DE112007002655T5 - Brennstoffzellensystem, Steuerungsverfahren für dasselbe und bewegbarer Körper - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, bei dem eine einer Brennstoffzelle zuzuführende Gasmenge begrenzt ist, um einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen, wobei
eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, während des Niedrigeffizienzbetriebs erfasst wird, und
die der Brennstoffzelle zuzuführende Gasmenge basierend auf der erfassten Wassermenge begrenzt ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Brennstoffzellensystems, das während eines Hochstartens einen Niedrigeffizienzbetrieb für ein Aufwärmen durchführt.
  • Wenn eine Brennstoffzelle in einer Niedrigtemperaturumgebung bei oder unter dem Gefrierpunkt einen Betrieb startet, gefriert das Wasser, das in einer Kathodenelektrode, einer Anodenelektrode oder einer Diffusionsschicht zurückbleibt, und behindert den Gasfluss, und das Wasser, das in der Polymerelektrolytmembran zurückbleibt, gefriert, wodurch die Protonenleitfähigkeit verringert wird. Aus diesem Grund wird bei einem Niedrigtemperatur-Hochstarten ein Aufwärmbetrieb einer Brennstoffzelle durchgeführt und dann ein Übergang zu einem Hocheffizienzbetrieb vorgenommen.
  • Bei dem Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle ist die Leistungsgenerierungseffizienz verringert und die Menge einer selbst generierten Wärme erhöht, um das Aufwärmen zu verstärken. Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-174645 (Absätze 0013, 0037 bis 0048) beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Durchführen des Aufwärmbetriebs einer Brennstoffzelle in einem Zustand, in dem die Flussrate des oxidierenden Gasmittels, das einem Teil der Brennstoffzelle zugeführt wird, reduziert oder angehalten ist. Bei einem solchen Verfahren geht in dem Abschnitt, in dem das oxidierende Gasmittel abwesend ist, eine Reduktionsreaktion vor sich, es wird Wasserstoff generiert, und es wird Wärme erzeugt, wodurch eine intensive Temperaturerhöhung sichergestellt wird.
  • Die nationale Veröffentlichung der Übersetzung der internationalen Anmeldung Nr. 2003-504807 (Absatz 0009) beschreibt ein Verfahren, durch das in einem Teil einer Brennstoffzelle auf ähnliche Weise ein Defizit eines Reaktionsprodukts hervorgerufen wird, der Grad einer Überspannung in diesem Teil erhöht wird und Wärme generiert wird.
  • Bei dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem, das einen Niedrigeffizienzbetrieb durchführt, wird jedoch die Brennstoffzellentemperatur überwacht und der Niedrigeffizienzbetrieb gestoppt, wenn die Temperatur ansteigt (siehe beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-174645 , Absatz 0040), wenn jedoch die Menge an einem oxidierenden Gasmittel, die während des Niedrigeffizienzbetriebs zugeführt wird, zu groß ist, tritt die exotherme Reaktion nicht auf, es wird eine überschüssige Wassermenge erzeugt, und es besteht ein Risiko eines Hemmens des Aufwärmbetriebs.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wassermenge, die bei dem Niedrigeffizienzbetrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird, korrekt zu bestimmen und das geeignete Aufwärmen zu ermöglichen.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Gasmenge, die einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, begrenzt ist, um einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen, wobei eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, während des Niedrigeffizienzbetriebs erfasst wird und die Gasmenge, die der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf der erfassten Wassermenge begrenzt ist.
  • Das Brennstoffzellensystem weist beispielsweise eine Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Wassermenge, die während des Niedrigeffizienzbetriebs in der Brennstoffzelle erzeugt wird, und eine Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der Gasmenge, die der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf der erfassten Wassermenge auf.
  • Mit einer solchen Konfiguration wird die Wassermenge, die während eines Niedrigeffizienzbetriebs erzeugt wird, bestimmt und die Gasmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, basierend auf der erfassten Wassermenge begrenzt. Daher kann die Wahrscheinlichkeit, dass die zugeführte Gasmenge zu groß ist, eine überschüssige Wassermenge erzeugt wird und der Aufwärmbetrieb behindert wird, reduziert werden.
  • Die Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung weist hier beispielsweise eine Ausgangsstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, eine Ausgangsstrom-Integrationseinrichtung zum Integrieren des erfassten Ausgangsstroms für jeden Erfassungszeitpunkt und eine Wassererzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung zum Schätzen der erzeugten Wassermenge basierend auf dem integrierten Ausgangsstrom auf.
  • Mit einer solchen Konfiguration wird der Ausgangsstrom erfasst, und die Gesamtwassermenge, die nach dem Hochstarten durch die elektrochemische Reaktion generiert wird, kann basierend auf dem integrierten Wert des Ausgangsstroms bestimmt werden.
  • Die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung weist hier beispielsweise eine Ausgangsspannungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle, eine Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung zum Schätzen eines Ausgangsstroms nach einem vorbestimmten Intervall basierend auf der geschätzen Menge an erzeugtem Wasser, der erfassten Ausgangsspannung und der erfassten Temperatur, eine Gasflussraten-Schätzungseinrichtung zum Schätzen einer Flussrate, mit der ein Gas der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf dem geschätzten Ausgangsstrom nach einem vorbestimmten Intervall und eine Gaszufuhr-Steuerungseinrichtung zum Zufüren des Gases zu der Brennstoffzelle mit der geschätzten Flussrate auf.
  • Mit einer solchen Konfiguration kann die Strommenge zu dem nächsten Steuerungszeitpunkt basierend auf dem Spannungswert, der zu dem vorbestimmten Steuerungszeitpunkt erfasst wird, der Temperatur und der erzeugten Wassermenge, die mit der Wassererzeugungs-Erfassungseinrichtung erfasst wird, korrekt vorhergesagt werden, die Gaszufuhrmenge, die zum Generieren einer solchen Strommenge passend ist, bestimmt werden und das Gas der Brennstoffzelle in einer solchen Zufuhrmenge zugeführt werden. Daher kann ein geeigneter Aufwärmbetrieb durchgeführt werden, ohne überschüssiges Wasser zu erzeugen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass die Wassermenge basierend auf einem Zustand eines Abschnitts mit relativ ungünstigen Bedingungen innerhalb der Brennstoffzelle erfasst wird.
  • Da ein Abschnitt, in dem Bedingungen ohne weiteres relativ ungünstig werden können, ein Abschnitt ist, in dem der geeignete Aufwärmbetrieb gehemmt wird, ermöglicht ein Erfassen der Wassermenge in diesem Abschnitt mit einer solchen Konfiguration einen geeigneteren Aufwärmbetrieb.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung begrenzt beispielsweise die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung die Zufuhr eines Kathodengases. Dies liegt daran, dass durch Einsetzen eines geeigneten oxidierenden Gasmittels ein Niedrigeffizienzbetrieb durchgeführt werden kann.
  • Ferner ist das Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Gasmenge, die einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, begrenzt wird, um einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen, wobei das Verfahren einen Schritt zum Erfassen einer Wassermenge, die während des Niedrigeffizienzbetriebs in der Brennstoffzelle erzeugt wird, und einen Schritt zum Begrenzen der Gasmenge, die der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf der erfassten Wassermenge aufweist.
  • Der Schritt zum Erfassen der Wassermenge weist somit einen Schritt zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, einen Schritt zum Integrieren des erfassten Ausgangsstroms für jeden Erfassungszeitpunkt und einen Schritt zum Schätzen der erzeugten Wassermenge basierend auf dem integrierten Ausgangsstrom auf.
  • Ferner weist der Schritt zum Begrenzen der zugeführten Gasmenge einen Schritt zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, einen Schritt zum Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle, einen Schritt zum Schätzen eines Ausgangsstroms nach einem vorbestimmten Intervall basierend auf der geschätzen Menge an erzeugtem Wasser, der erfassten Ausgangsspannung und der erfassten Temperatur, einen Schritt zum Schätzen einer Flussrate, mit der ein Gas der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf dem geschätzten Ausgangsstrom nach einem vorbestimmten Intervall und ein Zuführen des Gases zu der Brennstoffzelle mit der geschätzten Flussrate auf.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise an einem bewegbaren Körper angebracht. Dies liegt daran, dass die vorliegende Erfindung auf einen Niedrigeffizienzbetrieb während eines Hochstartens, wenn in einem bewegbaren Körper ein Aufwärmbetrieb durchgeführt wird, angewandt werden kann.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Systemkonfigurationszeichnung eines Brennstoffzellensystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
  • 2 ist ein Funktionsblockdiagramm für einen Niedrigeffizienzbetrieb während eines Hochstartens bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt die Beziehungen (eine Konstantspannung) des Ausgangsstroms I und der generierten Wassermenge g gegenüber der Zeit, die während eines Hochstartens verstrichen ist.
  • 4 zeigt die Beziehung zwischen der generierten Wassermenge g und dem Ausgangsstrom I.
  • 5 ist eine erklärende Zeichnung, die die geeignete Steuerungskurve bei der Beziehung zwischen der generierten Wassermenge und dem Ausgangsstrom darstellt.
  • 6 ist ein Verarbeitungsflussdiagramm eines Niedrigeffizienzbetriebs bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
  • 7 ist eine erklärende Zeichnung einer Position einer Einheitszelle, die ein Gasbegrenzungsgegenstand bei einem Modifikationsbeispiel ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 ist eine Systemkonfigurationszeichnung eines Brennstoffzellensystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 durch ein Brennstoffgas-Zufuhrsystem 4 zum Zuführen eines Brennstoffgases (eines Wasserstoffgases) zu einer Brennstoffzelle 20, ein Zufuhrsystem 7 für ein oxidierendes Gas zum Zuführen eines oxidierenden Gases (Luft) zu der Brennstoffzelle 20, ein Kühlsystem 3 zum Kühlen der Brennstoffzelle 20 und ein Leistungssystem 9, das mit der Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 generiert wird, geladen wird und die Leistung entladen kann, konfiguriert.
  • Die Brennstoffzelle 20 weist einen gemeinsamen Membranelektrodenkörper 24 auf, in dem eine Anodenelektrode 22 und eine Kathodenelektrode 23 beispielsweise durch Siebdruck an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran 21, die beispielsweise aus einem Protonen leitenden Ionenaustauschharz, das aus einem Fluorharz oder dergleichen gebildet ist, besteht, gebildet sind. Beide Oberflächen des gemeinsamen Membranelektrodenkörpers 24 sind zwischen Separatoren (in der Zeichnung nicht gezeigt), die Flusskanäle für das Brennstoffgas, das oxidierende Gas und das Kühlwasser haben, angeordnet, und zwischen den Separatoren und der Anodenelektrode 22 und der Kathodenelektrode 23 sind jeweils ein rillenförmiger Anodenkanal 25 und ein rillenförmiger Kathodenkanal 26 gebildet. Die Anodenelektrode 22 ist durch Vorsehen einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffelektrode an einer porösen Trägerschicht konfiguriert, und die Kathodenelektrode 23 ist durch Vorsehen einer Katalysatorschicht für eine Luftelektrode an einer porösen Trägerschicht konfiguriert. Diese Katalysatorschichten von Elektroden werden beispielsweise durch Anlagern von Platinpartikeln konfiguriert.
  • Bei der Anodenelektrode 22 geht eine Oxidationsreaktion, die durch die folgende Gleichung (1) dargestellt ist, vor sich, und bei der Kathodenelektrode 23 geht eine Reduktionsreaktion, die durch die folgende Gleichung (2) dargestellt ist, vor sich. In der gesamten Brennstoffzelle 20 geht eine elektromotorische Reaktion, die durch die folgende Gleichung (3) dargestellt ist, vor sich. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Um einer Zweckmäßigkeit einer Erklärung willen ist der Aufbau einer Einheitszelle, die aus einem gemeinsamen Membranelektrodenkörper 24, einem Anodengaskanal 25 und einem Kathodengaskanal 26 besteht, in 1 schematisch gezeigt. Tatsächlich ist ein Stapelaufbau vorgesehen, bei dem eine Mehrzahl solcher Einheitszellen über die im Vorhergehenden beschriebenen Separatoren in Reihe geschaltet ist.
  • Das Kühlflüssigkeits-Zufuhrsystem 3 des Brennstoffzellensystems 10 weist einen Kühlkanal 31 zum Zirkulierenlassen der Kühlflüssigkeit, einen Temperatursensor 32, der die Temperatur einer Kühlflüssigkeit, die aus der Brennstoffzelle 20 abgelassen wird, erfasst, einen Strahlkörper (einen Wärmeaustauscher) 33, der die Wärme einer Kühlflüssigkeit nach außen abführt, ein Ventil 34, das die Menge einer Kühlflüssigkeit, die in den Strahlkörper 33 fließt, anpasst, eine Kühlflüssigkeitspumpe 35, die eine Zirkulation einer Kühlflüssigkeit unter Druck bewirkt, und einen Temperatursensor 36 auf, der die Temperatur einer Kühlflüssigkeit, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, erfasst.
  • Das Brennstoffgas-Zufuhrsystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 weist einen Brennstoffgas-Flusskanal 40 zum Zuführen eines Brennstoffgases (eines Anodengases), beispielsweise von Wasserstoffgas, von der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 42 zu dem Gaskanal 25 und einen Zirkulationsflusskanal (einen Zirkulationsweg) 51 zum Bewirken einer Zirkulation des Brennstoffabgases, das von dem Anodengaskanal 25 in den Brennstoffgas-Flusskanal 40 entladen wird, auf, und diese Gasflusskanäle bilden ein Brennstoffgas-Zirkulationssystem.
  • Der Brennstoffgas-Flusskanal 40 weist ein Absperrventil (ein Primärventil) 43, das den Brennstoffgasausfluss aus der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 42 steuert, einen Drucksensor 44, der den Brennstoffgasdruck erfasst, ein Regulierungsventil 45, das den Brennstoffgasdruck in dem Zirkulationsweg 51 reguliert, und ein Absperrventil 46 auf, das die Brennstoffgaszufuhr zu der Brennstoffzelle 20 steuert. Die Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 42 ist beispielsweise durch einen Hochdruck-Wasserstofftank, eine Wasserstoffspeicherlegierung und einen Reformer konfiguriert.
  • Der Zirkulationsflusskanal 51 weist ein Absperrventil 52, das die Brennstoffabgaszufuhr von der Brennstoffzelle 20 zu dem Zirkulationsflusskanal 51 steuert, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 53 und ein Entladeventil 54, das Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffabgas enthalten ist, entfernt, eine Wasserstoffpumpe (eine Zirkulationspumpe) 55, die das Brennstoffabgas, bei dem ein Druckverlust aufgetreten ist, verdichtet, den Gasdruck auf einen geeigneten Pegel anhebt und das Gas zu dem Brennstoffgas-Flusskanal 40 zurückführt, wenn das Gas durch den Anodengaskanal 25 geht, und ein Gegenflussverhinderungsventil 56 auf, das den Gegenfluss des Brennstoffgases des Brennstoffgas-Flusskanals 40 zu dem Zirkulationsflusskanal 51 verhindert. Wenn die Wasserstoffpumpe 55 durch einen Motor angetrieben wird, vermischt sich das Brennstoffabgas, das durch den Antrieb der Wasserstoffpumpe 55 beeinflusst wird, mit dem Brennstoffgas, das von der Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung 42 zugeführt wird, in dem Brennstoffgas-Flusskanal 40 und wird dann der Brennstoffzelle 20 zugeführt und wiederverwendet. Ein Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 57 (in der Zeichnung nicht gezeigt), der die Umdrehungsgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 55 erfasst, ist in die Wasserstoffpumpe 55 eingebaut.
  • Der Zirkulationsflusskanal 51 ist mit einem verzweigten Entladegasflusskanal 61 zum Entladen des Brennstoffabgases, das von der Brennstoffzelle 20 freigesetzt wird, zu dem Äußeren des Fahrzeugs über eine Verdünnungseinheit (beispielsweise eine Wasserstoffkonzentrations-Reduziereinheit) 62 versehen. Ein Abflussventil 63 ist in dem Entladegasflusskanal 61 angeordnet, um das Entladen des Brennstoffabgases zu steuern. Durch Öffnen und Schließen des Abflussventils 63 ist es möglich, eine Zirkulation innerhalb der Brennstoffzelle 20 zu wiederholen, das Brennstoffabgas, das eine erhöhte Konzentration von Verunreinigungen hat, zu dem Äußeren zu entladen, neues Brennstoffgas einzubringen und die Verringerung einer Zellenspannung zu verhindern. Ferner ist es auch möglich, Pulsationen des Innendrucks in dem Zirkulationskanal 51 zu bewirken und Wasser, das sich in dem Gasflusskanal angesammelt hat, zu entfernen.
  • Andererseits ist in dem Zufuhrsystem 7 für ein oxidierendes Gas des Brennstoffzellensystems 10 ein Flusskanal 71 für ein oxidierendes Gas zum Zuführen eines oxidierenden Gases (eines Kathodengases) zu dem Kathodengaskanal 26 und ein Kathodenabgas-Flusskanal 72 zum Entladen des Kathodenabgases, das von dem Kathodengaskanal 26 freigesetzt wird, vorgesehen. In den Flusskanal 71 für ein oxidierendes Gas sind ein Luftreiniger 74, der Luft aus der Atmosphäre aufnimmt, und ein Luftverdichter 75 eingebaut, der diese Luft, die aufgenommen wurde, verdichtet und die verdichtete Luft als ein oxidierendes Gasmittel zu dem Kathodengaskanal 26 pumpt. Der Luftverdichter 75 weist einen Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 73 (in der Zeichnung nicht gezeigt) auf, der die Umdrehungsgeschwindigkeit des Luftverdichters 75 erfasst. Ein Befeuchter 76, der einen Feuchtigkeitsaustausch durchführt, ist zwischen dem Flusskanal 71 für ein oxidierendes Gas und dem Kathodenabgas-Flusskanal 72 vorgesehen. Der Kathodenabgas-Flusskanal 72 ist mit einem Druckregulierventil 77, das den Entladegasdruck in dem Kathodenabgas-Flusskanal 72 reguliert, einem Gas-Flüssigkeits-Separator 78, der Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas enthalten ist, entfernt, und einem Dämpfer 79 versehen, der das Gasentladegeräusch des Kathodenabgases absorbiert. Das Kathodenabgas, das von dem Gas-Flüssigkeits-Separator 78 freigesetzt wird, wird verzweigt. Ein Teil desselben fließt in die Verdünnungseinheit 62 und wird mit dem Brennstoffabgas, das in der Verdünnungseinheit 62 zurückbleibt, gemischt und durch dasselbe verdünnt. Der andere Teil des Kathodenabgases wird durch den Dämpfer 79 geführt, um ein Geräusch zu absorbieren, mit dem Gas, das durch Mischen und Verdünnen mit der Verdünnungseinheit 62 erhalten wird, gemischt und zu dem Äußeren des Fahrzeugs freigesetzt.
  • Mit dem Leistungssystem 9 des Brennstoffzellensystems 10 sind ferner ein Gleichstromwandler 90, der auf der Primärseite desselben mit den Ausgangsanschlüssen einer Batterie 91 und auf der Sekundärseite desselben mit den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle 20 verbunden ist, die Batterie 91, die als eine Sekundärbatterie eine zusätzliche Leistung speichert und eine Leistung regeneriert, ein Batteriecomputer 92, der den Ladezustand der Batterie 91 überwacht, ein Wechselrichter 93, der einer Last der Brennstoffzelle 20 oder einem Motor 94 zum Bewegen des Fahrzeugs, das der Antriebsgegenstand ist, eine Wechselstromleistung zuführt, ein Wechselrichter 95, der verschiedenen Hochspannungs-Zusatzvorrichtungen 96 des Brennstoffzellensystems 10 eine Wechselstromleistung zuführt, ein Spannungssensor 97, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 misst, und ein Stromsensor 98, der den Ausgangsstrom misst, verbunden.
  • Der Gleichstromwandler 90 führt eine Spannungsumwandlung der zusätzlichen Leistung der Brennstoffzelle 20 oder der regenerierten Leistung, die durch einen Bremsbetrieb des Motors 94 zum Bewegen des Fahrzeugs generiert wird, durch und führt die umgewandelte Spannung zu, um die Batterie 91 zu laden. Der Gleichstromwandler 90 führt ferner eine Spannungsumwandlung der Entladeleistung von der Batterie 91 durch und gibt die umgewandelte Leistung zu der Sekundärseite aus, um die Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 generiert wird, gemäß der erforderlichen Leistung des Motors 94 zum Bewegen des Fahrzeugs zu ergänzen.
  • Die Wechselrichter 93 und 95 wandeln den Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um und geben den Strom zu dem Motor 94 zum Bewegen des Fahrzeugs bzw. zu den Hochspannungs-Zusatzvorrichtungen 96 aus. Ein Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 99 (in der Zeichnung nicht gezeigt), der die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 94 erfasst, ist in den Motor 94 zum Bewegen des Fahrzeugs eingebaut. Der Motor 94 ist über ein Differenzial mit Rädern 100 mechanisch gekoppelt, und die Drehungskraft des Motors 94 kann in die Vortriebskraft des Fahrzeugs umgewandelt werden.
  • Der Spannungssensor 97 und der Stromsensor 98 dienen zum Messen der Wechselstromimpedanz basierend auf der Phase und der Amplitude eines elektrischen Stroms, der der Spannung des überlagerten Wechselstromsignals in dem Leistungssystem entspricht. Die Wechselstromimpedanz entspricht dem Wassergehalt in der Brennstoffzelle 20.
  • In das Brennstoffzellensystem 10 ist ferner eine Steuerungseinheit 80 zum Steuern einer Leistungsgenerierung durch die Brennstoffzelle 20 eingebaut.
  • Die Steuerungseinheit 80 ist durch einen Allzweckcomputer, der beispielsweise eine CPU (= central processing unit = zentrale Verarbeitungseinheit), einen RAM, einen ROM und eine Schnittstellenschaltung aufweist, konfiguriert und dient zum Empfangen von Sensorsignalen von den Temperatursensoren 32, 36, dem Drucksensor 44 und den Umdrehungsgeschwindigkeitssensoren 57, 73, 99 und von Signalen von dem Spannungssensor 97, dem Stromsensor 98 und einem Zündschalter 82, Antreiben des Motors entsprechend dem Batteriebetriebszustand, beispielsweise einer Leistungslast, Regulieren der Umdrehungsgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 55 und des Luftverdichters 75, Durchführen einer Öffnungs-/Schließsteuerung verschiedener Ventile und Regulieren des Ventilöffnungsgrads.
  • Die Steuerungseinheit 80 wählt ferner die Wasserstoffpumpe 55 und/oder den Luftverdichter 75 als eine Spülgas-Zufuhreinrichtung (eine Zusatzvorrichtung) zum Zuführen eines Spülgases, beispielsweise von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, zu der Brennstoffzelle 20, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 20 gestoppt wird und eine Spülbehandlung durchgeführt wird, aus und steuert die Umdrehungsgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 55 und/oder des Luftverdichters 75 oder ein Produkt der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Betriebszeit.
  • Die Steuerungseinheit 80 funktioniert hier, um während eines Hochstartens einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen und einen Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 durchzuführen. Genauer gesagt, die Menge an oxidierendem Gas, die von dem Zufuhrsystem 7 für ein oxidierendes Gas zugeführt wird, wird begrenzt, es wird ein Zustand mit einer unzureichenden Zufuhr des oxidierenden Mittels zu den Einheitszellen der Brennstoffzelle 20 angenommen, und die Menge an generiertem elektrischen Strom und die Menge an erzeugtem Wasser werden gehemmt, wodurch Wärme generiert und das Aufwärmen beschleunigt wird.
  • Insbesondere erfasst die Steuerungseinheit 80 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die in der Brennstoffzelle 20 erzeugte Wassermenge und steuert die Zufuhr von oxidierendem Gas durch Bestimmen der Menge des oxidierenden Gases, die zugeführt werden muss, basierend auf der erfassten Wassermenge.
  • (Erklärung des Betriebsprinzips)
  • Im Folgenden wird der folgende Betrieb, der gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, beschrieben.
  • Zuerst wird ein Verfahren zum Erfassen der in der Brennstoffzelle erzeugten Wassermenge und Bestimmen der Menge an oxidierendem Gas zum Spülen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erklärt.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 10 wird, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, die Menge an zugeführtem oxidierenden Gas gehemmt und ein Aufwärmbetrieb, der eine große Menge an Wärme generiert, durchgeführt. In diesem Fall geht, wenn die Menge an zugeführtem oxidierenden Gas während eines Niedrigeffizienzbetriebs zu groß ist, keine exotherme Reaktion vor sich, und es besteht ein Risiko eines Erzeugens einer überschüssigen Wassermenge und eines Behinderns des Aufwärmbetriebs. Demgemäß wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erzeugte Wassermenge korrekt erfasst und die korrekte Menge an oxidierendem Gas zugeführt, wie im Folgenden beschrieben ist.
  • 3 zeigt die Beziehungen des Ausgangsstroms I und der generierten Wassermenge g gegenüber der Zeit, die während eines Hochstartens verstrichen ist, in der Umgebung bei oder unter dem Gefrierpunkt. Diese Zeichnung zeigt die Charakteristiken, die unter einer Annahme erhalten werden, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 Vc (konstant) ist und die Temperatur der Brennstoffzelle 20 ebenfalls konstant ist.
  • Wie durch eine Niedrigtemperatur-Ausgangsstromcharakteristik f1 in 3 gezeigt, geht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, die Reaktion, die durch die vorhergehende Gleichung (2) dargestellt ist, bei der Kathodenelektrode 23 vor sich, und es wird Wasser generiert. Wenn jedoch die Temperatur unmittelbar nach dem Hochstarten gleich dem Gefrierpunkt oder niedriger als derselbe wird, beginnt das erzeugte Wasser nach einem kurzen Intervall (einer Zeit tf) zu gefrieren. Wenn das erzeugte Wasser gefriert, wird ein Gasfluss behindert, und eine Protonenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran 21 verringert sich. Daher gefriert nach der Gefriereinleitungszeit tf als einer Grenze ein größerer Teil des Wassers, wenngleich sich die Gesamtmenge des erzeugten Wassers erhöht, und die Ausgangsstromcharakteristik f1 verringert sich.
  • In diesem Fall erhöht sich, wie durch die Wassererzeugungsmengencharakteristik f2 gezeigt, die erzeugte Wassermenge g mit der Zeit. Da Wasser gemäß der vorhergehenden Gleichung (2) generiert wird, wird für zwei Elektronen ein Wasser-Molekül (Molekulargewicht 18) generiert. Daher kann die erzeugte Wassermenge g durch die Gleichung (4) berechnet werden, wobei ∫I die Gesamtmenge an Strom (die Größe einer elektrischen Ladung), nachdem eine Leistungsgenerierung gestartet wurde, F eine Faraday-Konstante und M(H2O) das Molekulargewicht von Wasser ist. Erzeugte Wassermenge g = ∫I × M(H2O)/2F (4)
  • Daher ist es durch Überwachen der sich gemäß der in 3 gezeigten Niedrigtemperatur-Ausgangsstromcharakteristik f1 ändernden Strommenge I pro Zeiteinheit, Berechnen des Integralwerts ∫I und Einsetzen des Resultats in die Gleichung (4) möglich, die durch die Wassererzeugungsmengencharakteristik f2 dargestellte erzeugte Wassermenge g zu erfassen.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Strommenge I aus dem Erfassungssignal des Stromsensors 98 der Brennstoffzelle 20 berechnet werden. Demgemäß ist die Steuerungseinheit 80 in Betrieb, um die Strommenge I pro Zeiteinheit zu berechnen, den Integralwert ∫I zu berechnen und zu aktualisieren und ferner gleichzeitig die pro Zeiteinheit erzeugte Wassermenge g gemäß der Gleichung (4) zu erfassen.
  • 4 zeigt die Beziehung zwischen der generierten Wassermenge g und dem Ausgangsstrom I zu der Zeit eines Niedrigtemperatur-Hochstartens. Diese Zeichnung ist eine Charakteristik, die sich auf den Fall bezieht, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 ein konstanter Wert Tc ist.
  • Wie durch die Niedrigtemperatur-Wassererzeugungs-Strom-Charakteristik f3 in 4 gezeigt, erhöht sich in dem Anfangsstadium eines Niedrigtemperatur-Hochstartens die erzeugte Wassermenge in Folge der Erhöhung der Strommenge I, jedoch nach einem bestimmten Intervall gefriert das erzeugte Wasser und behindert den Gasfluss, wodurch die Strommenge I verringert wird. In einem Stadium, in dem die elektrochemische Reaktion praktisch nicht vor sich geht, wird der elektrische Strom null.
  • Die Strommenge kann hier basierend auf der Ausgangsspannung V der Brennstoffzelle, der Temperatur T der Brennstoffzelle und der erzeugten Wassermenge g geschätzt werden. Die Strommenge It+1 zu einem bestimmten Zeitpunkt t + 1 in der Zukunft kann somit basierend auf der Gleichung (5) abgeleitet werden, in der Vt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu einer bestimmten Zeit t, Tt die Brennstoffzellentemperatur und gt die erzeugte Wassermenge zu dieser Zeit ist. It+1 = I(Vt, Tt, gt) (5)
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Ausgangsspannung V der Brennstoffzelle 20 anhand des Erfassungssignals des Spannungssensors 97 erfasst werden, und die Temperatur T der Brennstoffzelle 20 kann anhand des Erfassungssignals des Temperatursensors 32 erfasst werden. Ferner kann die erzeugte Wassermenge g basierend auf der Gleichung (4) erfasst werden. Demgemäß ist die Steuerungseinheit 80 in Betrieb, um die Ausgangsspannung V und die Temperatur T der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit zu berechnen, die Ausgangsspannung V, die Temperatur T und die aus der Gleichung (4) bestimmte erzeugte Wassermenge g in die Gleichung (5) einzusetzen und die zukünftige Strommenge It+1 nach der nächsten Zeiteinheit vorherzusagen.
  • Die Strommenge I in dem Fall, bei dem die Ausgangsspannung V, die Temperatur T und die erzeugte Wassermenge g als Parameter herangezogen werden, kann durch Messungen oder dergleichen bestimmt werden. Die Steuerungseinheit 80 speichert die Korrelation zwischen diesen vier Parameter als eine Speichertabelle.
  • 5 zeigt, wie sich in der Beziehung zwischen der erzeugten Wassermenge g und der generierten Wärmemenge Q die Wassererzeugungs-Wärmegenerierungsmengen-Charakteristik entsprechend der generierten Gesamtwärmemenge ändert. Diese Zeichnung zeigt die Charakteristik, die sich auf den Fall bezieht, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich dem Gefrierpunkt oder niedriger als derselbe ist.
  • Die generierte Wärmemenge Q in der Brennstoffzelle entspricht der Strommenge I. Daher nähert sich die in 5 gezeigte Wassererzeugungs-Wärmegenerierungsmengen-Charakteristikkurve der in 4 gezeigten Wassererzeugungsmengen-Strommengen-Charakteristikkurve an. Die erzeugte Wärmemenge neigt dazu, sich mit der Verringerung der Flussrate des zugeführten Gases zu erhöhen. Die durch die Kurve f5 dargestellte Wassererzeugungs-Wärmegenerierungsmengen-Charakteristik zeigt die maximale Wärmemenge Qmax (beispielsweise ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft = 1), die ohne Fehler generiert werden kann, wenn die Brennstoffzelle eine Temperatur T hat. Wenn die Wärmemenge gleich der maximalen Wärmemenge Qmax ist oder dieselbe überschreitet, wird die Brennstoffzelle ungünstig beeinflusst. Wenn andererseits die generierte Wärmemenge kleiner als Qmax ist, wird der Betriebszustand angenommen, in dem das Ziel eines Aufwärmbetriebs nicht erreicht werden kann.
  • Die Kurve f7 in 5 ist beispielsweise eine Betriebscharakteristik, bei der die Gasflussrate zu hoch ist und die generierte Wärmemenge hinreichend kleiner als die maximale generierte Wärmemenge Qmax ist, wodurch Bedingungen erzeugt werden, die für einen Aufwärmbetrieb ungeeignet sind. Bei der Kurve f4 ist die Gasmenge andererseits zu klein, die generierte Wärmemenge überschreitet die erlaubte generierte Wärmemenge Qmax, und es besteht ein Risiko, dass die hohe Temperatur eine Verschlechterung einer Elektrolytmembran und anderer Teile der Brennstoffzelle bewirkt. Diese Bedingungen sind für einen Aufwärmbetrieb ebenfalls ungeeignet.
  • Im Gegensatz dazu wird der feste Bereich (der Bereich, der durch den zwischen zwei gestrichelten Linien angeordneten Doppelpfeil gezeigt ist), der auf der Kurve f6 zentriert ist und in einem bestimmten Abstand von der Kurve f5 gezeichnet ist, bei der die maximale generierte Wärmemenge Qmax erzeugt wird, in die Nähe der maximalen generierten Wärmemenge Qmax gesteuert. Dieser Bereich kann daher als der Bereich einer optimalen generierten Wärmemenge betrachtet werden, in dem die ungünstige Wirkung auf die Brennstoffzelle, die durch eine überschüssige generierte Wärmemenge bewirkt wird, und das unzureichende Aufwärmen, das durch eine niedrige generierte Wärmemenge bewirkt wird, verhindert werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Steuerungseinheit 80 das Gesamtsystem, genauer gesagt die Menge an zugeführtem oxidierenden Gas (Luft), so dass die Wassererzeugungs-Wärmegenerierungsmengen-Charakteristik innerhalb des Optimierungsbereichs, der auf der Kurve f6 zentriert ist, gehalten wird.
  • Somit muss, um den geeigneten Aufwärmbetrieb durchzuführen, die Strommenge I, die sich auf die erzeugte Wassermenge g bezieht, so gesteuert werden, dass dieselbe in den Optimierungsbereich fällt. Zu diesem Zweck ist eine solche Steuerung erforderlich, dass das Gas, genauer gesagt das oxidierende Gas, das der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zugeführt wird, mit einer Flussrate innerhalb eines geeigneten Bereichs zugeführt wird. Demgemäß passt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuerungseinheit 80 die Flussrate q des oxidierenden Gases, das der Kathodenelektrode 23 der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, so an, dass die zukünftige Strommenge, die durch die Gleichung (5) berechnet wird, hinsichtlich der erzeugten Wassermenge g innerhalb eines geeigneten Bereichs gehalten wird. Genauer gesagt, die Flussrate des oxidierenden Gases wird durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verdichters, die durch das Steuerungssignal zum Antreiben des Verdichters 75 angezeigt wird, angepasst.
  • Die Strommenge I innerhalb des Bereichs, der zum Durchführen eines geeigneten Aufwärmbetriebs hinsichtlich der erzeugten Wassermenge g optimal ist, ist als eine Speichertabelle durch die Steuerungseinheit 80 gespeichert. Ferner ist die Beziehung zwischen der Flussrate des zugeführten oxidierenden Gases und der Strommenge I, die durch die Brennstoffzelle 20 generiert wird, ebenfalls als eine Speichertabelle durch die Steuerungseinheit 80 gespeichert.
  • (Erklärung der Funktionsblöcke)
  • Der Betrieb, der auf dem im Vorhergehenden beschriebenen Prinzip basiert, ist mit den folgenden Funktionsblöcken implementiert.
  • 2 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Niedrigeffizienzbetriebs während eines Hochstartens, der hauptsächlich mit der Steuerungseinheit 80 implementiert ist. Wie in 2 gezeigt, weist das Brennstoffzellensystem 10, wenn während eines Hochstartens ein Niedrigeffizienzbetrieb durchgeführt wird, eine Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101 und eine Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102 auf.
  • Die Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101 erfasst die Wassermenge g, die während eines Niedrigeffizienzbetriebs in der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird. Die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102 begrenzt die Menge q eines oxidierenden Gases, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, basierend auf der erfassten erzeugten Wassermenge g. Die Gaszufuhrsteuerung wird zu jedem vorbestimmten Steuerungszeitpunkt durchgeführt. Beispielsweise bestimmt die Gaszufuhrsteuerung, die zu einer Zeit t durchgeführt wird, die Zufuhrmenge q eines oxidierenden Gases zu einer Zeit t + 1, die der nächste Steuerungszeitpunkt ist, basierend auf den Statuswerten des Systems zu der Zeit t.
  • Genauer gesagt, die Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101 weist eine Ausgangsstrom-Erfassungseinrichtung 1011, eine Ausgangsstrom-Integrationseinrichtung 1012 und eine Wassererzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung 1013 auf.
  • Die Ausgangsstrom-Erfassungseinrichtung 1011 erfasst den Ausgangsstrom It der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit t. Diese Einrichtung ist äquivalent zu dem Stromsensor 98 und der Steuerungseinheit 80, die die Strommenge basierend auf den Erfassungssignalen für den Stromsensor 98 bestimmt. Die Ausgangsstrom-Integrationseinrichtung 1012 integriert den erfassten Ausgangsstrom It für jeden Erfassungszeitpunkt ab dem Start eines Niedrigeffizienzbetriebs und gibt den integrierten Wert ∫I aus. Diese Einrichtung entspricht dem internen Speicher der Steuerungseinheit 80 und der Steuerungseinheit 80. Die Wassererzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung 1013 schätzt die erzeugte Wassermenge gt zu der Zeit t basierend auf dem integrierten Ausgangsstrom ∫I. Diese Einrichtung ist äquivalent zu der Steuerungseinheit 80.
  • Ferner weist die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102 eine Ausgangsspannungs-Erfassungseinrichtung 1021, eine Temperaturerfassungseinrichtung 1022, eine Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung 1023, eine Gasflussraten-Schätzungseinrichtung 1024 und eine Gaszufuhr-Steuerungseinrichtung 1025 auf.
  • Die Ausgangsspannungs-Erfassungseinrichtung 1021 erfasst die Ausgangsspannung Vt der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit t. Diese Einrichtung ist äquivalent zu dem Spannungssensor 97 und der Steuerungseinheit 80, die den Spannungswert basierend auf dem Erfassungssignal des Spannungssensors 97 bestimmt. Die Temperaturerfassungseinrichtung 1022 erfasst die Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit t. Diese Einrichtung ist äquivalent zu dem Temperatursensor 32 und der Steuerungseinheit 80, die die Temperatur basierend auf dem Erfassungssignal des Temperatursensors 32 bestimmt. Die Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung 1023 schätzt den Ausgangsstrom It+1 zu der vorbestimmten Zeit t + 1 basierend auf der geschätzten erzeugten Wassermenge gt, der erfassten Ausgangsspannung Vt und der erfassten Temperatur Tt. Diese Einrichtung ist äquivalent zu der Steuerungseinheit 80. Die Gasflussraten-Schätzungseinrichtung 1024 schätzt die Flussrate Qt + 1, mit der das Gas der Brennstoffzelle 20 zuzuführen ist, basierend auf dem geschätzten Ausgangsstrom It+1 zu der vorbestimmten Zeit t + 1.
  • Diese Einrichtung ist äquivalent zu der Steuerungseinheit 80. Die Gaszufuhr-Steuerungseinrichtung 1025 führt das Gas mit der geschätzten Flussrate Qt + 1 der Brennstoffzelle 20 zu. Diese Einrichtung ist äquivalent zu der Steuerungseinheit 80 und dem Verdichter 75, der durch Inbetriebsein mit der Umdrehungsgeschwindigkeit, die auf der Steuerung, die durch die Steuerungseinheit 80 durchgeführt wird, basiert, das oxidierende Gas zuführt.
  • (Erklärung der Betriebsprozedur)
  • Im Folgenden wird der Niedrigeffizienzbetrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels basierend auf dem in 6 gezeigten Flussdiagramm beschrieben. Es wird angenommen, dass die in diesem Flussdiagramm gezeigten Betriebsabläufe für jeden vorbestimmten Steuerungszeitpunkt ausgeführt werden. Bei diesem Verarbeiten wird der Zustand von jedem Teil des Systems zu dem Steuerungszeitpunkt zu der Zeit t berechnet, wodurch die Zufuhr eines oxidierenden Gases zu der Zeit t + 1, die der nächste Steuerungszeitpunkt ist, geschätzt wird.
  • Bei einem Schritt S10 berechnet die Steuerungseinheit 80 die interne Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 durch Bezugnehmen auf das Erfassungssignal des Temperatursensors 32 zu der Zeit t. Die durch den Temperatursensor 32 angezeigte Temperatur ist die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die im Innern der Brennstoffzelle 20 fließt, und stellt die durchschnittliche Temperatur der Brennstoffzelle 20 dar.
  • Bei einem Schritt S11 untersucht die Steuerungseinheit 80, ob die erfasste Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 gleich einem Gefrierpunkt oder kleiner als derselbe ist. Wenn die Untersuchungsresultate zeigen, dass die Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 höher als der Gefrierpunkt ist (NEIN), wird bestimmt, dass für die Brennstoffzelle 20 kein Aufwärmbetrieb erforderlich ist, und das Aufwärmbetriebsverarbeiten wird beendet. Wenn andererseits die Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 gleich dem Gefrierpunkt oder kleiner als derselbe ist (JA), bestimmt die Steuerungseinheit 80, dass für die Brennstoffzelle 20 ein Aufwärmbetrieb, das heißt ein Niedrigeffizienzbetrieb, erforderlich ist, und der Verarbeitungsfluss schreitet zu einem Schritt S12 fort.
  • Bei dem Schritt S12 erfasst und speichert die Ausgangsstrom-Erfassungseinrichtung 1011 der Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101, die durch die Steuerungseinheit 80 betrieben wird, die Ausgangsstrommenge It der Brennstoffzelle 20 zu dem Zeitpunkt t durch Bezugnehmen auf das Erfassungssignal des Stromsensors 98. Der Verarbeitungsfluss schreitet dann zu einem Schritt S13 fort, und die Stromintegrationseinrichtung 1012 integriert weiterhin die Strommenge It, die dieses Mal gemessen wurde, in die Gesamtstrommenge, die für den vorhergehenden Steuerungszeitpunkt integriert wurde, und berechnet die Gesamtstrommenge 11 von dem Aufwärmstart bis zu der Zeit t, das heißt die Menge einer elektrischen Ladung. Die berechnete Gesamtstrommenge wird für eine Integration des Folgezyklus gespeichert.
  • Zu einem Schritt S14 fortschreitend, setzt die Wassererzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung 1013 die aktualisierte Gesamtstrommenge ∫I in die vorhergehende Gleichung (4) ein und berechnet die erzeugte Wassermenge gt zu der Zeit t. Die erfasste erzeugte Wassermenge gt wird zum Schätzen der Zufuhrmenge qt+1 eines oxidierenden Gases zu der Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102 gesendet.
  • Zu einem Schritt S15 fortschreitend, erfasst die Ausgangsspannungs-Erfassungseinrichtung 1021 der Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102 die Ausgangsspannungsmenge Vt der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit t durch Bezugnehmen auf das Erfassungssignal des Spannungssensors 97. Ferner erfasst die Temperaturerfassungseinrichtung 1022 die Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit t durch Bezugnehmen auf das Erfassungssignal des Temperatursensors 32.
  • Die Temperatur der Brennstoffzelle 20 wird hier basierend auf dem Erfassungssignal des Temperatursensors 32 erfasst, da jedoch die Temperatur Tt der Brennstoffzelle 20 bereits bei dem Schritt S10 erfasst wurde, kann auch dieser Wert verwendet werden. Wenn jedoch eine solche Konfiguration eingesetzt wird, dass die Temperatur einer spezifischen Einheitszelle für eine Stromermittlung erfasst wird, wird die Temperatur der spezifischen Einheitszelle bei dem Schritt S15 als Tt erfasst.
  • Bei einem Schritt S16 schätzt die Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung 1023 die Strommenge It+1 zu der Zeit t + 1, die der Steuerungszeitpunkt des Folgezyklus ist, durch Verwenden der vorhergehenden Gleichung (5) basierend auf der Ausgangsspannung Vt zu der Zeit t, der Temperatur Tt und der erzeugten Wassermenge gt, die von der Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101 zugeführt wird. Die Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung 1023 verwendet somit die im Vorhergehenden erwähnten drei Parameter als Bezugswerte, nimmt Bezug auf die interne Speichertabelle und spezifiziert einen Stromwert, der durch diese Parameter spezifiziert wird, als den Stromwert It+1 des Folgezyklus.
  • Dann führt bei einem Schritt S17 die Gasflussraten-Schätzungseinrichtung 1024 Berechnungen zum Schätzen der Flussrate qt+1 eines oxidierenden Gases durch, die geeignet ist, zu bewirken, dass die Brennstoffzelle 20 eine Leistung mit der geschätzten Ausgangsstrommenge It+1 generiert. Mit anderen Worten, die Flussrate qt+1 eines oxidierenden Gases, die zum Generieren des Stromwerts It+1 zu dem Steuerungszeitpunkt des Folgezyklus notwendig ist, wird unter Bezugnahme auf die interne Speichertabelle bestimmt.
  • Zu einem Schritt S18 fortschreitend, berechnet die Gasflussraten-Steuerungseinrichtung 1025 die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verdichters 75 zum Zuführen des oxidierenden Gases mit der Flussrate qt+1 und führt das Steuerungssignal, das bewirkt, dass der Verdichter mit einer solchen Umdrehungsgeschwindigkeit in Betrieb ist, dem Verdichter 75 zu. Diese Umdrehungsgeschwindigkeit wird als eine Umdrehungsgeschwindigkeit angenommen, bei der das oxidierende Gas mit einer Flussrate qt+1 vor der Zeit t + 1 zugeführt wird.
  • Mit den im Vorhergehenden beschriebenen Betriebsabläufen wird die geeignete Flussrate qt+1 eines oxidierenden Gases zu der Zeit t + 1, die der Steuerungszeitpunkt des Folgezyklus ist, zu der Zeit t geschätzt und der Verdichter 75 tatsächlich angetrieben. Daher wird zu der Zeit t + 1 ein Zustand angenommen, in dem das oxidierende Gas mit der geeigneten Flussrate qt+1 zugeführt wird. Als ein Resultat wird der Ausgangsstrom I der Brennstoffzelle 20 durch die Rückkopplungssteuerung in dem optimalen Bereich gehalten.
  • Mit dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die während eines Niedrigeffizienzbetriebs erzeugte Wassermenge gt zu der Zeit t bestimmt und die Gaszufuhrmenge qt+1 zu der Brennstoffzelle 20 zu dem Steuerungszeitpunkt des Folgezyklus (dem Zeitpunkt t + 1) basierend auf der bestimmten erzeugten Wassermenge begrenzt. Daher können eine überschüssige Zufuhr von Gas, eine überschüssige Generierung von Wasser und ein Aufwärmfehler gehemmt werden.
  • Ferner kann mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Strommenge It+1 zu dem Steuerungszeitpunkt des Folgezyklus (der Zeit t + 1) basierend auf dem Spannungswert Vt und der Temperatur Tt, die zu der Steuerungszeit t erfasst werden, und ferner basierend auf der generierten Wassermenge gt genau vorhergesagt werden, und dann wird die Gaszufuhrmenge qt+1, die zum Generieren einer solchen Strommenge geeignet ist, bestimmt und das oxidierende Gas der Brennstoffzelle 20 in dieser Zufuhrmenge zugeführt. Daher wird ein geeignetes Aufwärmen durchgeführt, ohne überschüssiges Wasser zu generieren.
  • (Modifikationsbeispiel)
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt und kann auf eine Vielfalt von Weisen geändert werden.
  • Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzellen-Auslasstemperatur einer Kühlflüssigkeit durch den Temperatursensor 32 als die Temperatur der Brennstoffzelle 20 erfasst, eine solche Konfiguration ist jedoch nicht begrenzend. Wenn beispielsweise die Temperatur zum Erfassen der erzeugten Wassermenge als die Kühlflüssigkeitstemperatur genommen wird, wie bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel, wird die erzeugte Wassermenge basierend auf der durchschnittlichen Temperatur der Brennstoffzelle erfasst, es kann jedoch auch die Temperatur eines spezifischen Abschnitts der Brennstoffzelle erfasst werden. Bei einer Brennstoffzelle, bei der eine große Zahl von Einheitszellen gestapelt ist, variiert die relative Leichtigkeit, mit der die Wärme abgeführt wird oder mit der sich die erzeugte Wassermenge erhöht, abhängig von der Position einer Einheitszelle. Daher kann die Steuerung, die an relativ ungünstige Bedingungen angepasst ist, ausgeführt werden, wenn eine Einheitszelle, die dazu neigt, relativ ungeeignet zum Schätzen der Gasflussrate zu sein, beispielsweise eine Einheitszelle, die ohne weiteres Wärme abführt und eine niedrige Temperatur annimmt, oder eine Einheitszelle mit einer niedrigen Effizienz eines Entladens der erzeugten Wassermenge spezifiziert wird und die Temperatur einer Wassermenge in einer solchen Einheitszelle erfasst wird und die Flussratensteuerung für ein oxidierendes Gas durchgeführt wird.
  • In 7 ist die Position einer Einheitszelle, in der ohne weiteres relativ ungünstige Bedingungen angenommen werden, in der Brennstoffzelle 20 durch eine Schraffur gezeigt. Wie in 7 gezeigt, wird bei der Einheitszelle, die bei dem Endabschnitt positioniert ist, Wärme ohne weiteres abgeführt. In einem solchen Fall können eine Einheitszelle oder eine Mehrzahl von Einheitszellen, die sich bei dem Endabschnitt befinden, als eine Erfassungsgegenstands-Einheitszelle(ngruppe) für einen Systemzustand spezifiziert werden, und durch Messen der Temperatur T, des Stroms A und der Spannung V dieser Einheitszelle(ngruppe) kann die erzeugte Wassermenge erfasst und die Flussrate eines oxidierenden Gases geschätzt werden.
  • Wenn Einheitszelle(ngruppe)n an beiden Enden als die Erfassungsgegenstände für den Systemzustand ausgewählt werden, wird die Flussrate eines oxidierenden Gases vorzugsweise basierend auf den Erfassungswerten der Einheitszelle(ngruppe) geschätzt, die von dem Standpunkt einer Flussratensteuerung für ein oxidierendes Gas schlechter ist (beispielsweise eine niedrigere Temperatur hat).
  • Mit einem solchen Verarbeiten ist es möglich, das Auftreten eines Fehlers in einer Einheitszelle unter ungünstigen Bedingungen, für die die Flussrate eines oxidierenden Gases, die basierend auf der durchschnittlichen Temperatur oder der erzeugten Wassermenge geschätzt wird, unangemessen ist, zu verhindern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung geschaffen, und die während eines Niedrigeffizienzbetriebs der Brennstoffzelle erzeugte Wassermenge wird genau bestimmt. Daher kann innerhalb der kürzestmöglichen Zeit ein geeigneter Aufwärmbetrieb durchgeführt werden, während das Auftreten eines Zustands, in dem eine überschüssige Wassermenge erzeugt wird und ein Aufwärmen fehlschlägt, gehemmt wird.
  • Ferner kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf stationäre Brennstoffzellen angewandt werden, sondern auch auf Brennstoffzellen, die als eine Leistungsquelle für einen bewegbaren Körper eingebaut sind. Bei einem bewegbaren Körper wird, wenn die Temperatur während eines Hochstartens relativ niedrig ist, gewöhnlich ein Aufwärmen durchgeführt, und wenn die Leistungsquelle eine Brennstoffzelle ist, wird ein Niedrigeffizienzbetrieb ausgeführt. Die vorliegende Erfindung kann während solcher Niedrigeffizienzbetriebsabläufe angewandt werden. Beispiele geeigneter bewegbarer Körper umfassen auf dem Boden bewegbare Einrichtungen, wie Vierradfahrzeuge und Zweiradfahrzeuge, in der Luft bewegbare Einrichtungen, wie Flugzeuge, Hubschrauber und Raumschiffe, und auf dem Wasser oder unter Wasser bewegbare Einrichtungen, wie Schiffe und Unterseeboote.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem, Steuerungsverfahren für dasselbe und bewegbarer Körper Ein Brennstoffzellensystem 10 hat eine Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101, die die Wassermenge gt, die in der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, während eines Niedrigeffizienzbetriebs des Systems erfasst, und eine Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung 102, die die der Brennstoffzelle 20 zuzuführende Gasmenge basierend auf der erfassten Wassermenge gt begrenzt. Die Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung 101 erlaubt, die Menge an erzeugtem Wasser während eines Niedrigeffizienzbetriebs der Brennstoffzelle korrekt zu bestimmen, wodurch das geeignete Aufwärmen ermöglicht wird, und hemmt ein Generieren einer Bedingung, bei der die Menge an erzeugtem Wasser zu groß ist und ein Aufwärmbetrieb behindert wird. Als ein Resultat wird die Wassermenge, die während eines Niedrigeffizienzbetriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird, korrekt bestimmt und das geeignete Aufwärmen ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-174645 [0003, 0005]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem, bei dem eine einer Brennstoffzelle zuzuführende Gasmenge begrenzt ist, um einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen, wobei eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, während des Niedrigeffizienzbetriebs erfasst wird, und die der Brennstoffzelle zuzuführende Gasmenge basierend auf der erfassten Wassermenge begrenzt ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, mit: einer Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, während des Niedrigeffizienzbetriebs; und einer Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Gasmenge basierend auf der erfassten Wassermenge.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem die Wassererzeugungsmengen-Erfassungseinrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Ausgangsstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle; eine Ausgangsstrom-Integrationseinrichtung zum Integrieren des erfassten Ausgangsstroms für jeden Erfassungszeitpunkt; und eine Wassererzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung zum Schätzen der Menge an erzeugtem Wasser basierend auf dem integrierten Ausgangsstrom.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Ausgangsspannungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle; eine Folgezyklus-Stromschätzungseinrichtung zum Schätzen eines Ausgangsstroms nach einem vorbestimmten Intervall basierend auf der geschätzten Menge an erzeugtem Wasser, der erfassten Ausgangsspannung und der erfassten Temperatur; eine Gasflussraten-Schätzungseinrichtung zum Schätzen einer Flussrate, mit der ein Gas der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf dem geschätzten Ausgangsstrom nach einem vorbestimmten Intervall; und eine Gaszufuhr-Steuerungseinrichtung zum Zuführen des Gases zu der Brennstoffzelle mit der geschätzten Flussrate.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Wassermenge basierend auf einem Zustand eines Abschnitts mit relativ ungünstigen Bedingungen innerhalb der Brennstoffzelle erfasst wird.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem die Gaszufuhr-Begrenzungseinrichtung die Zufuhr eines Kathodengases begrenzt.
  7. Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine einer Brennstoffzelle zuzuführende Gasmenge begrenzt wird, um einen Niedrigeffizienzbetrieb durchzuführen, mit: einem Schritt zum Erfassen einer Wassermenge, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, während des Niedrigeffizienzbetriebs; und einem Schritt zum Begrenzen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Gasmenge basierend auf der erfassten Wassermenge.
  8. Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, bei dem der Schritt zum Erfassen der Wassermenge folgende Schritte aufweist: einen Schritt zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle; einen Schritt zum Integrieren des erfassten Ausgangsstroms für jeden Erfassungszeitpunkt; und einen Schritt zum Schätzen der Menge an erzeugtem Wasser basierend auf dem integrierten Ausgangsstrom.
  9. Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, bei dem der Schritt zum Begrenzen der zuzuführenden Gasmenge folgende Schritte aufweist: einen Schritt zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; einen Schritt zum Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle; einen Schritt zum Schätzen eines Ausgangsstroms nach einem vorbestimmten Intervall basierend auf der geschätzten Menge an erzeugtem Wasser, der erfassten Ausgangsspannung und der erfassten Temperatur; einen Schritt zum Schätzen einer Flussrate, mit der ein Gas der Brennstoffzelle zuzuführen ist, basierend auf dem geschätzten Ausgangsstrom nach einem vorbestimmten Intervall; und einen Schritt zum Zuführen des Gases zu der Brennstoffzelle mit der geschätzten Flussrate.
  10. Bewegbarer Körper, an dem das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 angebracht ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020100599A1 (de) 2020-01-14 2021-07-15 Audi Aktiengesellschaft Verfahren für einen Froststart eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101512814B (zh) * 2006-09-01 2012-07-11 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及移动体
JP2009199751A (ja) * 2008-02-19 2009-09-03 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
JP5235450B2 (ja) * 2008-02-27 2013-07-10 キヤノン株式会社 燃料電池の凍結検知方法
JP5412780B2 (ja) * 2008-09-26 2014-02-12 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
KR101013860B1 (ko) 2008-11-25 2011-02-14 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법
JP4962919B2 (ja) * 2009-02-10 2012-06-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法
WO2011013212A1 (ja) * 2009-07-29 2011-02-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2011249171A (ja) * 2010-05-27 2011-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法
EP2584637B1 (de) * 2010-06-17 2015-07-22 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzelle
JP2012003957A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池に対するカソードガスの供給量を制御する方法、燃料電池に供給されるカソードガスの供給量を測定する方法
CN101938003B (zh) * 2010-09-03 2013-01-30 江苏中靖新能源科技有限公司 高分子氢燃料电池的制氢装置及控制系统
EP2793304A4 (de) * 2011-12-12 2015-08-05 Toyota Motor Co Ltd Verfahren zur bestimmung der menge von flüssigem wasser im inneren einer brennstoffzelle, verfahren zur bestimmung der menge von aus einer brennstoffzelle abgegebenem flüssigem wasser, vorrichtung zur bestimmung der menge von flüssigem wasser im inneren einer brennstoffzelle und brennstoffzellensystem
WO2013103134A1 (ja) * 2012-01-05 2013-07-11 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR101339256B1 (ko) * 2012-07-13 2013-12-09 현대자동차 주식회사 연료 전지 스택의 물 분포 측정 장치 및 그 방법
CN104871356B (zh) * 2013-01-09 2016-09-07 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
JP6217521B2 (ja) * 2014-05-21 2017-10-25 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
JP6237715B2 (ja) 2015-06-23 2017-11-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6589702B2 (ja) * 2016-03-14 2019-10-16 株式会社Ｓｏｋｅｎ 燃料電池システム
US10916786B2 (en) * 2017-12-27 2021-02-09 Industrial Technology Research Institute Channel plate structure and electrochemical apparatus with the same
US11152814B2 (en) * 2019-11-22 2021-10-19 GM Global Technology Operations LLC Mobile charging stations with fuel-cell generators for electric-drive vehicles
JP7363674B2 (ja) * 2020-05-29 2023-10-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN116130713B (zh) * 2023-01-19 2023-11-28 上海氢晨新能源科技有限公司 一种分析燃料电池内部含水量的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005174645A (ja) 2003-12-09 2005-06-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6329089B1 (en) 1997-12-23 2001-12-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for increasing the temperature of a fuel cell
US6103409A (en) * 1998-02-10 2000-08-15 General Motors Corporation Fuel cell flooding detection and correction
JP2002313388A (ja) 2001-04-10 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の制御方法と燃料電池電気車両
JP2004031127A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4140294B2 (ja) * 2002-07-05 2008-08-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4745603B2 (ja) * 2002-07-29 2011-08-10 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2006526271A (ja) * 2003-05-15 2006-11-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007141744A (ja) * 2005-11-22 2007-06-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005174645A (ja) 2003-12-09 2005-06-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020100599A1 (de) 2020-01-14 2021-07-15 Audi Aktiengesellschaft Verfahren für einen Froststart eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen

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Publication number Publication date
DE112007002655B4 (de) 2018-02-22
KR101046559B1 (ko) 2011-07-05
KR20090009274A (ko) 2009-01-22
CN101496210B (zh) 2011-05-18
CN101496210A (zh) 2009-07-29
JP4831417B2 (ja) 2011-12-07
US8268501B2 (en) 2012-09-18
WO2008072755A1 (ja) 2008-06-19
US20090110970A1 (en) 2009-04-30
JP2008147093A (ja) 2008-06-26

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