DE112007002405B4 - Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE112007002405B4
DE112007002405B4 DE112007002405T DE112007002405T DE112007002405B4 DE 112007002405 B4 DE112007002405 B4 DE 112007002405B4 DE 112007002405 T DE112007002405 T DE 112007002405T DE 112007002405 T DE112007002405 T DE 112007002405T DE 112007002405 B4 DE112007002405 B4 DE 112007002405B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
charge
water
storage device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE112007002405T
Other languages
English (en)
Other versions
DE112007002405T5 (de
DE112007002405B8 (de
Inventor
Shigeto Kajiwara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of DE112007002405T5 publication Critical patent/DE112007002405T5/de
Publication of DE112007002405B4 publication Critical patent/DE112007002405B4/de
Application granted granted Critical
Publication of DE112007002405B8 publication Critical patent/DE112007002405B8/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04626—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04656—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04723—Temperature of the coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem (10), wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist, wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (40) zum Erzeugen von elektrischer Leistung durch Empfangen eines zugeführten Reaktionsgases; eine Spüleinrichtung (14) zum Ausspülen von Wasser, das im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist; eine Stromspeichereinrichtung (42) zum Liefern von elektrischer Leistung zur Spüleinrichtung, zum Betrieb derselben; und eine Steuereinrichtung (60) zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems (10); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Schätzen einer im Brennstoffzellenstapel zurückgebliebenen Wassermenge auf der Basis einer Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels; Schätzen eines Ziel-Ladezustands für das Laden der Stromspeichereinrichtung mit elektrischer Leistung, die erforderlich ist, um die Wassermenge auszuspülen; und Steuern des Ladens und Entladens der Stromspeichereinrichtung, so dass ein Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem, mit dem einem Brennstoffzellenstapel bei einer Unterbrechung der Leistungserzeugung Spülgas zugeführt wird und Wasser im Brennstoffzellstapel abgeführt wird.
  • Technischer Hintergrund
  • Um Umweltprobleme in den Griff zu bekommen, werden in letzter Zeit emissionsarme Fahrzeuge entwickelt, und als emissionsarme Fahrzeuge werden u. a. Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem als eingebauter Leistungsquelle geschaffen. Das Brennstoffzellensystem ist ein Energiewandlungssystem, das ein Reaktionsgas zu einer Membran/Elektroden-Anordnung, in der eine Anode auf einer Seite einer Elektrolytmembran angeordnet ist und eine Kathode auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist, liefert und das eine elektrochemische Reaktion erzeugt, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Unter den Brennstoffzellensystemen wird voraussichtlich ein Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, bei dem eine feste Polymermembran als Elektrolyt verwendet wird, als Leistungsquelle verwendet, die in das Fahrzeug eingebaut ist, da das Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem kostengünstig verkleinert werden kann und eine hohe Ausgangsleistung aufweist.
  • Wasser, das während der elektrochemischen Reaktion des Reaktionsgases erzeugt wird, oder Befeuchtungswasser für das Reaktionsgas bleibt in einem Gaskanal des Brennstoffzellenstapels zurück. Wenn die Leistungserzeugung unterbrochen wird und das zurückgebliebene Wasser dabei drinnen bleibt, gefriert das zurückgebliebene Wasser in einer kalten Umgebung, und es wird verhindert, dass das Reaktionsgas zur Membran/Elektroden-Anordnung diffundiert. Somit wird das Startverhalten bei niedrigen Temperaturen verschlechtert.
  • Angesichts dessen wird bei Unterbrechung der Leistungserzeugung üblicherweise ein Spülprozess durchgeführt, wobei ein Luftkompressor mit elektrischer Leistung von einer Stromspeichereinrichtung angetrieben wird und Wasser, das im Gaskanal der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist, abgeführt wird. Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. JP 2006-179472 A offenbart ein Verfahren, bei dem bei Unterbrechung der Leistungserzeugung bestimmt wird, ob der Spülprozess erforderlich ist, und bei dem, wenn bestimmt wird, dass der Spülprozess erforderlich ist, ein Ladungsschwellenwert für die Ladung der Stromspeichereinrichtung durch den Brennstoffzellenstapel auf einen Wert geändert wird, der höher ist als ein normaler Schwellenwert.
  • Aus der JP 2002-246053 A ist ein weiteres Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem soll Wasser in der Brennstoffzelle in einer Umgebung mit niedriger Temperatur schnell abgeführt werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Obwohl die elektrische Leistung für den Spülprozess je nach der Wassermenge, die im Gaskanal zurückbleibt, sehr verschieden sein kann, wird bei dem in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. JP 2006-179472 A offenbarten Verfahren der Ladungsschwellenwert für die Aufladung der Stromspeichereinrichtung, wenn bestimmt wird, dass das Spülen erforderlich ist, auf einen fixen Wert gesetzt. Somit besteht je nach Menge des zurückgebliebenen Wassers die Gefahr, dass die elektrische Leistung, die für den Spülprozess erforderlich ist, nicht ausreicht und dass der Spülprozess nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird.
  • Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Lösung der oben beschriebenen Probleme und die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das in der Lage ist, einen notwendigen und angemessenen Spülprozess durchzuführen.
  • Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen wird ein Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem gemäß den Ansprüchen 1 und 2 vorgeschlagen. Hierbei weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: einen Brennstoffzellenstapel, der durch die Aufnahme eines zugeführten Reaktionsgases elektrische Leistung erzeugt; eine Spüleinrichtung, die Wasser ausspült, das bei Unterbrechung der Leistungszufuhr in einem Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, eine Stromspeichereinrichtung, die der Spüleinrichtung elektrische Leistung zuführt, zum Betrieb derselben bzw. damit diese arbeiten kann, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Schätzen einer Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, auf der Basis einer Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels, Schätzen eines Ziel-SOC bzw. Ziel-Ladezustands für die Ladung der Stromspeichereinrichtung mit elektrischer Leistung, die zum Ausspülen der Wassermenge erforderlich ist, und Steuern der Ladung und Entladung der elektrischen Speichereinrichtung, damit ein SOC bzw. Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt.
  • Die Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, kann auf der Basis der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels geschätzt werden. Durch Schätzen des Ziel-Ladezustands für die Aufladung der Stromspeichereinrichtung mit der elektrischen Leistung, die erforderlich ist, um das bei Unterbrechung der Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel zurückbleibende Wasser auszuspülen, und durch Steuern der Ladung und Entladung der Stromspeichereinrichtung, so dass der Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt, kann die elektrische Leistung, die für das Spülen erforderlich ist, in der Stromspeichereinrichtung ohne ein Zuviel oder Zuwenig gespeichert werden.
  • Ein Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist auf: Schätzen einer im Brennstoffzellenstapel zurückgebliebene Wassermenge auf der Basis einer Berechnung der Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels, Schätzen eines Ziel-Ladezustands für die Aufladung der Stromspeichereinrichtung mit elektrischer Leistung, die zum Ausspülen der Wassermenge erforderlich ist, schätzt, und Steuern der Ladung und Entladung der elektrischen Speichereinrichtung, damit ein Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt. Hierbei weist das Brennstoffzellensystem auf: einen Brennstoffzellenstapel, der durch die Aufnahme eines zugeführten Reaktionsgases elektrische Leistung erzeugt; eine Spüleinrichtung, die Wasser ausspült, das bei Unterbrechung der Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, eine Stromspeichereinrichtung, die der Spüleinrichtung elektrische Leistung zuführt, damit diese arbeiten kann, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems..
  • Die Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, kann auf Basis der Berechnung der Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels (Bilanzberechnung aus Menge an erzeugtem Wasser, Menge an entferntem Wasser und Menge an Befeuchtungswasser) geschätzt werden. Durch Schätzen des Ziel-Ladezustand für die Aufladung der Stromspeichereinrichtung mit der elektrischen Leistung, die erforderlich ist, um das bei einer Unterbrechung der Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel zurückbleibende Wasser auszuspülen, und durch Steuern der Ladung und Entladung der Stromspeichereinrichtung, so dass der Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt, kann die elektrische Leistung, die für den Spülprozess erforderlich ist, in der Stromspeichereinrichtung ohne ein Zuviel oder Zuwenig gespeichert werden.
  • In den Figuren wird der Ladezustand zur einfacheren Darstellung auch als SOC bezeichnet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Systemblockschema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
  • 2 ist ein Ablaufschema, das einen ersten Aufladeprozess zeigt, mit dem eine wiederaufladbare Batterie mit für einen Spülprozess erforderlicher elektrischer Leistung aufgeladen wird;
  • 3 ist ein erläuterndes Schema, das einen Rechenprozess erklärt, mit dem ein Ziel-Ladezustand berechnet wird;
  • 4 ist ein Ablaufschema, das einen zweiten Aufladeprozess zeigt, mit dem eine wiederaufladbare Batterie mit für einen Spülprozess erforderlicher elektrischer Leistung aufgeladen wird;
  • 5 ist ein erläuterndes Schema, das einen Rechenprozess erklärt, mit dem eine Wasserbilanzberechnung durchgeführt wird; und
  • 6 ist ein erläuterndes Schema, das einen Rechenprozess für einen Ziel-Ladezustand erklärt.
  • Beste Weise der Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt den Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 dient als in dem Fahrzeug eingebautes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs und weist einen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel 40 mit einer Stapelstruktur mit einer Vielzahl von lagenweise gestapelten Zellen auf. Die Zellen weisen eine Membran/Elektroden-Anordnung, in der eine Anode auf einer Seite einer Elektrolytmembran angeordnet ist und eine Kathode auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einen Separator auf, in dem ein Gaskanal (Anodengaskanal, Kathodengaskanal) für die Zufuhr eines Reaktionsgases (Brenngas, Oxidierungsgas) zur Membran/Elektroden-Anordnung und eine Kühlmittelleitung für die Zufuhr eines Kühlmittels ausgebildet sind. Der Brennstoffzellenstapel 40 erzeugt elektrische Leistung durch die Aufnahme von Wasserstoffgas (Brenngas), das der Anode zugeführt wird, und Sauerstoffgas (Oxidierungsgas), das der Kathode zugeführt wird.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 40 wird in der Anode eine Oxidationsreaktion erzeugt, die in Gleichung (1) dargestellt ist, und in der Kathode wird eine Reduktionsreaktion erzeugt, die in Gleichung (2) dargestellt ist. Eine elektrogene Reaktion, die in Gleichung (3) dargestellt ist, wird im gesamten Brennstoffzellenstapel 40 erzeugt. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • In einem Sauerstoffgas-Zufuhrsystem des Brennstoffzellensystems 10 sind eine Sauerstoffgas-Zuleitung 11, mit der dem Brennstoffzellenstapel 40 Sauerstoffgas zugeführt wird, und eine Sauerstoffabgas-Ableitung 12 angeordnet, mit der Sauerstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeführt wird, nach außen abgeführt wird. Ein Filter 13, der Staub, der in einem Sauerstoffgas in der Atmosphäre enthalten ist, und dergleichen entfernt, ein Luftkompressor 14, der das Sauerstoffgas verdichtet, und ein Befeuchtungsmodul 15, das das vom Luftkompressor 14 verdichtete Sauerstoffgas angemessen befeuchtet, sind in der Sauerstoffgas-Zuleitung 11 angeordnet.
  • Das Befeuchtungsmodul 15 führt einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen einem Sauerstoffgas mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt (einem trockenen Gas), das aus der Atmosphäre eingeführt wird, und einem Sauerstoffabgas mit hohem Feuchtigkeitsgehalt (einem nassen Gas), das aus der Kathode des Brennstoffzellenstapels 40 ausgeführt wird, durch. Da in der Kathode Wasser erzeugt wird, wie in Gleichung (2) gezeigt, enthält das Sauerstoffabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, eine große Wassermenge. Das vom Befeuchtungsmodul 15 befeuchtete Sauerstoffgas wird über die Sauerstoffgas-Zuleitung 11 dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt, der dadurch elektrische Leistung erzeugt. Die Sauerstoffabgas-Ableitung 12 ist ein Rohr, das in einem Sauerstoffgas-Ausfuhrsystem angeordnet ist. Ein Druckregelventil 16 zum Regulieren des Sauerstoffgasdrucks im Brennstoffzellenstapel 40 ist zwischen dem Befeuchtungsmodul 15 und dem Brennstoffzellenstapel 40 angeordnet. Das Sauerstoffabgas, das in der Sauerstoffabgas-Ableitung 12 strömt, strömt durch das Druckregelventil 16 und wird für den Feuchtigkeitsaustausch durch das Befeuchtungsmodul 15 zugeführt und dann als Abgas aus dem System in die Atmosphäre ausgeführt.
  • In einem Wasserstoffgas-Zufuhrsystem des Brennstoffzellensystems 10 sind ein Wasserstofftank 21 als Wasserstoff-Zufuhrquelle, in der unter hohem Druck stehendes Wasserstoffgas gespeichert ist, eine Wasserstoffgas-Zuleitung 22, die das Wasserstoffgas, mit dem der Wasserstofftank 21 gefüllt ist, dem Brennstoffzellenstapel 40 zuführt, ein Isolierventil 29, das die Zufuhr des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 21 zur Wasserstoffgas-Zuleitung 22 und die Unterbrechung dieser Zufuhr steuert, ein Isolierventil, das die Zufuhr des Wasserstoffgases von der Wasserstoffgas-Zuleitung 22 zum Brennstoffzellenstapel 40 und die Unterbrechung dieser Zufuhr steuert, eine Zirkulationsleitung 23, die Wasserstoffabgas (nicht-umgesetztes Wasserstoffgas), das aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeführt wird, in die Wasserstoffabgas-Ableitung 22 zurückführt, eine Wasserstoffpumpe 24, die das Wasserstoffabgas, das in der Zirkulationsleitung 23 strömt, verdichtet und der Wasserstoffabgas-Zuleitung 23 zuführt, und eine Ableitung 25, die von der Zirkulationsleitung 23 abzweigt und in die Sauerstoffabgas-Ableitung 12 mündet, angeordnet.
  • Ein Regler 27 zum Regulieren des Druckes des unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgases, das aus dem Wasserstofftank 21 strömt, ist auf der stromaufwärtigen Seite in die Wasserstoffabgas-Ableitung 22 eingesetzt, in welche die Zirkulationsleitung 23 stromabwärts vom Regler 27 mündet. Das Wasserstoffgas, das aus dem Wasserstofftank 21 zur Wasserstoffgas-Zuleitung 22 strömt, und das Wasserstoffgas, das in der Zirkulationsleitung zurückströmt, vereinigen sich an einer Stelle, wo die Zuleitung 22 und die Zirkulationsleitung 23 sich vereinigen, zu einem Mischgas, das dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt wird. Ein Rückschlagventil 26, das ein Rückwärtsströmen des Wasserstoff-Abgases, das zum Brennstoffzellenstapel 40 zurückströmt, verhindert, ist stromabwärts von der Wasserstoffpumpe 24 in die Zirkulationsleitung 32 eingesetzt.
  • Ein Gas/Flüssigkeit-Separator 30, der Wasser aus dem in der Zirkulationsleitung 23 strömenden Wasserstoffabgas abtrennt, ist stromaufwärts von der Wasserstoffpumpe 24 eingesetzt. Ein Fluid, das in der Zirkulationsleitung 23 strömt, schließt das Wasserstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeführt wird, und Wasser, das während einer elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 40 erzeugt wird, ein. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 30 trennt das erzeugte Wasser vom Wasserstoffabgas. Das Wasserstoffabgas, von dem das Wasser abgetrennt wurde, wird durch die Wasserstoffpumpe 24 zum Brennstoffzellenstapel 40 zurückgeführt, während das Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 30 gewonnen wurde, über ein Ablassventil 31 aus einem Fluidrohr 32 zur Sauerstoffabgas-Ableitung 12 ausgeführt wird.
  • Das stromaufwärtige Ende des Fluidrohrs 32 ist mit dem Ablassventil 31 des Gas/Flüssigkeit-Separators 30 verbunden und das stromabwärtige Ende des Fluidrohrs 32 ist mit der Sauerstoffabgas-Ableitung 12 verbunden, in die das Wasser, das durch den Gas/Flüssigkeit-Separator 30 abgetrennt wurde, strömt. Ein Spülventil 33, das als Sperrventil zum Öffnen und Schließen der Ableitung 25 dient, ist in der Ableitung 25 angeordnet. Durch bedarfsgemäßes Öffnen und Schließen des Spülventils 33 können Verunreinigungen, die im Wasserstoffabgas enthalten sind, über die Ableitung 25 mit dem Wasserstoffabgas zur Sauerstoffabgas-Ableitung 12 ausgeführt werden. Durch Ausführen der Verunreinigungen, die im Wasserstoffabgas enthalten sind, über die Ableitung 25 kann eine Verunreinigungskonzentration im Wasserstoffabgas gesenkt werden und eine Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffabgas, das umgewälzt und dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt wird, kann erhöht werden.
  • In einem elektrischen Leistungssystem des Brennstoffzellensystems 10 sind eine wiederaufladbare Batterie 42 als Stromspeichereinrichtung, die elektrische Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 40 erzeugt wird, oder Energie, die während eines Abbremsens des Fahrzeugs regeneriert wird, speichert, ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41 zum Anpassen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 40 und zum Steuern der Verteilung der vom Brennstoffzellenstapel 40 und von der wiederaufladbaren Batterie 42 gelieferten Leistung und ein Antriebsumrichter 43 zum Umwandeln von Gleichstromleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 40 oder von der wiederaufladbaren Batterie 42 geliefert wird, in Wechselstromleistung und zum Zuführen der Wechselstromleistung zu einem Fahrmotor (einem Fahrzeug-Antriebsmotor) 44 angeordnet.
  • Die wiederaufladbare Batterie 42 ist eine Stromspeichereinrichtung, die in der Lage ist, elektrische Leistung zu laden und zu entladen, und dient als Speicherquelle für regenerative Energie während einer Bremsregeneration und als Energiezwischenspeicher während einer Laständerung, die mit einer Beschleunigung und Entschleunigung des Fahrzeugs einhergeht. Beispielsweise werden eine Nickel/Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Speicherbatterie, eine wiederaufladbare Lithiumbatterie oder dergleichen bevorzugt als wiederaufladbare Batterie 42 verwendet. Eine Stromspeichereinrichtung wie ein Kondensator kann anstelle der wiederaufladbaren Batterie 42 verwendet werden.
  • In einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems 10 sind eine Kühlmittelleitung 51 für die Zufuhr eines Kühlmittels, das in den Brennstoffzellenstapel 40 umgewälzt werden soll, eine Kühlmittelpumpe 54, um das Kühlmittel zu verdichten und durch die Kühlmittelleitung 51 zuzuführen, ein Kühlkörper 53, um das Kühlmittel zu kühlen, ein Bypass-Ventil 52, um das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung 51 unter Umgehung des Kühlkörpers 53 zuzuführen, angeordnet. Durch Anpassen der Kühlmittelmenge, die den Kühlkörper 53 umgeht, kann die Kühlmitteltemperatur angepasst werden.
  • In einem Steuersystem des Brennstoffzellensystems 10 ist eine Steuereinrichtung 60 zum Steuern des gesamten Brennstoffzellensystems 10 angeordnet. Die Steuereinrichtung 60 ist eine Steuereinheit (ECU), die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Speichereinheit (ROM, RAM), eine Eingabe- und Ausgabeschnittstelle oder dergleichen aufweist. Die Steuereinrichtung 60 steuert das Brennstoffzellensystem 10 durch Überwachen des Betriebszustands auf der Basis von Sensorausgaben von verschiedenen Sensoren.
  • Als Sensoren sind ein Zündschalter 71 zum Ausgeben von Start/Stopp-Signalen, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 72 zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, ein Beschleunigersensor 73 zum Erfassen einer Beschleuniger- bzw. Gaspedalstellung, ein Spannungssensor 74 zum Erfassen einer Ausgangsspannung jeder Zelle, die Bestandteil des Brennstoffzellenstapels 40 ist, ein Temperatursensor 76 zum Erfassen einer Temperatur (FC-Temperatur) des Brennstoffzellenstapels 40, ein Luftstromsensor 77 zum Erfassen einer Strömungsrate einer Luft, die aus einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 40 strömt, ein Luftdrucksensor 78 zum Erfassen eines Druckes der Luft, die aus dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 40 strömt, ein SOC-(Ladezustands-)Sensor 79 zum Erfassen eines Ladezustands der wiederaufladbaren Batterie 40 oder dergleichen vorgesehen.
  • Wenn beispielsweise die Steuereinrichtung 60 ein Startsignal empfängt, das vom Zündschalter 71 ausgegeben wird, startet die Steuereinrichtung 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und berechnet die elektrische Leistung, die vom gesamten System benötigt wird, auf der Basis eines Beschleunigersignals, das vom Beschleunigersensor 73 ausgegeben wird, oder eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 72 ausgegeben wird. Die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung ist eine Gesamtsumme aus elektrischer Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs und elektrischer Leistung für Zubehör. Die elektrische Leistung für Zubehör schließt beispielsweise elektrische Leistung, die von Zubehör innerhalb des Fahrzeugs (Befeuchtungseinrichtung, Luftkompressor, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserumwälzpumpe oder dergleichen) verbraucht wird, elektrische Leistung, die von Geräten verbraucht wird, die notwendig sind, damit das Fahrzeug fahren kann (Gangschaltung, Radsteuereinrichtung, Lenkeinrichtung, Aufhängungseinrichtung oder dergleichen), und elektrische Leistung, die von Geräten verbraucht wird, die in einem Insassenraum angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtungsgeräte, Audiosystem oder dergleichen), ein.
  • Die Steuereinrichtung 60 bestimmt die Verteilung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 40 und der wiederaufladbaren Batterie 42, passt eine Drehzahl des Luftkompressors 14 oder eine Ventilstellung des Reglers 27 so an, dass die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 40 der angestrebten elektrischen Leistung entspricht, und passt die Menge an Reaktionsgas, das dem Brennstoffzellenstapel 40 zugeführt wird, an. Die Steuereinrichtung 60 steuert auch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41 und passt eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 40 an, um einen Betriebspunkt (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 40 zu steuern. Die Steuereinrichtung 60 gibt auch verschiedene Wechselspannungs-Befehlswerte einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase als Schaltbefehl an den Umrichter 43 aus und steuert ein Eingangsmoment und eine Drehzahl des Fahrmotors 44, so dass eine angestrebte Fahrzeuggeschwindigkeit, die einer Gaspedalstellung entspricht, erreicht werden kann.
  • Nun wird ein erstes Verfahren, mit dem die wiederaufladbare Batterie 42 mit für einen Spülprozess benötigter elektrischer Leistung aufgeladen wird, allgemein mit Bezug auf 2 beschrieben.
  • Wenn die Steuereinrichtung 60 das Startsignal empfängt, das vom Zündschalter 71 ausgegeben wird, startet die Steuereinrichtung 60 einen Normalbetrieb (Schritt 201). Während des Normalbetriebs berechnet die Steuereinrichtung 60 die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung auf der Basis des Gaspedal-Positionssignals, das vom Beschleunigersensor 73 ausgegeben wird, oder des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 72 ausgegeben wird, bestimmt die Verteilung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 40 und der wiederaufladbaren Batterie 42 und steuert Zubehör, so dass die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 40 der angestrebten elektrischen Leistung entspricht.
  • Die Steuereinrichtung 60 steuert den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 41, legt ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel 40 an und erfasst die Ansprechspannung durch den Spannungssensor 74, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 zu messen (Schritt 202).
  • Wenn die Ansprechspannung, der Ansprechstrom und die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 während der Anlegung des Wechselstromsignals an den Brennstoffzellenstapel 40 als E, I bzw. Z bezeichnet werden, kann bekanntlich die folgende Relationsgleichung aufgestellt werden. E = E0expj(ωt + Φ) I = I0expjωt Z = E/I = (E0/I0)expjΦ = R + jχ
  • E0 bezeichnet eine Amplitude der Ansprechspannung, I0 bezeichnet eine Amplitude des Ansprechstroms, ω bezeichnet eine Kreisfrequenz, Φ bezeichnet eine Anfangsphase, R bezeichnet eine Widerstandskomponente (realer Teil), χ bezeichnet eine Reaktanzkomponente (imaginärer Teil), j bezeichnet eine imaginäre Einheit und t bezeichnet die Zeit.
  • Die Steuereinrichtung 60 misst eine FC-Temperatur auf der Basis einer Ausgabe des Temperatursensors 76 (Schritt 203).
  • Die Steuereinrichtung 60 schätzt die Menge an im Brennstoffzellenstapel 40 zurückgebliebenem Wasser auf der Basis der Wechselstromimpedanz, die in Schritt 202 gemessen wird, und berechnet einen Ladezustand (nachstehend als Ladezustand 1 bezeichnet) für das Aufladen der wiederaufladbaren Batterie 42 mit elektrischer Leistung, die benötigt wird, um die Wassermenge auszuspülen. Die Steuereinrichtung 60 schätzt auch eine Trocknungsrate (die Menge an ausgeführtem Wasser pro Zeiteinheit), um das Wasser im Brennstoffzellenstapel 40 auszuspülen, auf der Basis der in Schritt 203 gemessenen FC-Temperatur und berechnet einen Ladezustand (nachstehend als Ladezustand 2 bezeichnet) für das Laden der wiederaufladbaren Batterie 42 mit elektrischer Leistung, die benötigt wird, um das zurückgebliebene Wasser bei der Trocknungsrate auszuspülen. Die Steuereinrichtung 60 setzt als Ziel-Ladezustand entweder Ladezustand 1 oder Ladezustand 2, je nachdem, welcher von beiden einen höheren Wert aufweist (Schritt 204).
  • Die Steuereinrichtung 60 steuert die Ladung und Entladung der wiederaufladbaren Batterie 42, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 42 dem Ziel-Ladezustand entspricht, durch Überwachen des Ladezustands der wiederaufladbaren Batterie 42 auf der Basis eines Ausgabewerts vom Ladezustandsensor 79 (Schritt 205).
  • Dann bestimmt die Steuereinrichtung 60, ob eine Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung besteht (Schritt 206). Wenn der Zündschalter 71 von EIN auf AUS geschaltet wird, wird die Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung an die Steuereinrichtung 60 ausgegeben. Solange keine Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung gegeben ist (Schritt 206; NEIN), führt die Steuereinrichtung 60 die Verfahren der Schritte 201 bis 205 aus.
  • Da sich die Wechselstromimpedanz oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 40 abhängig vom Betriebszustand ständig ändert, ändert sich auch der Ziel-Ladezustand ständig in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Die Steuereinrichtung 60 folgt dem Ziel-Ladezustand, der sich ständig ändert, um die Ladung und Entladung der wiederaufladbaren Batterie 42 zu steuern.
  • Wenn die Steuereinrichtung 60 die Forderung nach Unterbrechung der Leistungserzeugung empfängt (Schritt 206: JA), steuert die Steuereinrichtung den Luftkompressor 14 unter Verwendung der elektrischen Leistung, die in der wiederaufladbaren Batterie 42 gespeichert ist, an und liefert ein Spülgas zum Gaskanal im Brennstoffzellenstapel 40, um das Wasser im Gaskanal auszuspülen (Schritt 207). Der Luftkompressor 14 dient als Spüleinrichtung zum Ausspülen von Wasser im Brennstoffzellenstapel 40.
  • Im Schritt 202 kann die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 unter Verwendung einer Einrichtung zum Messen des inneren Widerstands gemessen werden. Die Einrichtung zum Messen des inneren Widerstands ist beispielsweise eine Hochfrequenzimpedanz-Messeinrichtung, die in der Lage ist, die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 durch Anlegen eines Hochfrequenzstroms an den Brennstoffzellenstapel 40 und Erfassen der Spannungsantwort zu ermitteln.
  • Ein Verfahren zum Berechnen des Ziel-Ladezustands (Schritt 204) wird ausführlich mit Bezug auf 3 beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung 60 berechnet den Ladezustand 1 auf der Basis der Wechselstromimpedanz 101, die in Schritt 202 gemessen wurde, und eines Wechselstromimpedanz/Ladezustands-Kennfelds 102. Das Wechselstromimpedanz/Ladezustands-Kennfeld 102 ist ein Kennfeld, in dem die laterale Achse die Wechselstromimpedanz darstellt und die vertikale Achse den Ladezustand darstellt, und der Ladezustand für die Aufladung der wiederaufladbaren Batterie 42 mit der elektrischen Leistung, die zum Ausspülen der Wassermenge erforderlich ist, die aus der Wechselstromimpedanz geschätzt wird, ist darauf eingetragen.
  • Die Steuereinrichtung 60 berechnet den Ladezustand 2 auf der Basis der FC-Temperatur 103, die in Schritt 203 gemessen wird, und eines FC-Temperatur/Ladezustand-Kennfelds 104. Das FC-Temperatur/Ladezustand-Kennfeld 104 ist ein Kennfeld, in dem die laterale Achse die FC-Temperatur darstellt und die vertikale Achse den Ladezustand darstellt, und der Ladezustand für die Aufladung der wiederaufladbaren Batterie mit der elektrischen Leistung, die bei der Trocknungsrate, die aus der FC-Temperatur errechnet wurde, zum Ausspülen des verbliebenen Wassers erforderlich ist, ist darauf eingetragen. Wenn die FC-Temperatur hoch ist, ist die Trocknungsrate hoch und daher ist weniger elektrische Energie für das Spülen erforderlich. Wenn die FC-Temperatur 103 niedrig ist, ist die Trocknungsrate niedrig und daher ist mehr elektrische Energie zum Spülen erforderlich.
  • Die Steuereinrichtung 60 ordnet Argumente Ladezustand 1 und Ladezustand 2 einer MAX-Funktion 105 zu und setzt den Ergebniswert als Ziel-Ladezustand 106. Die MAX-Funktion 105 ist eine Funktion, die den maximalen Wert einer Vielzahl von Argumenten liefert.
  • Die Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel 40 zurückbleibt, kann auf der Basis der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 geschätzt werden. Durch Schätzen des Ziel-Ladezustands für das Laden der wiederaufladbaren Batterie 42 mit der elektrischen Leistung, die erforderlich ist, um das Wasser, das bei Unterbrechung der Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, auszuspülen, und durch Steuern der Ladung und Aufladung der wiederaufladbaren Batterie 42, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 42 mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt, kann die elektrische Leistung, die für das Spülverfahren erforderlich ist, in der wiederaufladbaren Batterie 42 ohne ein Zuviel oder Zuwenig gespeichert werden.
  • Die Steuereinrichtung 60 dient als Schätzeinrichtung zum Schätzen der Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel 40 zurückbleibt, auf der Basis der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 40 und zum Schätzen des Ziel-Ladezustands zum Laden der wiederaufladbaren Batterie 42 mit der elektrischen Leistung, die zum Ausspülen der Wassermenge erforderlich ist (Schritt 204), und als Ladezustand-Steuereinrichtung zum Steuern des Ladens und Aufladens der wiederaufladbaren Batterie, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 42 mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt (Schritt 205).
  • Nun wird ein zweites Verfahren zum Laden der wiederaufladbaren Batterie 42 mit elektrischer Leistung, die für das Spülverfahren erforderlich ist, allgemein mit Bezug auf 4 beschrieben.
  • Im ersten Verfahren, das oben beschrieben wurde, wird die Wechselstromimpedanz durch Steuern des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 41, um das Wechselstromsignal an den Brennstoffstapel 40 auszugeben, und durch Erfassen der Ansprechspannung gemessen. In einem Betriebsbereich, wo der Totzeit-Korrekturbetrag des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 41 sich stark ändert, ist die Ansprechempfindlichkeit des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 41 jedoch herabgesetzt, und somit kann in manchen Fällen die Wechselstromimpedanz unter Verwendung des Gleichstrom/-Gleichstrom-Wandlers 41 nicht exakt gemessen werden. In solchen Fällen ist es bevorzugt, die Messung der Wechselstromimpedanz vorübergehend zu unterbrechen und die Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 40 auf Basis der Wasserbilanzberechnung zu schätzen.
  • Das zweite Verfahren unterscheidet sich vom ersten Verfahren dahingehend, dass die Wasserbilanzberechnung (Schritt 402) anstelle der Messung der Wechselstromimpedanz (Schritt 202) durchgeführt wird. Die anderen Schritte (Schritt 401, Schritte 403 bis 407) im zweiten Verfahren entsprechen jeweils den Schritten (Schritt 201, Schritte 203 bis 207) im ersten Verfahren.
  • Da die zurückgebliebene Wassermenge oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 40 sich abhängig vom Betriebszustand ständig ändert, ändert sich auch der Ziel-Ladezustand ständig in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Die Steuereinrichtung 60 folgt dem sich ständig ändernden Ziel-Ladezustand, um Ladung und Entladung der wiederaufladbaren Batterie 42 zu steuern.
  • Nun wird ein Rechenprozess für die Wasserbilanzberechnung (Schritt 402) ausführlich mit Bezug auf 5 beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung 60 multipliziert einen FC-Stromwert 107, der aus einem Ausgabewert des Stromsensors 75 gemessen wird, mit einem Faktor 110, um eine erzeugte Wassermenge W1 [g/s] zu berechnen. Der Faktor 110 ist ein konstanter Wert mit dem Wert Anzahl der Zellen/LVFF/2×18, und LVFF ist eine Faraday-Konstante (96.500 C/Mol). Die Steuereinrichtung 60 berechnet auch einen Wasserdampfdruck U1 aus einer FC-Temperatur 103, die aus einem Ausgabewert des Temperatursensors 76 gemessen wird, und aus einem Wassersättigung/Wasserdampf-Eigenschaftskennfeld 111 und misst einen Luftdruckwert 109 (nachstehend als Luftdruckwert U2 bezeichnet) aus einem Ausgabewert des Luftdrucksensors 78. Die Steuereinrichtung 60 ordnet Argumente U1 und U2 einer Funktion 112 zu und berechnet ein Partialdruckverhältnis V1 von Wasserdampf und Luft.
  • Die Steuereinrichtung 60 multipliziert den FC-Stromwert 107, der aus dem Ausgabewert des Stromsensors 75 gemessen wird, mit einem Faktor 113, um eine Luftverbrauchsrate A1 [Mol/s] zu berechnen. Der Faktor 113 ist ein konstanter Wert mit dem Wert Anzahl der Zellen/LVFF/4. Die Steuereinrichtung 60 misst einen Luftströmungsratenwert 108 (nachstehend als Luftströmungsratenwert A2 [Mol/s] bezeichnet) des Kathodenauslasses aus einem Ausgabewert des Luftströmungssensors 77. Die Steuereinrichtung 60 berechnet eine Luftströmungsrate V2, die in entferntes Wasser umgewandelt wird, anhand von Luftströmungsrate A2 – Luftverbrauchsrate A1. Die Steuereinrichtung ordnet Argumente V1 und V2 einer Multiplikationsfunktion 115 zu und multipliziert den Ergebniswert mit einem Faktor 116, um eine entfernte Wassermenge W2 [g/s] zu berechnen. Der Faktor 116 ist ein konstanter Wert mit dem Wert 18. Die entfernte Wassermenge W2 wird mit einem Faktor 117 mit dem Wert –1 multipliziert und wird eine negative Zahl.
  • Die Steuereinrichtung 60 berechnet ein Wasserdampftauschverhältnis X1, das der Luftströmungsrate A2 entspricht, auf der Basis eines Befeuchtungsmodul-Wasserdampftauschverhältnis-Kennfelds 118. Die Steuereinrichtung ordnet Argumente W1 und W2 einer MIN-Funktion 119 zu und setzt den Ergebniswert als X2 ein. Die MIN-Funktion 119 ist eine Funktion, die den Mindestwert einer Vielzahl von Argumenten ergibt. Die Steuereinrichtung 60 ordnet Argumente X1 und X2 einer Multiplikationsfunktion 120 zu und setzt den Ergebniswert als Befeuchtungswassermenge W3 [g/s] ein. Die Steuereinrichtung 60 ordnet Argumente W1, –W2 und W3 einer Additionsfunktion 121 zu und setzt den Ergebniswert als Wassermenge 122 ein, die im Brennstoffstapel 40 zurückbleibt.
  • Nun wird ein Verfahren zum Berechnen des Ziel-Ladezustand (Schritt 404) ausführlich mit Bezug auf 6 beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung 60 berechnet die Wechselstromimpedanz auf der Basis der Wassermenge 122, die durch die Wasserbilanzberechnung in Schritt 402 erhalten wird, und eines Wassermenge/Wechselstromimpedanz-Kennfelds 123. Das Wassermenge/-Wechselstromimpedanz-Kennfeld 123 ist ein Kennfeld, in dem die laterale Achse die Wassermenge darstellt und die vertikale Achse die Wechselstromimpedanz darstellt, und die Wechselstromimpedanz, die der Wassermenge entspricht, ist darin eingezeichnet. Die Steuereinrichtung 60 berechnet den Ladezustand 1 auf der Basis der Wechselstromimpedanz und des Wechselstromimpedanz/Ladezustand-Kennfelds 102.
  • Die Steuereinrichtung 60 berechnet den Ladezustand 2 auf der Basis der FC-Temperatur 103, die in Schritt 403 gemessen wird, und des FC-Temperatur/Ladezustand-Kennfelds 104 und ordnet Argumente Ladezustand 1 und Ladezustand 2 der MAX-Funktion 105 zu, um den Ergebniswert als Ziel-Ladezustand 106 einzusetzen.
  • Die im Brennstoffzellenstapel 40 zurückgebliebene Wassermenge kann durch Berechnen der Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels 40 geschätzt werden. Durch Schätzen des Ziel-Ladezustand für die Ladung der wiederaufladbaren Batterie 42 mit der elektrischen Leistung, die erforderlich ist, um das Wasser, das bei Unterbrechung der Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel 40 zurückbleibt, auszuspülen, und durch Steuern von Ladung und Aufladung der wiederaufladbaren Batterie, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 42 mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt, kann die elektrische Leistung, die für den Spülprozess erforderlich ist, in der wiederaufladbaren Batterie 42 ohne ein Zuviel oder Zuwenig gespeichert werden.
  • Die Steuereinrichtung 60 dient als Schätzeinrichtung zum Schätzen der Wassermenge, die im Brennstoffzellenstapel 40 zurückbleibt, auf der Basis der Berechnung der Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels 40 (Schritt 402) und zum Schätzen des Ziel-Ladezustands für das Laden der wiederaufladbaren Batterie 42 mit der elektrischen Leistung, die benötigt wird, um die Wassermenge auszuspülen (Schritt 404), und als Ladezustand-Steuereinrichtung zum Steuern der Ladung und Aufladung der wiederaufladbaren Batterie 42, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 42 mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt (Schritt 405).
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die elektrische Leistung, die für das Spülverfahren erforderlich ist, auf der Basis der Wechselstromimpedanz oder der Berechnung der Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels zu schätzen, die elektrische Leistung in der Stromspeichereinrichtung während eines Zellenbetriebs zu speichern. Daher kann bei Unterbrechung der Leistungserzeugung der erforderliche und angemessene Spülprozess durchgeführt werden.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem (10), wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist, wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (40) zum Erzeugen von elektrischer Leistung durch Empfangen eines zugeführten Reaktionsgases; eine Spüleinrichtung (14) zum Ausspülen von Wasser, das im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist; eine Stromspeichereinrichtung (42) zum Liefern von elektrischer Leistung zur Spüleinrichtung, zum Betrieb derselben; und eine Steuereinrichtung (60) zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems (10); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Schätzen einer im Brennstoffzellenstapel zurückgebliebenen Wassermenge auf der Basis einer Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels; Schätzen eines Ziel-Ladezustands für das Laden der Stromspeichereinrichtung mit elektrischer Leistung, die erforderlich ist, um die Wassermenge auszuspülen; und Steuern des Ladens und Entladens der Stromspeichereinrichtung, so dass ein Ladezustand der Stromspeichereinrichtung mit dem Ziel-Ladezustand übereinstimmt.
  2. Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem (10), wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist, wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (40) zum Erzeugen von elektrischer Leistung durch Empfangen eines zugeführten Reaktionsgases; eine Spüleinrichtung (14) zum Ausspülen von Wasser, das im Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist; eine Stromspeichereinrichtung (42) zum Liefern von elektrischer Leistung zur Spüleinrichtung, zum Betrieb derselben; und eine Steuereinrichtung (60) zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems (10); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Schätzen einer im Brennstoffzellenstapel zurückgebliebenen Wassermenge auf der Basis einer Berechnung einer Wasserbilanz des Brennstoffzellenstapels; Schätzen eines Ziel-Ladezustands für das Laden der Stromspeichereinrichtung mit elektrischer Leistung, die erforderlich ist, um die Wassermenge auszuspülen; und Steuern des Ladens und Entladens der Stromspeichereinrichtung, so dass ein Ladezustand der elektrischen Speichereinrichtung mit dem Ziel-Ladeszustand übereinstimmt.
DE112007002405T 2006-10-18 2007-09-12 Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem Expired - Fee Related DE112007002405B8 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006-284165 2006-10-18
JP2006284165A JP5062512B2 (ja) 2006-10-18 2006-10-18 燃料電池システム
PCT/JP2007/068215 WO2008047526A1 (fr) 2006-10-18 2007-09-12 Système de pile à combustible

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE112007002405T5 DE112007002405T5 (de) 2009-07-30
DE112007002405B4 true DE112007002405B4 (de) 2013-07-25
DE112007002405B8 DE112007002405B8 (de) 2013-10-02

Family

ID=39313776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112007002405T Expired - Fee Related DE112007002405B8 (de) 2006-10-18 2007-09-12 Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8221924B2 (de)
JP (1) JP5062512B2 (de)
KR (1) KR101083370B1 (de)
CN (1) CN101490884B (de)
DE (1) DE112007002405B8 (de)
WO (1) WO2008047526A1 (de)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4618294B2 (ja) * 2007-10-25 2011-01-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4940175B2 (ja) * 2008-03-24 2012-05-30 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその起動方法
JP2010015866A (ja) * 2008-07-04 2010-01-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、移動体、および、自動車
US8215331B2 (en) * 2009-11-13 2012-07-10 Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide, Inc. Leak mitigation for pressurized bi-directional systems
US8326477B2 (en) * 2010-02-26 2012-12-04 GM Global Technology Operations LLC Heel and toe driving on fuel cell vehicle
JP5510060B2 (ja) * 2010-05-20 2014-06-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
KR101500023B1 (ko) * 2010-09-29 2015-03-06 현대자동차주식회사 셀 운전상태 모니터링용 가상 음원 발생 장치 및 방법
JP5803445B2 (ja) * 2011-09-01 2015-11-04 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20130065088A1 (en) * 2011-09-12 2013-03-14 Research In Motion Limited Integrated starter element for a fuel cell in a handheld device
KR101601487B1 (ko) 2014-09-18 2016-03-09 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법
JP6198146B2 (ja) * 2014-11-13 2017-09-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP6314799B2 (ja) * 2014-11-13 2018-04-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の制御方法
JP6258378B2 (ja) * 2016-02-26 2018-01-10 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法
JP7119705B2 (ja) * 2018-07-26 2022-08-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN111490270B (zh) * 2019-01-28 2021-11-19 长城汽车股份有限公司 燃料电池的净化控制方法和装置
KR20200129268A (ko) * 2019-05-08 2020-11-18 현대자동차주식회사 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법
JP7405623B2 (ja) * 2020-01-16 2023-12-26 株式会社Subaru 燃料電池システムおよびその排気湿度推定方法
DE102020113105A1 (de) 2020-05-14 2021-11-18 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zum Ausschalten einer Brennstoffzellenvorrichtung
JP7367613B2 (ja) * 2020-05-22 2023-10-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN114683968B (zh) * 2020-12-30 2024-02-27 丰田自动车株式会社 车辆控制方法及装置、存储介质、终端

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006179472A (ja) * 2004-11-29 2006-07-06 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及び蓄電装置の充電制御方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4759815B2 (ja) 2001-02-13 2011-08-31 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP5119565B2 (ja) * 2001-09-12 2013-01-16 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP3702827B2 (ja) 2001-10-02 2005-10-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
ATE344975T1 (de) * 2002-07-01 2006-11-15 Sfc Smart Fuel Cell Ag Regelung des wasserhaushalts in brennstoffzellensystemen
JP4144323B2 (ja) 2002-10-29 2008-09-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の状態判定装置および燃料電池システム
DE10314820B4 (de) * 2003-04-01 2016-11-24 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) Verfahren zum Verhindern der Einfrierung von Wasser im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
JP4513308B2 (ja) 2003-11-04 2010-07-28 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP4575693B2 (ja) * 2004-03-30 2010-11-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005302491A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006092801A (ja) 2004-09-21 2006-04-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4887619B2 (ja) * 2004-11-29 2012-02-29 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4860930B2 (ja) * 2005-01-18 2012-01-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの停止方法及び燃料電池システム
JP2006278085A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Honda Motor Co Ltd 燃料電池移動体
US20060251932A1 (en) * 2005-05-04 2006-11-09 Wagner Frederick T Method of reducing delamination

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006179472A (ja) * 2004-11-29 2006-07-06 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及び蓄電装置の充電制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5062512B2 (ja) 2012-10-31
US20090162710A1 (en) 2009-06-25
CN101490884B (zh) 2011-08-31
CN101490884A (zh) 2009-07-22
KR101083370B1 (ko) 2011-11-14
KR20090055032A (ko) 2009-06-01
DE112007002405T5 (de) 2009-07-30
WO2008047526A1 (fr) 2008-04-24
JP2008103170A (ja) 2008-05-01
DE112007002405B8 (de) 2013-10-02
US8221924B2 (en) 2012-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007002405B4 (de) Verfahren zum Ausspülen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem
DE112008003072B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008000649B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112007002792B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008000628B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112013006841B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerungsverfahren eines Brennstoffzellensystems
DE112008002094B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008001357T9 (de) Brennstoffzellensystem
DE112010002074B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems
DE112008000838B4 (de) Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungs-Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem
DE102006035851B4 (de) Brennstoffzellensystem, Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug und Lademengeneinstellverfahren für Engergiespeicher
DE112012005964B4 (de) Brennstoffzellensystem mit Katalysatoraktivierungsfunktion
DE112008001827B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Steuerung
DE112008002649B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102017109410B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür
DE112007000171B4 (de) Bewegliches Objekt mit einem Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Leistungserzeugung eines in einem beweglichen Objekt installierten Brennstoffzellensystems
DE102013224604A1 (de) Verfahren zum Stoppen eines elektrischen Leistungssystems eines Fahrzeugs
DE102012210350A1 (de) Brennstoffzellensystem und Fahrzeug ausgestattet mit demselben
DE102018109395A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102012215944B4 (de) Brennstoffzellenfahrzeug
DE102012203344A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE112012006188T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112008003416T5 (de) Brennstoffbatterie-System
DE112012005965T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112009005282T5 (de) Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R082 Change of representative

Representative=s name: KUHNEN & WACKER PATENT- UND RECHTSANWALTSBUERO, DE

R020 Patent grant now final

Effective date: 20131026

R084 Declaration of willingness to licence
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008042230