennstoffzellenstapel 40 empfängt der Anodenpol ein geliefertes Wasserstoffgas (das Brenngas) und der Kathodenpol empfängt ein geliefertes Sauerstoffgas (das Oxidierungsgas), um Leistung zu erzeugen.
Im Brennstoffzellenstapel 40 findet im Anodenpol eine Oxidierungsreaktion gemäß der Formel (1) statt, und eine Reduzierungsreaktion gemäß der Formel (2) findet im Kathodenpol statt. Im gesamten Brennstoffzellenstapel 40 läuft eine elektromotorische Reaktion gemäß der Formel (3) ab. H₂ → 2H⁺+ 2e^- (1) (1/2)O₂+ 2H⁺+ 2e^- → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Ein Sauerstoffgas-Zufuhrsystem des Brennstoffzellensystems 10 ist mit einem Sauerstoffgas-Zuleitungsweg 11 für die Zufuhr des Sauerstoffgases zum Brennstoffzellenstapel 40 und mit einem Sauerstoffabgas-Ausleitungsweg 12 für die Ausleitung eines Sauerstoffabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgestattet. Der Sauerstoffgas-Zuleitungsweg 11 ist mit einem Filter 13 für die Entfernung von z.B. Pulverstaub, der im Sauerstoffgas aus der Atmosphäre enthalten ist, und einem Befeuchtungsmodul 15 für die angemessene Befeuchtung des vom Luftkompressor 14 verdichteten Sauerstoffgases ausgestattet.
Das Befeuchtungsmodul 15 führt einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem nur wenig feuchten Sauerstoffgas (einem trockenen Gas), das aus der Atmosphäre geholt wird, und dem stark feuchten Sauerstoffabgas (einem nassen Gas), das aus dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 40 ausgeleitet wird, durch. Wie in Formel (2) gezeigt, wird die Feuchtigkeit im Kathodenpol gebildet, und daher weist das Sauerstoffabgas, das aus dem Kathodenpol ausgeleitet wird, einen hohen Feuchtigkeitsgehalt auf. Das vom Befeuchtungsmodul 15 befeuchtete Sauerstoffgas wird dem Brennstoffzellenstapel 40 über den Sauerstoffgas-Zuleitungsweg 11 zugeführt und wird für die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 40 verwendet. Der Sauerstoffgas-Ausleitungsweg 12 ist ein Rohr, das in einem Sauerstoffgas-Ausleitungssystem vorgesehen ist, und zwischen dem Befeuchtungsmodul 15 und dem Brennstoffzellenstapel 40 ist ein Druckregelventil 16 angeordnet, das einen Sauerstoffgasdruck im Brennstoffzellenstapel 40 regelt. Das Sauerstoffabgas, das durch den Sauerstoffabgas-Ausleitungsweg 12 strömt, strömt durch das Druckregelventil 16, wird für den Feuchtigkeitsaustausch im Befeuchtungsmodul 15 verwendet und wird als Abgas aus dem System in die Atmosphäre ausgeleitet.
Ein Wasserstoffgas-Zufuhrsystem des Brennstoffzellensystems 10 weist auf: einen Wasserstofftank 21 als Wasserstoff-Zufuhrquelle, in dem das unter hohem Druck stehende Wasserstoffgas aufgenommen wird; einen Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 22 für die Lieferung des Wasserstoffgases, mit dem der Wasserstofftank 21 gefüllt ist, zum Brennstoffzellenstapel 40; ein Sperrventil 29, das die Lieferung / die Unterbrechung der Lieferung des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 21 zum Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 22 steuert; ein Sperrventil 28, das die Lieferung / die Unterbrechung der Lieferung des Wasserstoffgases vom Wasserstoff-Zuleitungsweg 22 zum Brennstoffzellenstapel 40 steuert; einen Umwälzweg 23 für die Rückführung eines Wasserstoffabgases (eines nicht-umgesetzten Wasserstoffgases), das aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleitet wird, in den Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 22; eine Wasserstoffpumpe 24, die das Wasserstoffabgas, das im Umwälzweg 23 strömt, unter Druck in den Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 23 speist; und ein Ausleitungsweg 25, der vom Umwälzweg 23 abzweigt, um sich mit dem Sauerstoffabgas-Ausleitungsweg 12 zu vereinigen.
Auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffgas-Zuleitungswegs 22 ist ein Regler 27 zwischengeschaltet, der den Druck des hoch-verdichteten Wasserstoffgases, das aus dem Wasserstofftank 21 ausgeleitet wird, regelt. Der Umwälzweg 23 mündet stromabwärts vom Regler 27. Das Wasserstoffgas, das aus dem Wasserstofftank 21 in den Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 22 strömt, vereinigt sich mit dem auf dem Umwälzweg zurückströmenden Wasserstoffabgas an einer Verbindungsstelle zwischen dem Wasserstoffgas-Zuleitungsweg 22 und dem Umwälzweg 23, und die Gase werden dem Brennstoffzellenstapel 40 als Gasmischung zugeführt. Stromabwärts von der Wasserstoffpumpe 24 des Umwälzweges 23 ist ein Rückschlagventil 26 zwischengeschaltet, um den Gegenstrom des Wasserstoffabgases, das zum Brennstoffzellenstapel 40 zurückströmt, zu unterdrücken.
Stromaufwärts von der Wasserstoffpumpe 24 ist ein Gas/Flüssigkeit-Separator 30 für die Trennung der Feuchtigkeit vom Wasserstoffabgas, das durch den Umwälzweg 23 strömt, zwischengeschaltet. Ein Fluid, das durch den Umwälzweg 23 strömt, schließt das Wasserstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleitet wird, und Wasser ein, das durch eine elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel 40 gebildet wird. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 30 trennt dieses gebildete Wasser vom Wasserstoffabgas. Das Wasserstoffabgas, von dem die Feuchtigkeit abgetrennt wurde, wird durch die Wasserstoffpumpe 24 zum Brennstoffzellenstapel 40 zurückgeführt, während die Feuchtigkeit, die vom Gas/Flüssigkeit-Separator 30 gesammelt wird, aus einem Fluidrohr 32 über ein Ablaufventil 31 in den Sauerstoffgas-Ausleitungsweg 12 ausgeleitet wird.
Das stromaufwärtsseitige Ende des Fluidrohrs 32 ist mit dem Ablaufventil 31 des Gas/Flüssigkeit-Separators 30 verbunden, und sein stromabwärtsseitiges Ende ist mit dem Sauerstoffgas-Ausleitungsweg 12 verbunden, wodurch die Feuchtigkeit, die vom Gas/Flüssigkeit-Separator 30 abgetrennt wird, in den Sauerstoffgas-Ausleitungsweg strömen kann. Der Ausleitungsweg 25 ist mit einem Ablassventil 33 versehen, das as Sperrventil zum Öffnen/Schließen dieses Weges dient. Wenn das Ablassventil 33 auf geeignete Weise geöffnet/geschlossen wird, können im Wasserstoffabgas enthaltene Verunreinigungen zusammen mit dem Wasserstoffabgas über den Ausleitungsweg 25 in den Sauerstoffgas-Ausleitungsweg 12 ausgeleitet werden. Wenn die im Wasserstoffgas enthaltenen Verunreinigungen aus dem Ausleitungsweg 25 ausgeleitet werden, kann die Konzentration der Verunreinigungen im Wasserstoffabgas gesenkt werden, und die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffabgas, das umgewälzt und dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt werden soll, kann erhöht werden.
Ein Leistungssystem des Brennstoffzellensystems 10 weist auf: eine Sekundärzelle 42 als Akkumulatoreinrichtung zum Akkumulieren der vom Brennstoffzellenstapel 40 erzeugten Leistung oder einer regenerativen Energie während des Bremsens des Fahrzeugs; einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41, der die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 40 reguliert, um die Verteilung der Leistung zu steuern, die dem Brennstoffzellenstapel 40 und der Sekundärzelle 42 zugeführt werden soll; und einen Traktionswechselrichter 43, der die Gleichstromleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 40 oder von der Sekundärzelle 42 geliefert wird, in die Wechselstromleistung umwandelt, einem Zugmotor (einem das Fahrzeug antreibenden Motor) 44 geliefert wird.
Die Sekundärzelle 42 ist die Akkumulatoreinrichtung, die in der Lage ist, die Leistung zu akkumulieren und auszugeben, und dient als Speicherquelle für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsens und als Energiezwischenspeicher zu Zeiten, wo einhergehend mit der Beschleunigung oder Verlangsamung des Brennstoffzellen-Fahrzeugs eine Leistung schwankt. Als Sekundärzelle 42 wird beispielsweise eine Nickel/Cadmium-Akkumulationsbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulationsbatterie, eine sekundäre Lithiumzelle oder dergleichen bevorzugt. Anstelle der Sekundärzelle 42 kann eine Akkumulatoreinrichtung wie ein Kondensator eingebaut werden.
Ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystems 10 weist auf: eine Kühlmittelleitung 51, durch die ein Kühlmittel im Brennstoffzellenstapel 40 zirkulieren kann; eine Kühlmittelpumpe 54, die das Kühlmittel unter Druck durch die Kühlmittelleitung 51 speist; einen Kühlkörper 53, der das Kühlmittel kühlt; und ein Umgehungsventil 52, mit dem das Kühlmittel den Kühlkörper 53 umgehen und in der Kühlmittelleitung 51 strömen kann. Durch Einstellen der Menge des Kühlmittels, die den Kühlkörper 53 umgeht, kann eine Kühlmitteltemperatur reguliert werden.
Ein Steuersystem des Brennstoffzellensystems 10 ist mit einer Steuerung 60 für die Steuerung des gesamten Brennstoffzellensystems 10 versehen. Die Steuereinrichtung 60 ist eine Steuereinheit (ECU), die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Speichereinrichtung (einen ROM, einen RAM), eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und dergleichen aufweist. Die Steuereinrichtung 60 überwacht einen Betriebszustand auf der Basis von Sensorausgaben verschiedener Sensoren, um das Brennstoffzellensystem 10 zu steuern.
Die Sensoren schließen ein: einen Zündschalter 71, der ein Start/Stopp-Signal ausgibt; einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 72, der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst; einen Beschleunigungselement-Sensor 73, der einen Öffnungsgrad eines Beschleunigungselements erfasst; einen Spannungs-Sensor 74, der die Ausgangsspannung jeder Zelle, die Bestandteil des Brennstoffzellenstapels 40 ist, erfasst; einen StromSensor 75, der den Ausgangsstrom (den BZ-Strom) des Brennstoffzellenstapels 40 erfasst; einen Temperatur-Sensor 76, der die Temperatur (die BZ-Temperatur) des Brennstoffzellenstapels 40 erfasst; einen Luftströmungsraten-Sensor 77, der die Strömungsrate der aus einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 40 strömenden Luft erfasst; einen Luftdruck-Sensor 78, der den Druck der Luft erfasst, die aus dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 40 strömt; einen Ladezustands- (SOC-) Sensor 79, der den SOC der Sekundärzelle 42 erfasst, und dergleichen.
Sobald er beispielsweise das Startsignal erfasst, das vom Zündschalter 71 ausgegeben wird, startet die Steuereinrichtung 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und ermittelt die geforderte Leistung des gesamten Systems auf der Basis eines Beschleunigungselement-Öffnungsgradsignals, das vom Beschleunigungselement-Sensor 73 ausgegeben wird, eines Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals, das vom Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 72 ausgegeben wird, und dergleichen. Die geforderte Leistung des gesamten Systems ist ein Gesamtwert einer Fahrzeug-Fahrleistung und einer Zubehörleistung. Die Zubehörleistung schließt ein: Leistung, die von im Auto eingebauten Zubehöreinrichtungen (dem Befeuchter, dem Luftkompressor, der Wasserstoffpumpe, einer Kühlwasser-Umwälzpumpe usw.) verbraucht wird; Leistung, die von Einrichtungen (einer Gangschaltung, einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkeinrichtung, einer Aufhängung usw.) verbraucht wird, die zum Fahren des Fahrzeugs nötig sind; Leistung, die von Einrichtungen (einer Klimaanlage, einer Beleuchtung, einer Audioanlage usw.) verbraucht wird, die im Insassenraum angeordnet sind, und dergleichen.
Darüber hinaus bestimmt die Steuereinrichtung 60 die Verteilung der Ausgangsleistung der Brennstoffzellenstapel 40 und der Sekundärzelle 42, regelt die Drehzahl des Luftkompressors 14 oder den Ventilöffnungsgrad des Reglers 72 und die Menge des Reaktionsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt wird, so dass die Leistungsmenge, die vom Brennstoffzellenstapel 40 zu erzeugen ist, mit einer angestrebten Leistung übereinstimmt, und steuert den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 40 zu regeln, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 40 gesteuert wird. Um eine angestrebte Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen, die dem Beschleunigungselement-Öffnungsgrad entspricht, gibt die Steuereinrichtung 60 außerdem beispielsweise die Wechselspannungs-Befehlswerte einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase als Schaltbefehle an den Wechselrichter 43 aus, wodurch das Ausgangsmoment und die Drehzahl des Zugmotors 44 gesteuert werden.
Nun wird die Wasserbilanzsteuerung für die Einstellung einer Zeit, die für die Abfuhrsteuerung nötig ist, auf eine im Wesentlichen konstante Zeit allgemein mit Bezug auf 2 beschrieben.
Sobald sie das Startsignal empfängt, das vom Zündschalter 71 ausgegeben wird, führt die Steuereinrichtung 60 einen Normalbetrieb durch (Schritt 201). Während des Normalbetriebs ermittelt die Steuereinrichtung 60 die geforderte Leistung des gesamten Systems auf der Basis des Beschleunigungselement-Öffnungsgradsignals, das vom Beschleunigungselement-Sensor 73 ausgegeben wird, des Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals, das vom Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 72 ausgegeben wird, und dergleichen, bestimmt die Verteilung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 40 und der Sekundärzelle 42 und steuert die Zubehöreinrichtungen so, dass die Leistungsmenge, die vom Brennstoffzellenstapel 40 zu erzeugen ist, mit der angestrebten Leistung übereinstimmt.
Die Steuereinrichtung 60 nimmt die Sensorausgabe vom Temperatursensor 76 und misst die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 40 (Schritt 202).
Darüber hinaus berechnet die Steuereinrichtung 60 die angestrebte Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 auf der Basis der BZ-Temperatur, die in Schritt 202 gemessen wird (Schritt 203). Ein Verfahren zum Messen der angestrebten Wechselstromimpedanz auf der Basis der BZ-Temperatur wird später beschrieben.
Außerdem gelten bekanntlich, wenn E die Ansprechspannung des Brennstoffzellenstapels 40 bei Anlegung eines Wechselstromsignals an den Brennstoffzellenstapel 40 ist, I ein Antwortstrom ist und Z eine Wechselstromimpedanz ist, die folgenden Gleichungen. $E = E_{0} expj (ω t + Φ)$
$I = I_{0} expj ω t$
$Z = E/I = (E_{0} / I_{0}) expj Φ= R + j χ$
wobei Eo die Amplitude der Ansprechspannung ist, I₀ die Amplitude des Ansprechstroms ist, ω eine Winkelfrequenz ist, Φ eine Anfangsphase ist, R eine Widerstandskomponente (ein realer Teil) ist, x eine Reaktanzkomponente (ein imaginärer Teil) ist, j eine imaginäre Einheit ist und t eine Zeit ist.
Die Steuereinrichtung 60 steuert die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel 40 strömt, so, dass die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 mit der angestrebten Wechselstromimpedanz übereinstimmt (Schritt 204). Die Einzelheiten der Wasserbilanzsteuerung werden später beschrieben.
Die Steuereinrichtung 60 steuert den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41, um das Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel 40 anzulegen, und kann die Spannungsantwort vom Spannungssensor 74 erfassen, um die Wechselstromimpedanz zu messen. Ein anderes Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz besteht darin, dass die Steuereinrichtung 60 die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 anhand eines Innenwiderstands-Messinstruments messen kann. Das Innenwiderstands-Messinstrument ist ein Hochfrequenz-Impedanzmessinstrument, das in der Lage ist, den Hochfrequenzstrom an den Brennstoffzellenstapel 40 anzulegen und die Spannungsantwort des Stapels zu erfassen, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 zu ermitteln.
Dann beurteilt die Steuereinrichtung 60, ob eine Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung vorliegt oder nicht (Schritt 205). Wenn der Zündschalter 71 ausgeschaltet wird, wird die Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung an die Steuereinrichtung 60 ausgegeben. Solange keine Forderung nach einer Unterbrechung der Leistungserzeugung vorliegt (Schritt 205; NEIN), führt die Steuereinrichtung 60 die Verarbeitung der Schritte 201 bis 204 aus.
Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 40 schwankt ständig gemäß dem Betriebszustand, und somit schwankt auch die angestrebte Wechselstromimpedanz gemäß dem Betriebszustand. Die Steuereinrichtung 60 steuert die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel 40 strömt, um der ständig schwankenden Wechselstromimpedanz zu folgen.
Sobald sie die Forderung nach einer Unterbrechung der Leistungserzeugung empfängt (Schritt 205; JA), treibt die Steuereinrichtung 60 den Luftkompressor 14 mittels einer Leistung an, die in der Sekundärbatterie 42 gespeichert ist, und liefert ein Abfuhrgas in den Gaskanal des Brennstoffzellenstapels 40, um die Feuchtigkeit im Gaskanal zu entfernen (Schritt 206). Der Luftkompressor 14 dient als Abfuhreinrichtung für die Entfernung der Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 40.
Nun wird das Verfahren zum Berechnen der angestrebten Wechselstromimpedanz (Schritt 203) ausführlich mit Bezug auf 3 beschrieben.
Die Steuereinrichtung 60 berechnet eine von der BZ-Temperatur 103 abhängige Trocknungsgeschwindigkeit V auf der Basis der in Schritt 202 gemessenen BZ-Temperatur 103 und eines Temperatur/Trocknungsgeschwindigkeit-Kennfelds (dem T/V-Kennfeld) 301. Das Temperatur/Trocknungsgeschwindigkeit-Kennfeld 301 ist ein Kennfeld, in dem die Abszisse die Temperatur anzeigt, die Ordinate die Trocknungsgeschwindigkeit (die Feuchtigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit zu entfernen ist) anzeigt und die Trocknungsgeschwindigkeit bezogen auf die jeweilige Temperatur die Kurve bildet.
Die Steuereinrichtung 60 berechnete eine von der Trocknungsgeschwindigkeit V abhängige Trocknungsmenge Q auf der Basis der Trocknungsgeschwindigkeit V und eines Trocknungsgeschwindigkeit/Trocknungsmenge-Kennfelds (des V/Q-Kennfelds) 302. Das Trocknungsgeschwindigkeit/Trocknungsmenge-Kennfeld 302 ist ein Kennfeld, in dem die Abszisse die Trocknungsgeschwindigkeit anzeigt, die Ordinate die Trocknungsmenge anzeigt und die Trocknungsmenge, die jeweils einer Trocknungsgeschwindigkeit entspricht, die Kurve bildet. Die Trocknungsmenge Q wird durch Multiplizieren der Trocknungsgeschwindigkeit V mit einer Abfuhrzeit berechnet.
Die Steuereinrichtung 60 berechnet eine angestrebte Wassermenge QTGT entsprechend der Temperatur 103 auf Basis der Temperatur 103 und eines Kennfelds der Temperatur und der angestrebten Wassermenge (des T/QTGT-Kennfelds) 303. Das Kennfeld 303 der Temperatur und der angestrebten Wassermenge ist ein Kennfeld, in dem die Abszisse die Temperatur anzeigt, die Ordinate die angestrebte Wassermenge anzeigt und die angestrebte Wassermenge, die jeweils einer Temperatur entspricht, die Kurve bildet. Die angestrebte Wassermenge QTGT wird durch Addieren der Trocknungsmenge Q und der verbliebenen Wassermenge QEND ermittelt. Hierbei ist die Trocknungsmenge Q die Feuchtigkeitsmenge, die während der Abfuhrverarbeitung aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleitet werden soll, und die verbliebene Wassermenge QEND ist die Feuchtigkeitsmenge, die nach der Abfuhrverarbeitung im Brennstoffzellenstapel 40 verbleibt.
Die Steuereinrichtung 60 berechnet eine von der Temperatur 103 abhängige angestrebte Wechselstromimpedanz 123 auf der Basis der Temperatur 103 und eines Kennfelds der Temperatur und der angestrebten Wechselstromimpedanz (des T/Z-Kennfelds) 304. Das Kennfeld 304 der Temperatur und der angestrebten Wechselstromimpedanz ist ein Kennfeld, in dem die Abszisse die Temperatur anzeigt, die Ordinate die angestrebte Wechselstromimpedanz anzeigt und die angestrebte Wechselstromimpedanz, die jeweils einer Temperatur entspricht, die Kurve bildet. Bekanntlich besteht ein Zusammenhang zwischen der Wechselstromimpedanz und der angestrebten Wassermenge QTGT, und somit kann die angestrebte Wechselstromimpedanz aus der angestrebten Wassermenge QTGT ermittelt werden.
Es sei klargestellt, dass zur Vereinfachung der Erklärung das Verfahren zum Berechnen der angestrebten Wechselstromimpedanz 123 anhand des Kennfelds 301 der Temperatur und der Trocknungsgeschwindigkeit, des Kennfelds 302 der Trocknungsgeschwindigkeit und der Trocknungsmenge, des Kennfelds 303 der Temperatur und der angestrebten Wassermenge und des Kennfelds 304 der Temperatur und der angestrebten Wechselstromimpedanz beschrieben wurde. Jedoch sind das Kennfeld 301 der Temperatur und der Trocknungsgeschwindigkeit, das Kennfeld 302 der Trocknungsgeschwindigkeit und der Trocknungsmenge und das Kennfeld 303 der Temperatur und der angestrebten Wassermenge physikalische Modelle zum theoretischen Ableiten des Kennfelds 304 der Temperatur und der angestrebten Wechselstromimpedanz. Daher reicht das Kennfeld 304 der Temperatur und der angestrebten Wechselstromimpedanz für einen wirklichen Betrieb aus.
Nun wird ein Verfahren (Schritt 204) zur Steuerung der Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel 40 strömt, ausführlich mit Bezug auf 4 beschrieben.
Die Steuereinrichtung 60 multipliziert einen BZ-Stromwert 107, der anhand des Ausgabewerts vom Stromsensor 75 gemessen wird, mit einem Faktor 110, um eine gebildete Wassermenge W1 [g/s] zu berechnen. Der Faktor 110 ist eine Konstante mit einem Wert Zellenzahl/LVFF/2x18, und LVFF ist die Faraday-Konstante (96500 C/Mol). Ferner berechnet die Steuereinrichtung 60 einen Dampfdruck U1 aus der BZ-Temperatur 103, die anhand des Ausgabewerts des Temperatursensors 76 gemessen wird, und aus einem Kennfeld 111 der Wasserdampfsättigungs-Eigenschaften und misst einen Luftdruckwert 109 (im Folgenden als Luftdruckwert U2 bezeichnet) anhand des Ausgabewerts des Luftdrucksensors 78. Dann setzt die Steuereinrichtung 60 die Argumente U1, U2 in eine Funktion 112 ein, um ein Partialdruckverhältnis V1 zwischen dem Dampf und der Luft zu berechnen.
Die Steuereinrichtung 60 multipliziert den BZ-Stromwert 107, der aus dem Ausgabewert des Stromsensors 75 gemessen wird, mit einem Faktor 113, um die Menge A1 [Mol/s] der verbrauchten Luft zu berechnen. Der Faktor 113 ist eine Konstante mit einem Wert Zellenzahl/LVFF/4. Die Steuereinrichtung 60 misst einen Luftströmungsratenwert 108 (im Folgenden als Luftströmungsratenwert A2 [Mol/s] bezeichnet) an einem Kathodenauslass anhand des Ausgabewerts des Luftströmungsratensensors 77. Dann berechnet die Steuereinrichtung 60 eine Luftströmungsrate V2, die in eine mitgerissene Feuchtigkeit umgewandelt wird, aus Luftströmungsrate A2 - Menge A1 der verbrauchten Luft. Die Steuereinrichtung 60 setzt die Argumente V1, V2 in eine Multiplikationsfunktion 115 ein und multipliziert den resultierenden Ergebniswert mit einem Faktor 116, um die Menge W2 [g/s] des mitgerissenen Wassers zu berechnen. Der Faktor 116 ist eine Konstante mit einem Wert 18. Die Menge W2 des mitgerissenen Wassers wird mit einem Faktor 117 mit einem Wert -1 multipliziert, so dass sie ein negatives Vorzeichen erhält.
Die Steuereinrichtung 60 berechnet ein von der Luftströmungsrate A2 abhängiges Dampfersetzungsverhältnis X1 auf der Basis eines Kennfelds 118 des Befeuchtungsmodul-Dampfersetzungsverhältnisses. Die Steuereinrichtung setzt die Argumente W1, W2 in eine MIN-Funktion 119 ein, um den Ergebniswert X2 zu erhalten. Die MIN-Funktion 119 ist eine Funktion, mit der man als Ergebniswert ein Argument mit einem Mindestwert unter einer Vielzahl von Argumenten ermittelt. Die Steuereinrichtung 60 setzt die Argumente W1, W2 in eine Multiplikationsfunktion 120 ein, um die Menge W3 [g/s] des Befeuchtungswassers als Ergebniswert zu erhalten. Die Steuereinrichtung 60 setzt die Argumente W1, -W2 und W3 in eine Additionsfunktion 121 ein, um die Menge 122 der Feuchtigkeit, die im Brennstoffzellenstapel 40 verbleibt, als Ergebniswert zu erhalten.
Die Steuereinrichtung 60 steuert die Menge W1 des gebildeten Wassers, die Menge W2 des mitgerissenen Wassers und die Menge W3 des Befeuchtungswassers so, dass die Menge 122 der Feuchtigkeit mit der angestrebten Wassermenge QTGT übereinstimmt. Genauer führt die Steuereinrichtung 60, wenn die Feuchtigkeitsmenge 122 kleiner ist als die angestrebte Wassermenge QTGT, eine Operation durch, um den BZ-Stromwert 170 zu erhöhen oder die Befeuchtungsmenge des Befeuchtungsmoduls 15 oder dergleichen zu erhöhen, um die Menge W1 des gebildeten Wassers oder die Menge W3 des Befeuchtungswassers zu erhöhen. Wenn dagegen die Feuchtigkeitsmenge 122 größer ist als die angestrebte Wassermenge QTGT, führt die Steuereinrichtung eine Operation durch, um z.B. den Luftströmungsratenwert 108 zu erhöhen oder den Luftdruckwert 109 zu senken, um die Menge W2 des mitgerissenen Wassers zu erhöhen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellenstapel 40 strömt (die Bilanzberechnung der Menge des gebildeten Wassers, der Menge des mitgerissenen Wassers und der Menge des Befeuchtungswassers) so gesteuert, dass die Zeit, die der Luftkompressor für die Entfernung der im Brennstoffzellenstapel 40 verbliebenen Feuchtigkeit braucht, im Wesentlichen konstant ist, wodurch die Abfuhrsteuerung vereinfacht werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung 60 als Wasserbilanz-Steuereinrichtung dient (Schritt 204) und die Bilanz des Wassers, das in und aus dem Brennstoffzellenstapel 40 strömt, so steuert, dass die Zeit, die der Luftkompressor für die Entfernung der im Brennstoffzellenstapel 40 verbliebene Feuchtigkeit braucht, im Wesentlichen konstant ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Abfuhrzeit im Wesentlichen konstant, und somit kann eine Abfuhrsteuerung vereinfacht werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (40), der ein geliefertes Reaktionsgas empfängt, um Leistung zu erzeugen; eine Abfuhreinrichtung (14), die während einer Unterbrechung der Leistungserzeugung verbliebene Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel (40) entfernt; eine Akkumulatoreinrichtung (42), die eine Betriebsleistung zur Abfuhreinrichtung liefert; und eine Wasserbilanz-Steuereinrichtung (60, 204), die die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellestapel (40) strömt, mittels wenigstens einem aus dem Befeuchtungswasser, dem gebildeten Wasser und/oder dem mitgerissenen Wasser, basierend auf einer angestrebten Wassermenge, die im Verhältnis zu der verbliebenen Feuchtigkeit steht, vor der Unterbrechung der Leistungserzeugung so steuert, dass eine Zeit, die nötig ist, um die verbliebene Feuchtigkeit mit der Abfuhreinrichtung (14) aus dem Brennstoffzellenstapel (40) zu entfernen, im Wesentlichen konstant ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Wasserbilanz-Steuereinrichtung (60, 204) eine angestrebte Wechselstromimpedanz, die der angestrebten Wassermenge entspricht, auf der Basis der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (40) steuert und die Bilanz des Wassers, das in den und aus dem Brennstoffzellestapel (40) strömt, so steuert, dass die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels (40) während der Unterbrechung der Leistungserzeugung der angestrebten Wechselstromimpedanz gleich ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Wasserbilanz-Steuereinrichtung (60, 204) einen Stromwert des Brennstoffzellenstapels (40) steuert, um die Wasserbilanz zu steuern.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Wasserbilanz-Steuereinrichtung (60, 204) die Menge des Befeuchtungswassers, die dem Brennstoffzellenstapel (40) zugegeben wird, steuert, um die Wasserbilanz zu steuern.