DE112008000334T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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DE112008000334T5
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Kenji Toyota-shi Umayahara
Tadaichi Toyota-shi Matsumoto
Fusaki Toyota-shi Igarashi
Michio Toyota-shi Yoshida
Kota Toyota-shi Manabe
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Abstract

Brennstoffzellen-System umfassend:
eine Brennstoffzelle, die ein zugeführtes Brenngas und Oxidationsgas zum Erzeugen von Strom erhält; und
eine Steuervorrichtung, die die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle stoppt und die Ausgangspannung der Brennstoffzelle verringert, um einen Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, wenn ein angeforderter Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Wert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Katalysator-Aktivierungsfunktion aufweist.
  • Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Stromerzeugungssystem, welches einen Kraftstoff durch einen elektrochemischen Vorgang oxidiert, um durch die Oxidationsreaktion freigesetzte Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Membran-Elektroden-Einheit auf, in der beide seitlichen Oberflächen eines Polymerelektrolytfilms zum selektiven Transport von Wasserstoffionen von einem Paar aus einem porösen Material gebildeten Elektroden umgeben sind. Jede des Paares der Elektroden weist eine Katalysatorschicht auf, die als Hauptbestandteil, ein Kohlenstoffpulver aufweist, das einen Metallkatalysator auf Platinbasis trägt, und das in Kontakt mit dem Polymerelektrolytfilm kommt, und eine auf der Oberfläche der Katalysatorschicht gebildete Gasdiffusionsschicht, die sowohl Luftdurchlässigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit aufweist.
  • In diesem Typ eines Brennstoffzellensystems werden, wenn der Zellbetrieb in einem Betriebsbereich fortgesetzt wird, in dem die Zellspannung dem Oxidationspotential (ungefähr 0,7 V bis 1,7 V) entspricht, Hydroxide an der Oberfläche des Platinkatalysators der Katalysatorschicht adsorbiert, wodurch die Aktivierungs-Überspannung ansteigt und sich daher manchmal die Ausgangskennlinien verringern. Hinsichtlich dieser Situation beschreibt die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-346979 einen Vorgang des Stoppens der Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel und ein forciertes Verringern der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels durch einen DC/DC-Wandler, um die Zellspannung auf ein Reduktionspotential (zum Beispiel 0,6 V oder weniger) zu verringern, wobei die Hydroxide von der Oberfläche des Platinkatalysators entfernt werden, um die Katalysatoraktivität wieder zu erlangen. In dem Dokument ist ebenso beschrieben, dass ein Stromüberschuss, der durch den Vorgang der Katalysatoraktivierung erzeugt wird, in eine Batterie für Hilfsmaschinen geladen wird.
    • [Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-346979
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einem Brennstoffzellenfahrzeug, in dem ein Brennstoffzellensystem als im Fahrzeug eingebaute Stromquelle verwendet wird, verringert sich, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels forciert während des Strombetriebs verringert wird, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, die Zellspannung vorübergehend. Daher kann die Leistung, die während einer Anforderung für eine hohe Last der Rückmeldung des Gaspedals folgt, manchmal nicht erhalten werden und das Fahrverhalten (Manövrierverhalten) verringert sich manchmal erheblich.
  • Darüber hinaus wird in dem Fall, in dem die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels forciert verringert wird, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, während die Zufuhr des Reaktantengases zu dem Brennstoffzellenstapel fortgesetzt wird manchmal, ein übermäßiger Überschussstrom während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erzeugt, der nicht vollständig in die Akkumulatorvorrichtung geladen werden kann. Um den Schaden an der Akkumulatorvorrichtung aufgrund der Überlast zu unterdrücken, ist der während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erzeugte Überschussstrom bevorzugt so gering wie möglich.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das geeignet ist, den Vorgang der Katalysatoraktivierung einer Brennstoffzelle so durchzuführen, dass das Fahrverhalten nicht verschlechtert wird und dass der während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erzeugte Überschussstrom minimiert wird.
  • Um diesen Gegenstand zu erreichen, umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem Folgendes: eine Brennstoffzelle, die ein zugeführtes Brenngas und Oxidationsgas zum Erzeugen von Strom erhält; und eine Steuervorrichtung, die die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle stoppt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, wenn ein angeforderter Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Wert ist.
  • Wenn der angeforderte Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein Schwellenwert ist, wird die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, so dass das Fahrverhalten nicht verschlechtert wird und dass ein während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erzeugter Überschussstrom minimiert werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst ferner: eine Akkumulatorvorrichtung und die Steuervorrichtung, die den Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert, wenn der der Akkumulatorvorrichtung zuzuführende Strom ein vorherbestimmter Wert oder weniger ist.
  • Wenn der durch den Vorgang der Katalysatoraktivierung erzeugte Überschussstrom nicht in die Akkumulatorvorrichtung geladen werden kann, kann der Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert werden, um einen Schaden an der Akkumulatorvorrichtung zu vermeiden.
  • In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verhindert die Steuervorrichtung den Vorgang der Katalysatoraktivierung, wenn die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem als in dem Fahrzeug eingebaute Stromquelle verwendet wird, ein vorherbestimmter Wert oder mehr ist.
  • Wenn das Fahrzeug den Laufstatus aufweist, kann der Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert werden, um eine Verschlechterung des Fahrverhaltens, die durch Verringern der Zellspannung hervorgerufen wird, zu unterdrücken.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst ferner: eine Vielzahl von Sperrventilen, die in dem Rohrleitungssystem angeordnet sind, welches der Brennstoffzelle das Brenngas zuführt. Die Steuervorrichtung schließt die Vielzahl der Sperrventile, um einen geschlossenen Raum in dem Rohrleitungssystem zu bilden und erfasst eine Gasdruckfluktuation in dem geschlossenen Raum, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung zu verhindern, während ein Gasaustritt erfasst wird.
  • Der Vorgang der Katalysatoraktivierung während der Erfassung des Gasaustritts kann verhindert werden, um eine Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung des Gasaustritts zu vermeiden.
  • In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem führt die Steuereinheit den Vorgang der Katalysatoraktivierung durch, wenn sich die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle verringert.
  • Der Vorgang der Katalysatoraktivierung wird durchgeführt, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung benötigt wird. In Folge dessen kann die Anzahl der Zeiten der Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung minimiert werden und es ist möglich, eine Verschlechterung der Beständigkeit der Brennstoffzelle aufgrund des wiederholten Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zu vermeiden.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen DC/DC-Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle steuert und einen Kondensator, in den der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom geladen wird. Wenn der angeforderte Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Wert ist, verbindet die Steuereinheit einen Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle mit dem DC/DC-Wandler und steuert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch den DC/DC-Wandler, wohingegen die Steuereinheit, wenn der angeforderte Strom für die Brenn stoffzelle ein vorherbestimmter Wert oder mehr ist, den Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle mit dem Kondensator verbindet, um den durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom in den Kondensator zu laden.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 ist ein Diagramm des Systemaufbaus der Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 1;
  • 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Zelle, die den Brennstoffzellenstapel bildet;
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm der Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems;
  • 4 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Überblick über die Ausführungsbedingungen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt;
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Veränderung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt;
  • 6 ist eine erläuternde Ansicht, die Details der Ausführungsbedingungen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt;
  • 7 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Zellspannung und der Menge einer zu adsorbierenden oxidierten Membran zeigt;
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei der die Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet;
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das einen ersten Ablauf des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei der eine vorherbestimmte Zeit seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist;
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das einen zweiten Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei der eine vorherbestimmte Zeit seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist;
  • 11 ist eine erläuternde Ansicht, die die Verschlechterung der I-U-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels zeigt, die durch die Adsorption der oxidierten Membran durch den Platinkatalysator hervorgerufen wird;
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei die Abnahmemenge der Ausgangskennlinien des Brennstoffzellenstapels einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet;
  • 13 ist eine erläuternde Ansicht, die die Überspannung eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei der die Aktivierungs-Überspannung des Brennstoffzellenstapels einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet;
  • 15 ist ein Diagramm des Systemaufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 2; und
  • 16 ist ein Diagramm des Systemaufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 3.
  • Beste Weise zum Ausführen der Erfindung
  • Nachfolgend wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dieselbe Vorrichtung ist mit demselben Bezugszeichen bezeichnet und eine überflüssige Beschreibung wird weggelassen.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 zeigt den Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß Ausführungsform 1.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 wirkt als in einem Fahrzeug eingebautes Stromquellensystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut ist und schließt einen Brennstoffzellenstapel 20 ein, welcher ein zugeführtes Reaktantengas (ein Brenngas, ein Oxidationsgas) erhält, um Strom zu erzeugen; ein Oxidationsgaszuführsystem 30, zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20; ein Brenngaszuführsystem 40, zum Zuführen des Wasserstoffgases als Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel 20; ein Stromversorgungssystem 50 zum Steuern des Ladens/Entladens von Strom; und eine Steuereinheit 60, die im Allgemeinen das ganze System steuert.
  • Der Brennstoffzellenstapel ist ein Zellstapel vom Typ des Festpolymerelektrolyts, in dem eine große Anzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. In dem Brennstoffzellenstapel 20 tritt die Oxidationsreaktion der Formel (1) an dem Anodenpol auf, und die Reduktionsreaktion der Formel (2) tritt am Kathodenpol auf. In dem gesamten Brennstoffzellenstapel 20 tritt eine elektromotorische Reaktion der Formel (3) auf. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • An dem Brennstoffzellenstapel 20 sind ein Spannungssensor 71 zum Erfassen der Ausgangsspannung (die FC-Spannung) des Brennstoffzellenstapels 20 und ein Stromsensor 72 zum Erfassen des Ausgangsstroms (der FC-Strom) angebracht.
  • Das Oxidationsgaszuführsystem 30 weist einen Oxidationsgaskanal 33 auf, durch den das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende Oxidationsgas strömt und einen Oxidationsabgaskanal 34, durch den das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 freigesetzte Oxidationsabgas strömt. Der Oxidationsgaskanal 33 wird mit einem Luftkompressor 32 bereitgestellt, der das Oxidationsgas aus der Atmosphäre durch einen Filter 31 entnimmt, einem Befeuchter 35, der das durch den Luftkompressor 32 zu komprimierende Oxidationsgas befeuchtet, und einem Sperrventil A1, das die Zufuhr des Oxidationsgases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 sperrt. Der Oxidationsabgaskanal 34 wird mit einem Sperrventil A2 bereitgestellt, welcher das Abführen des Oxidationsabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 20 sperrt, einem Gegendruckregelventil A3, welches den Oxidationsgas-Zuführdruck reguliert und einen Befeuchter 15, der einen Austausch des Wassergehalts zwischen dem Oxidationsgas (ein trockenes Gas) und dem Oxidationsabgas (einem nassen Gas) durchführt.
  • Das Brenngaszuführsystem 40 weist eine Brenngaszuführquelle 41 auf; einen Brenngaskanal 43, durch den das von der Brenngaszuführquelle 41 zuzuführende Brenngas zu dem Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 strömt; einen Umlaufkanal 44, um das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeleitete Brennabgas dem Brenngaskanal 43 wieder zuzuführen; eine Umlaufpumpe 45, die dem Brenngaskanal 43 das Brennabgas unter Druck in dem Umlaufkanal 44 zuführt; und einen Gas-/Wasserabführkanal 46, der von dem Umlaufkanal 44 abzweigt und mit diesem verbunden ist.
  • Die Brenngaszuführquelle 41 besteht zum Beispiel aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoff-Einschlusslegierung oder dergleichen und nimmt Wasserstoffgas mit einem hohen Druck (zum Beispiel 35 MPa bis 70 MPa) auf. Wenn das Sperrventil H1 geöffnet wird, strömt Brenngas von der Brenngaszuführquelle 41 in den Brenngaskanal 43. Der Druck des Brenngases wird durch den Regulator H2 und die Einspritzdüse 42 zum Beispiel auf ungefähr 200 KPa verringert, um das Gas dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
  • Es ist anzumerken, dass die Brenngaszuführquelle 41 aus einem Reformer bestehen kann, welcher wasserstoffweiches reformiertes Gas aus einem Kraftstoff aus Kohlenwasserstoff bildet, und einen Hochdruckgastank, welcher das durch diesen Reformer gebildete reformierte Gas in einen Zustand des hohen Drucks bringt, um Druck aufzubauen.
  • Der Brenngaskanal 43 wird mit dem Sperrventil H1 bereitgestellt, um die Zufuhr des Brenngases aus der Brenngaszuführquelle 41 zu sperren oder zuzulassen, dem Regulator H2, der den Druck des Brenngases reguliert, der Einspritzdüse 42, die die Menge des dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Brenngases steuert, dem Sperrventil H3, zum Sperren der Zufuhr des Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel und einem Drucksensor 74.
  • Der Regulator H2 ist eine Vorrichtung, die den stromaufwärtigen Druck (den Primärdruck) des Regulators zu einem festgesetzten Sekundärdruck reguliert und besteht zum Beispiel aus einem mechanischen Druckreduzierventil oder dergleichen, welches den Primärdruck verringert. Das mechanische Druckreduzierventil besitzt ein Gehäuse, das mit einer Gegendruckkammer bereitgestellt wird und einer Druckausgleichskammer, die mittels eines Diaphragmas gebildet wird, und weist einen Aufbau auf, in dem der Primärdruck durch den Gegendruck der Gegendruckkammer auf einen vorherbestimmten Druck verringert wird, um den Sekundärdruck in der Druckausgleichskammer auszubilden. Der Regulator H2 kann auf der stromaufwärtigen Seite der Einspritzdüse 42 angeordnet werden, um den stromaufwärtigen Druck der Einspritzdüse 42 wirksam zu verringern. Daher ist ein Freiheitsgrad in der Gestaltung der Struktur des Mechanismus (der Ventilkörper, das Gehäuse, der Kanal, die Antriebsvorrichtung, etc.) der Einspritzdüse 42. Darüber hinaus ist es, da der stromaufwärtige Druck der Einspritzdüse 42 verringert werden kann, möglich, den Nachteil zu unterdrücken, dass sich der Ventilkörper der Einspritzdüse 42 aufgrund des Anstiegs der Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck der Einspritzdüse 42 nicht leicht bewegt. Daher kann der veränderbare Druckausgleichsbereich des stromabwärtigen Drucks der Einspritzdüse 42 erhöht werden und eine Verschlechterung des Ansprechens der Einspritzdüse 42 kann unterdrückt werden.
  • Die Einspritzdüse 42 ist ein elektromagnetisches Öffnen/Schließen-Antriebsventil, in dem der Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft für eine vorherbestimmte Antriebsdauer angetrieben wird und von dem Ventilsitz gelöst wird, wodurch die Gasströmungsrate oder der Gasdruck reguliert werden kann. Die Einspritzdüse 42 schließt einen Ventilsitz ein, der Düsenöffnungen aufweist, die einen gasförmigen Brennstoff, sowie das Brenngas, ausstoßen und schließt ebenso einen Düsenkörper ein, der das Heizgas den Düsenöffnungen zuführt und zuleitet, und wobei der Ventilkörper beweglich in der axialen Richtung (die Gasströmrichtung) bezüglich dieses Düsenkörpers aufgenommen und gehalten wird, um die Düsenöffnungen zu öffnen oder zu schließen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper der Einspritzdüse 42 durch einen Elektromagneten als elektromagnetische Antriebsvorrichtung angetrieben und ein pulsähnlicher Reizstrom, der an diesen Elektrodenmagnet angelegt wird, kann an-/ausgeschaltet werden, um den Öffnungsbereich eines jeden Düsenlochs in zwei Stufen umzuschalten. Die Gasausströmzeit und der Gasausströmzeitpunkt der Einspritzdüse 42 werden durch die Ausgabe eines Steuersignals von der Steuereinheit 60 gesteuert, um die Strömungsrate und den Druck des Brenngases genau zu steuern. Die Einspritzdüse 42 treibt das Ventil mit der elektromagnetischen Antriebskraft direkt an und öffnet/schließt dieses (der Ventilkörper und der Ventilsitz), wobei die Antriebsdauer zu einem Bereich mit hohem Ansprechverhalten gesteuert werden kann und daher weist die Einspritzdüse ein hohes Ansprechverhalten auf. Um das Gas der stromabwärtigen Seite der Einspritzdüse mit einer erforderten Flussrate zuzuführen, wechselt die Einspritzdüse wenigstens einen Öffnungsbereich (den Öffnungsgrad) und die Öffnungszeit des Ventilkörpers, der in dem Gaskanal der Einspritzdüse 42 bereitgestellt ist, um die Strömungsrate (oder die molare Konzentration des Wasserstoffs) des zu der stromabwärtigen Seite zuzuführenden Gases zu regulieren.
  • Der Umlaufkanal 44 ist mit dem Sperrventil H4 zum Sperren des Ausstroms des Brennabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden und der Gas-/Wasser-Ausstromkanal 46 zweigt von dem Umlaufkanal 44 ab. Der Gas-/Wasser-Ausstromkanal 46 wird mit dem Gas-/Wasser-Ausstromventil H5 bereitgestellt. Das Gas-/Wasser-Ausstromventil H5 arbeitet in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl der Steuereinheit 60, um das Brennabgas, das Verunreinigungen in dem Umlaufkanal 44 und dem Wassergehalt einschließt nach Außen abzuführen. Wenn sich das Gas-/Wasser-Ausstromventil H5 öffnet, sinkt die Konzentration der Verunreinigungen in dem Brennabgas in dem Umlaufkanal 44 und die Konzentration an Wasserstoff in dem Brennabgas, das durch das Umlaufsystem zirkuliert wird, kann erhöht werden.
  • Das durch das Gas-/Wasser-Ausstromventil H5 abgeführtes Brennabgas wird mit dem durch den Oxidationsabgaskanal 34 strömenden Oxidationsabgas gemischt und durch einen Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt. Die Umlaufpumpe 45 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brennabgas des Umlaufsystems dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen und es zu zirkulieren.
  • Das Stromversorgungssystem 50 schließt einen DC/DC-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebsumrichter 53, einen Traktionsmotor 54 und Hilfsmaschinen 55 ein. Der DC/DC-Wandler 51 besitzt die Funktion, einen Gleichstrom, der von der Batterie 52 zugeführt wird, anzuheben, um dem Antriebsumrichters 53 Spannung auszugeben und hat die Funktion, den von den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Gleichstrom oder einen generatorischen Strom, der von dem Traktionsmotor 54 durch Rückarbeitsbremsung gesammelt wurde, zu verringern, um die Batterie 52 zu laden. Das Laden/Entladen der Batterie 52 wird durch diese Funktionen für den DC/DC-Wandler 51 gesteuert. Darüber hinaus wird der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Spannungs-Umwandlungssteuerung für den DC/DC-Wandler 51 gesteuert.
  • Die Batterie 52 wirkt als Speicherquelle für den Überschussstrom, als generative Energiespeicherquelle während der Rückarbeitsbremsung oder als Energiepuffer wäh rend einer Lastfluktuation, die eine Beschleunigung oder Abbremsung des Brennstoffzellenfahrzeugs begleitet. Als Batterie 52 ist zum Beispiel eine Nickel/Cadmium-Akkumulatorbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulatorbatterie oder eine sekundäre Batterie, wie eine sekundäre Lithium-Batterie, bevorzugt. An der Batterie 52 ist ein SOC-Sensor zum Erfassen des Ladezustands (SOC) angebracht.
  • Der Antriebsumrichter 53 ist zum Beispiel ein PWM-Umrichter, der von einem Pulsdauer-Modulationssystem angetrieben wird und wandelt den Gleichspannungsausgang des Brennstoffzellenstapels 20 oder der Batterie 52 in eine Drei-Phasen-Wechselspannung in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 60 um, um das Drehmoment des Traktionsmotors 54 zu steuern. Der Traktionsmotor 54 ist zum Beispiel ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor und bildet die Stromquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • Die Hilfsmaschinen 55 schließen allgemein Motoren ein, die in Einheiten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind (zum Beispiel Stromquellen für Pumpen, etc.), Wandler für den Antrieb dieser Motoren und verschiedene Typen einer in dem Fahrzeug eingebauten Hilfsmaschine (zum Beispiel ein Luftkompressor, eine Einspritzdüse, eine Kühlwasserumlaufpumpe, ein Kühler und dergleichen).
  • Die Steuereinheit 60 ist ein Computersystem, das eine CPU, ein ROM, ein RAM und ein Eingabe-/Ausgabe-Interface einschließt und der die Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Zum Beispiel beginnt beim Erhalt eines IG-Ausgangssignals der Inbetriebnahme von dem Zündschalter die Steuereinheit 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, um den angeforderten Strom des ganzen Systems, basierend auf dem ACC-Signalausgang des Öffnungsgrades des Gaspedals von dem Gaspedalsensor, dem VC-Signalausgang der Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und dergleichen, zu erhalten. Der angeforderte Strom des gesamten Systems ist der Gesamtwert des Stroms des Fahrzeugbetriebs und des Stroms der Hilfsmaschine.
  • Hier schließt der Strom der Hilfsmaschine einen Strom ein, der von einer in dem Fahrzeug eingebauten Hilfsmaschine verbraucht wird (der Befeuchter, der Luftkompressor, die Wasserstoffpumpe, die Kühlwasserumlaufpumpe oder dergleichen) einen Strom, der von einer Vorrichtung verbraucht wird (eine Gangschaltung, eine Reifensteuervorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Einhängevorrichtung), die für den Betrieb des Fahrzeugs nötig ist, einen Strom, der von einer Vorrichtung verbraucht wird, die im Passagierraum angeordnet ist (eine Klimaanlage, ein Beleuchtungskörper, eine Audiovorrichtung oder dergleichen) und dergleichen
  • Darüber hinaus bestimmt die Steuereinheit 60 die THE-Verteilung der Ausgangsströme des Brennstoffzellenstapels 20 und der Batterie 52, steuert das Oxidationsgaszuführsystem 30 und das Brenngaszuführsystem 40, so dass die Menge des Stroms, der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt werden soll, mit einem Zielstrom übereinstimmt. Darüber hinaus steuert die Steuereinheit den DC/DC-Wandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu regulieren, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert wird. Außerdem gibt, um ein Soll-Drehmoment zu erhalten, das dem Öffnungsgrad des Gaspedals entspricht, die Steuereinheit 60 zum Beispiel U-Phasen, V-Phasen und W-Phasen Wechselspannungs-Befehlswerte als Umschaltbefehle an den Antriebsumrichter 53 aus und steuert das Antriebsdrehmoment und die Drehzahl des Traktionsmotors 54.
  • 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Zelle 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bildet.
  • Die Zelle 21 besteht aus einem Polymerelektrolytfilm 22, einem Anodenpol 23, einem Kathodenpol 24 und Separatoren 26, 27. Der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 sind Diffusionselektroden, die den Polymerelektrolytfilm 22 von beiden Seiten umgeben, so dass eine Sandwichstruktur gebildet wird. Die aus luftundurchlässigen leitfähigen Elementen bestehenden Separatoren 26, 27 umgeben diese Sandwichstruktur ferner von beiden Seiten, während sie die Kanäle für das Brenngas und das Oxidationsgas zwischen dem Anodenpol 23 und dem Kathodenpol 24 bilden. Der Separator 26 wird mit Rippen 26a bereitgestellt, die ausgesparte Abschnitte aufweisen. Der Anodenpol 23 grenzt an die Rippen 26a an, um die Öffnungen der Rippen 26a zu schließen, wodurch der Brenngaskanal gebildet wird. Der Separator 27 wird mit Rippen 27a bereitgestellt, die ausgesparte Abschnitte aufweisen. Der Kathodenpol 24 grenzt an die Rippen 27a an, um die Öffnungen der Rippen 27a zu schließen, wodurch der Oxidationsgaskanal gebildet wird.
  • Der Anodenpol 23 weist eine Katalysatorschicht 23a auf, die als Hauptbestandteil ein Kohlenstoffpulver einschließt, das als Hauptbestandteil einen Metallkatalysator auf Platinbasis trägt (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder dergleichen), wobei die Katalysatorschicht in Kontakt mit dem Polymerelektrolytfilm 22 kommt; und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf der Oberfläche der Katalysatorschicht 23a gebildet wird und sowohl Luftdurchlässigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit aufweist. Gleichermaßen weist der Kathodenpol eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b auf. Insbesondere ist, betreffend die Katalysatorschichten 23a, 24a, das Kohlenstoffpulver, das das Platin oder eine aus Platin bestehende Legierung und ein anderes Metall trägt, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel dispergiert und eine Elektrolytlösung wird in einer entsprechenden Menge zugegeben, festgeklebt und mittels Siebdruck auf den Polymerelektrolytfilm 22 aufgebracht. Die Gasdiffusionsschichten 23b, 24b werden aus Kohlenstoffgewebe gebildet, das mit einem Faden aus einer Kohlenstofffaser, Kohlenstoffpapier oder Kohlensstofffilz gewoben wird. Der Polymerelektrolytfilm 22 ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran, die aus einem festen Polymermaterial gebildet wird, zum Beispiel einem Harz auf Fluorbasis, und die in dem nassen Zustand eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit zeigt. Der Polymerelektrolytfilm 22, der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 bilden eine Membran-Elektroden-Einheit 25.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems 10 zeigt.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10 wird der Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels 20 übereinstimmend mit der Betriebslast umgeschaltet, um die Stromer zeugungseffizienz zu verbessern. Zum Beispiel stellt in einem Bereich geringer Last, der eine geringe Stromerzeugungseffizienz aufweist (ein Betriebsbereich, in dem die Anforderung für die Stromerzeugung geringer als ein vorherbestimmter Wert ist), das Brennstoffzellensystem den Bestimmungswert der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 auf Null, um den Betrieb zu steuern, und der Strom, der für den Fahrzeuglauf erforderlich ist oder der Strom, der für den Betrieb eines Systems erforderlich ist, wird von der Batterie 52 gedeckt (nachfolgend als erster Betriebsmodus bezeichnet). Andererseits wird, in einem Bereich hoher Last, der eine hohe Stromerzeugungseffizienz aufweist (ein Betriebsbereich, in dem die Anforderung der Stromerzeugung einem vorherbestimmten Wert entspricht oder mehr), der Bestimmungswert der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 basierend auf dem Öffnungsgrad des Gaspedals, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen berechnet, um den Betrieb zu steuern, und der Strom, der für den Fahrzeuglauf benötigt wird oder der Strom, der für den Systembetrieb benötigt wird, wird nur durch den Strom gedeckt, der von dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder dem Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird und dem Strom aus der Batterie 52 (nachfolgend als zweiter Betriebsmodus bezeichnet).
  • Das Brennstoffzellensystem überwacht eine Control Flag, die den Betriebsmodus für einen bestimmten Zeitraum anzeigt, steuert den Betrieb in dem ersten Betriebsmodus, wenn die Control Flag angeschaltet wird und steuert den Betrieb des zweiten Betriebsmodus, wenn die Control Flag ausgeschaltet wird. In einem beliebigen Betriebsmodus wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während dem gewöhnlichen Betrieb im Prinzip auf einen Betriebsbereich zwischen der oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 und der unteren Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 begrenzt.
  • Die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 ist bevorzugt eine Spannung, die die Bedingung eines Spannungsbereichs erfüllt, in dem der in den Katalysatorschichten 23a, 24a, des Brennstoffzellenstapels 20 eingeschlossene Platinkatalysator nicht eluiert wird. Darüber hinaus erfüllt zusätzlich zu dieser Bedingung die Spannung bevorzugt die Bedingung eines Spannungsbereichs, in dem der durch den Brennstoffzel lenstapel 20 erzeugte Strom durch die Hilfsmaschinen 55 verbraucht werden kann, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 bewahrt, während die Zufuhr des Reaktantengases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 gestoppt wird. In dem Brennstoffzellenstapel 20 kann, insbesondere, wenn der Kathodenpol 24 während des Betriebs mit geringer Stromdichte oder während des Leerlaufbetriebs, bei einem hohen Potential gehalten wird, der Platinkatalysator der Katalysatorschicht 24a eluiert werden. In der vorliegenden Beschreibung wird, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung oder weniger gesteuert wird, um die Beständigkeit des Brennstoffzellenstapels 20 zu bewahren, die Steuerung als Steuerung der Vermeidung eines hohen Potentials bezeichnet. Darüber hinaus wird die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 manchmal als Spannung der Vermeidung eines hohen Potentials bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in einem beliebigen Betriebsmodus die Steuerung zur Vermeidung eines hohen Potentials im Prinzip ausgeführt. Die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 wird bevorzugt so festgelegt, dass die Spannung der Zelle zum Beispiel ungefähr 0,9 V beträgt.
  • Die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 ist bevorzugt eine Spannung, die die Bedingung eines Spannungsbereichs erfüllt, in dem die Zellspannung sich nicht auf einen Reduktionsbereich verringert. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 kontinuierlich in dem Oxidationsbereich betrieben wird, wird eine oxidierte Membran auf der Oberfläche des in der Katalysatorschicht 24a eingeschlossenem Platinkatalysators gebildet, wodurch sich der wirksame Bereich des Platinkatalysators verringert. Dann steigt die aktive Spannung und daher verringern sich die I-U-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels 20. Wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung zum Reduzieren der oxidierten Membran und zum Entfernen der oxidierten Membran von dem Platinkatalysator durchgeführt wird, können die I-U-Kennlinien wieder hergestellt werden. Dennoch verringert sich, wenn die Zellspannung häufig zwischen dem Oxidationsbereich und dem Reduktionsbereich verändert wird, die Beständigkeit des Brennstoffzellenstapels 20. Darüber hinaus wird, wenn die Zellspannung auf den Reduktionsbereich verringert wird und die Zellspannung dann in Übereinstimmung mit dem Anstieg einer Lastanforderung in den Oxidationsbereich angehoben wird, der den Platinkataly sator tragende Kohlenstoff manchmal oxidiert. Wenn eine solche Situation berücksichtigt wird und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während des gewöhnlichen Betriebs auf die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 oder mehr gesteuert wird, kann die Verschlechterung der Beständigkeit des Brennstoffzellenstapels 20 unterdrückt werden. Die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 wird bevorzugt so festgelegt, dass die Spannung pro Zelle zum Beispiel ungefähr 0,8 V beträgt.
  • Es ist anzumerken, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während des gewöhnlichen Betriebs im Prinzip zwischen der oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 und der unteren Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 gesteuert wird, aber wenn es für den Systembetrieb erforderlich ist, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 manchmal auf die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 oder mehr oder die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 oder weniger gesteuert. Wenn die SOC der Batterie 52 zum Beispiel ein vorherbestimmter Wert oder mehr ist, wird, wenn ein Gasaustritt erfasst wird oder wenn ein generatorischer Strom durch eine Rückarbeitsbremsung oder dergleichen gesammelt wird, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf eine unbegrenzte Spannung angehoben. Darüber hinaus wird, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 oder weniger verringert.
  • Indessen setzt in dem ersten Betriebsmodus die Steuereinheit 70 den Bestimmungswert der Stromerzeugung auf Null, stoppt die Zufuhr von Reaktantengas zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und setzt den Bestimmungswert der Spannung für den DC/DC-Wandler 51 auf die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 (Zeit t0 bis t4). Selbst nachdem die Zufuhr des Reaktantengases gestoppt ist, verbleibt nicht umgesetztes Reaktantengas in den Brennstoffzellenstapel 20 und daher erzeugt der Brennstoffzellenstapel 20 für eine Weile eine geringe Menge Strom.
  • Die Dauer der Zeit t0 bis t2 ist die Stromerzeugungsdauer, wenn die chemische Energie des verbleibenden Reaktantengases in elektrische Energie umgewandelt wird, um die Erzeugung der geringen Menge Strom fortzusetzen. In dieser Stromerzeugungsdauer weist das verbleibende Reaktantengas eine solche Energie auf, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 beibehalten kann und daher bewahrt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 fortdauernd. Der durch diese Stromerzeugungsdauer erzeugte Strom wird von den Hilfsmaschinen 55 verbraucht. Wenn der Strom nicht vollständig von den Hilfsmaschinen 55 verbraucht werden kann, wird der Strom jedoch in die Batterie 52 geladen.
  • In der Dauer der Zeit t0 bis t1 überschreitet die Stromerzeugungsenergie des Brennstoffzellenstapels 20 das Verbrauchsvermögen der Hilfsmaschinen 55 und daher wird ein Teil der Stromerzeugungsenergie in die Batterie 52 geladen. Die Stromerzeugungsenergie, die von dem Brennstoffzellenstapel 20 freigesetzt wird, verringert sich jedoch schrittweise übereinstimmend mit dem Verbrauch des verbleibenden Reaktantengases. Daher wird zur Zeit t1 die von dem Brennstoffzellenstapel 20 freigesetzte Stromerzeugungsenergie mit dem Verbrauchsvermögen der Hilfsmaschinen 55 ausgeglichen und der in die Batterie 52 geladene Strom wird auf Null gesetzt. Darüber hinaus kann in der Dauer der Zeit t1 bis zur Zeit t2 die von dem Brennstoffzellenstapel 20 freigesetzte Stromerzeugungsenergie den Stromverbrauch der Hilfsmaschinen 55 nicht decken und daher führt die Batterie 52, zum Kompensieren des Mangels an Strom, den Strom den Hilfsmaschinen 55 zu.
  • Die Dauer der Zeit t2 bis t4 ist die Dauer des Stillstands der Stromerzeugung, wenn das verbleibende Reaktantengas verbraucht ist und daher kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 nicht mehr beibehalten, was in dem Stillstand der Stromerzeugung resultiert. Wenn das verbleibende Reaktantengas keine Energie mehr hat, die zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels an der oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 nötig wäre, wird die Stromerzeugung gestoppt und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels verringert sich schrittweise. In dieser Dauer des Stillstands der Stromerzeugung wird die Stromerzeugungsenergie des Brennstoffzellenstapels 20 auf Null gesetzt, so dass der von der Batterie 52 den Hilfsmaschinen 55 zugeführte Strom im Wesentlichen konstant wird.
  • Zur Zeit t3, wenn sich die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 verringert, wird das Oxidationsgaszuführsystem 30 betrieben, um dem Brennstoffzellenstapel 20 das Oxidationsgas wieder zuzuführen. Da der Brennstoffzellenstapel 20 das wieder zugeführte Oxidationsgas zum Erzeugen von Strom erhält, beginnt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu steigen. In der Phase, in der die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf eine vorherbestimmte Spannung (zum Beispiel 360 V) angestiegen ist, endet das Wiederzuführen des Oxidationsgases. Daher wird in der Dauer des Stillstands der Stromerzeugung, jedes Mal, wenn sich die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 verringert, das Oxidationsgas entsprechend wieder zugeführt und die Ausgangsspannung wird so gesteuert, dass die Spannung nicht geringer wird als die untere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2.
  • Im zweiten Betriebsmodus berechnet die Steuereinheit 70 den Bestimmungswert der Stromerzeugung in Übereinstimmung mit der Lastanforderung, steuert die Zufuhr des Reaktantengases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und steuert den Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch den DC/DC-Wandler 51 (die Zeit t4 bis zur Zeit t5). Zu dieser Zeit ist der Bestimmungswert der Spannung für den DC/DC-Wandler 51 auf einen Betriebsbereich zwischen der oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 und der unteren Verbrauchs-Begrenzungsspannung V2 beschränkt.
  • 4 ist eine erläuternde Darstellung, die einen Überblick über die Ausführungsbedingungen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt.
  • Wie in der Figur gezeigt wird, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug angehalten wird und der Betriebsmodus der erste Betriebsmodus ist, die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zugelassen.
  • Hier wird der Vorgang der Katalysatoraktivierung ausführlich beschrieben.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 20 passieren, wie durch obige Formel (1) wiedergegeben, die in dem Anodenpol 23 gebildeten Wasserstoffionen durch den Elektrolytfilm 22, um sich zu dem Kathodenpol 24 zu bewegen. Wie in der obigen Formel (2) wiedergegeben, verursachen die Wasserstoffionen, die sich zu dem Kathodenpol 24 bewegt haben, eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff in dem zu dem Kathodenpol 24 zugeführten Oxidationsgas und erzeugen die Reduzierungsreaktion des Sauerstoffs. In Folge dessen wird die Oberfläche des Platinkatalysators der Katalysatorschicht 24a mit einer oxidierten Membran bedeckt, um den Reaktionswiderstand (eine Überspannung) zu erhöhen und die Stromerzeugungseffizienz (Ausgangskennlinien) verringert sich. Der Vorgang der Katalysatoraktivierung ist der Vorgang des Verringerns der Zellspannung auf ein Reduktionspotential, um die oxidierte Membran zu reduzieren und die oxidierte Membran von der Katalysatoroberfläche zu entfernen. Insbesondere wird die Spannung jeder Zelle, d. h. die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels verringert, um den Ausgangsstrom zu erhöhen, wodurch die elektrochemische Reaktion in der Katalysatorschicht 24a von dem Bereich einer Oxidierungsreaktion in einen Bereich einer Reduzierungsreaktion, zum Wiedergewinnen der Katalysatoraktivität verschoben wird.
  • Es ist anzumerken, dass die Bedingungen, dass das Brennstoffzellenfahrzeug angehalten wird und das der Betriebsmodus der erste Betriebsmodus ist, die Minimalbedingungen zum Zulassen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung sind. Um das Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zuzulassen, werden für die Zweckmäßigkeit des Systembetriebs andere Bedingungen bevorzugt berücksichtigt (Details werden später beschrieben).
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Veränderung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt.
  • Wie oben beschrieben wird, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug angehalten wird und der Betriebsmodus der erste Betriebsmodus ist, der Vorgang der Katalysa toraktivierung durchgeführt. In dem Vorgang der Katalysatoraktivierung setzt die Steuereinheit 60 die Zufuhr des Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 fort, während die Zufuhr des Oxidationsgases gestoppt wird und der Bestimmungswert der Spannung für den DC/DC-Wandler 51 linear schrittweise von der oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 auf die Reduktionsspannung V3 (Zeit t10 bis t11) abgesenkt wird. Die Reduktionsspannung V3 muss in einem Spannungsbereich liegen, in dem die den Platinkatalysator bedeckende oxidierte Membran reduziert werden kann, um die oxidierte Membran zu entfernen, und wird bevorzugt so festgelegt, dass die Spannung pro Zelle zum Beispiel ungefähr 0,7 V beträgt.
  • Es ist anzumerken, dass in dem ersten Betriebsmodus die Zufuhr des Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 im Prinzip gestoppt wird und die Zufuhr des Oxidationsgases ebenso gestoppt wird, jedoch wird in dem Vorgang der Katalysatoraktivierung nur die Zufuhr des Oxidationsgases gestoppt, während die Zufuhr des Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 fortgesetzt wird. Dies ist der Fall, da sich der Pol jeder Zelle 21 verschiebt und beschädigt werden könnte, wenn die Zufuhr des Brenngases ebenso gestoppt wird.
  • Nach der Zeit t11, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die Reduktionsspannung V3 erreicht hat, hält die Steuereinheit 60 den Bestimmungswert der Spannung für den DC/DC-Wandler 51 bei der Reduktionsspannung V3. Dennoch kann, da die Zufuhr des Oxidationsgases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung gestoppt ist, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die Reduktionsspannung V3 nicht halten, was schließlich im Stillstand der Stromerzeugung resultiert. Dann beginnt sich die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 schrittweise zu verringern.
  • Dann treibt zur Zeit t12, wenn sich die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf eine Luftausblasspannung V4 verringert hat, die Steuereinheit 60 den Luftkompressor 33 wieder an, um dem Brennstoffzellenstapel 20 das Oxidationsgas wieder zuzuführen. Die Luftausblasspannung V4 sollte in einem Spannungsbereich lie gen, in dem sich die Zellspannung nicht übermäßig verringert und wird bevorzugt so festgelegt, dass die Spannung pro Zelle zum Beispiel ungefähr 0,65 V beträgt.
  • Es ist anzumerken, dass, wenn das Oxidationsgas wieder zugeführt wird, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu steigen beginnt, jedoch ist die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 durch den DC/DC-Wandler 51 beschränkt, so dass die Spannung die obere Verbrauchs-Begrenzungsspannung V1 nicht überschreitet.
  • 6 ist eine erläuternde Darstellung, die die Details der Ausführungsbedingungen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zeigt.
  • Wie in der Figur gezeigt, ist es, um die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zuzulassen, notwendig alle Bedingungen zu erfüllen: (A1) die Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt VC1 oder weniger; (B1) der Betriebsmodus ist der erste Betriebsmodus; (C1) das Ladevermögen Win der Batterie 52 beträgt W1 oder weniger; (D1) es wird nicht beurteilt, dass ein Gasaustritt erfasst wird; und (E1) der Luftkompressor 33 ist gestoppt. Andererseits ist es, um die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zu verhindern, notwendig, eine der Bedingungen zu erfüllen: (A2) die Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt VC2 oder weniger; (B2) der Betriebsmodus ist ein anderer Modus als der erste Betriebsmodus; (C2) das Ladevermögen Win der Batterie 52 beträgt W2 oder mehr; (D2) es wird beurteilt, dass ein Gasaustritt erfasst wird; und (E2) der Luftkompressor 33 wird betrieben.
  • (Fahrzeuglaufstatus)
  • Bei dem Vorgang der Katalysatoraktivierung wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf die Reduktionsspannung V3 verringert. Daher wird in dem Fall, in dem angenommen wird, dass das Gaspedal in diesem Zustand gedrückt wird und dass der Betriebsmodus von dem ersten Betriebsmodus zu dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, die Zellspannung verringert, daher kann eine beliebige Ausgangsgröße, die der Anforderung des Gaspedals während der Anforderung für eine hohe Last folgt, nicht erhalten werden und das Fahrverhalten kann sich erheblich verschlechtern. In diesem Fall ist, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, die Bedingung das Fahrzeug anzuhalten die notwendige Bedingung. Wenn das Fahrzeug läuft, wird die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert. Insbesondere ist eine notwendige Bedingung zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung die Bedingung, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit VC1 ist (zum Beispiel 0,5 km/h) oder weniger. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VC2 (zum Beispiel 3,0 km/h) oder mehr ist, wird die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert.
  • (Betriebsmodus)
  • Um die Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zuzulassen, ist der erforderliche Betriebsmodus der erste Betriebsmodus. Wenn der Betriebsmodus ein anderer als der erste Betriebsmodus ist (zum Beispiel der zweite Betriebsmodus oder ein Zustand wie die Inbetriebnahme oder das Anhalten des Systems), wird der Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert. Im ersten Betriebsmodus wird die Zufuhr des Oxidationsgases zu dem Brennstoffzellenstapel 20 gestoppt. Daher kann, in dem Fall, in dem der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, selbst wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 forciert verringert wird, der erzeugte Strom (der Überschussstrom) minimiert werden. Mit anderen Worten kann, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung im ersten Betriebsmodus durchgeführt wird, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf das Reduktionspotential verringert werden, während das Laden so gesteuert wird, dass die Batterie 52 nicht überladen wird.
  • (Batterieladevermögen)
  • Während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung wird ein Teil des durch den Brennstoffzellenstapels 20 erzeugten Überschussstroms durch die Hilfsmaschinen 55 verbraucht, jedoch wird ein großer Teil des Überschussstroms in die Batterie 52 geladen. Wenn sich das Ladevermögen der Batterie 52 verschlechtert, kann der Überschuss strom nicht ausreichend geladen werden und daher wird das Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert. Insbesondere ist die Bedingung zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung die Bedingung, in der das Ladevermögen der Batterie 52 W1 (zum Beispiel –6 kW) oder weniger beträgt. Wenn das Ladevermögen W2 (zum Beispiel –5 kW) oder mehr ist, wird das Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert.
  • (Beurteilung des Gasaustritts)
  • Wenn die Sperrventile H3, H4 geschlossen sind, wird ein geschlossener Raum in dem Brenngas-Rohrleitungssystem gebildet und die Gasdruckfluktuation in dem geschlossenen Raum wird durch den Temperatursensor 74 gelesen, um die Erfassung des Gasaustritts, zur Beurteilung, ob Wasserstoffgas austritt oder nicht, durchzuführen. In diesem Fall kann, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, die Erfassung des Gasaustritts manchmal durch den Verbrauch des Brenngases durch den Brennstoffzellenstapel 20 nicht korrekt durchgeführt werden. Daher ist die Bedingung, dass die Erfassung des Gasaustritts nicht durchgeführt wird, die notwendige Bedingung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung. Wenn die Beurteilung des Gasaustritts durchgeführt wird, wird das Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert.
  • (Luftkompressor)
  • Wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung während des Betriebs des Luftkompressors 33 zum Verringern der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 durchgeführt wird, steigt der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Strom an und die Batterie 52 überlädt manchmal. Daher ist die Bedingung, dass der Luftkompressor 33 angehalten wird, die notwendige Bedingung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung. Wenn der Luftkompressor 33 in Betrieb ist, wird das Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung verhindert.
  • Es ist anzumerken, dass ein Beispiel der Bedingungen zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung beschrieben wurde und die vorliegende Erfindung nicht auf das obige Beispiel beschränkt ist. Im Hinblick auf die Bedingungen zum Zulassen oder Verhindern des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung kann eine weitere Bedingung hinzugefügt werden oder die Inhalte der obigen Bedingung können entsprechend verändert werden. Zum Beispiel verschlechtert sich, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung häufig wiederholt wird, die Beständigkeit des Brennstoffzellenstapels 20. Daher wird nur wenn beurteilt wird, dass der Vorgang der Katalysatoraktivierung aus einem Grund nötig ist, wie dem Grund, dass eine Verschlechterung der I-U-Kennlinien angenommen wird, der Vorgang der Katalysatoraktivierung bevorzugt durchgeführt.
  • 7 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Zellspannung und der Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran zeigt.
  • Wie in diesem Graph gezeigt, steigt in dem Oxidationsbereich, in dem die Zellspannung ungefähr 0,75 V oder mehr beträgt, wenn die Zellspannung hoch ist, die Menge der durch den Platinkatalysator zu adsorbierenden oxidierten Membran an. Darüber hinaus steigt, wenn die Zeit, zu der die Zellspannung in dem Oxidationsbereich bleibt, zu lang ist, die Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran an. Andererseits steigt, in dem Reduktionsbereich, in dem die Zellspannung ungefähr 0,75 V oder weniger beträgt, wenn die Zellspannung gering ist, die Menge der von dem Platinkatalysator abzuschälenden oxidierten Membran an. Darüber hinaus steigt, wenn die Zeit, in der die Zellspannung in dem Reduktionsbereich verbleibt, zu lang ist, die Menge der zu abzuschälenden oxidierten Membran an. Daher kann, basierend auf dem in der Figur gezeigten Graph, wenn eine positive Zeitintegration in dem Oxidationsbereich durchgeführt wird und eine negative Zeitintegration in dem Reduktionsbereich durchgeführt wird, die Menge der durch den Platinkatalysator zu adsorbierenden oxidierten Membran eingeschätzt werden. Wenn die Menge der durch den Platinkatalysator zu adsorbierenden oxidierten Membran steigt, sinkt der effektive Bereich des Platinkatalysators, der zu der elektrochemischen Reaktion beiträgt, so dass die Stromdichte ansteigt, wodurch ein Anstieg der Überspannung erzeugt wird. In dem Fall, in dem der Vorgang der Katalysa toraktivierung durchgeführt wird, wenn die Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die Anzahl der Durchführungszeiten des Vorgangs der Katalysatoraktivierung minimiert werden.
  • Es ist anzumerken, dass 0,75 V oben lediglich erläutert wurden und die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Spannungswert beschränkt ist.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei einer Bedingung zeigt, bei der die Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  • Die Steuereinheit 60 führt eine Zeitintegration der Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran basierend auf der Zeit durch, die seit der Durchführung des vorherigen Vorgangs der Katalysatoraktivierung (Schritt 801) verstrichen ist und beurteilt, ob die Adsorptionsmenge einen vorherbestimmten Wert überschreitet oder nicht (Schritt 802). Wenn die Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran den vorherbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet (Schritt 802; NEIN), führt die Steuereinheit 60 die Schritte 801 und 802 wiederholt durch.
  • Wenn die Menge der adsorbierenden oxidierten Membran den vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet (Schritt 802; JA), beurteilt die Steuereinheit 60, ob alle der Bedingungen (A1) bis (E1) zum Zulassen der Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erfüllt sind oder nicht (Schritt 803). Wenn eine beliebige der Bedingungen (A1) bis (E1) nicht ermittelt wird (Schritt 803; NEIN), kehrt die Steuereinheit 60 zu Schritt 801 zurück. Andererseits führt die Steuereinheit 60, wenn alle der Bedingungen (A1) bis (E1) ermittelt werden (Schritt 803); JA), den Vorgang der Katalysatoraktivierung durch (Schritt 804).
  • Es ist anzumerken, dass während der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, die Zellspannung in dem Reduktionsbereich liegt und daher die negative Zeitintegration der Menge der zu adsorbierenden oxidierten Membran in Übereinstim mung mit der Durchführungszeit des Vorgangs der Katalysatoraktivierung (Schritt 801) durchgeführt wird.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das einen ersten Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei der Bedingung zeigt, bei der eine vorherbestimmte Zeit seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist.
  • Die Steuereinheit 60 beurteilt, ob die Zeit, die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist, eine vorherbestimmte Zeit überschreitet oder nicht (Schritt 901). Wenn die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichene Zeit die vorherbestimmte Zeit nicht überschreitet (Schritt 901; NEIN), führt die Steuereinheit 60 die Beurteilung des Schritts 901 wiederholt durch.
  • Wenn die Zeit, die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist, die vorherbestimmte Zeit überschreitet (Schritt 901; JA), beurteilt die Steuereinheit 60, ob alle der Bedingungen (A1) bis (E1) zum Zulassen der Durchführung des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erfüllt sind oder nicht (Schritt 902). Wenn eine beliebige der Bedingungen (A1) bis (E1) nicht ermittelt wird (Schritt 902; NEIN), kehrt die Steuereinheit 60 zu Schritt 901 zurück. Andererseits führt die Steuereinheit 60, wenn alle der Bedingungen (A1) bis (E1) ermittelt werden (Schritt 902; JA), den Vorgang der Katalysatoraktivierung durch (Schritt 903), um zum Beurteilungsvorgang des Schritts 901 zurückzukehren.
  • Daher können, wenn der Vorgang der Katalysatoraktivierung auf dem Übereinkommen durchgeführt wird, dass die verstrichene Zeit seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung die vorherbestimmte Zeit überschreitet, die Anzahl der Durchführungszeiten des Vorgangs der Katalysatoraktivierung minimiert werden.
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das einen zweiten Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei der Bedingung zeigt, bei der die vorherbestimmte Zeit seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist.
  • Die Steuereinheit 60 beurteilt, ob die Zeit, die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist (oder eine Zeit, die seit der Rückstellung eines Zeitgebers verstrichen ist), eine vorherbestimmte Zeit überschreitet (Schritt 1001). Wenn die Zeit, die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist (oder die Zeit, die seit der Rückstellung des Zeitgebers verstrichen ist), die vorherbestimmte Zeit nicht überschreitet (Schritt 1001; NEIN), führt die Steuereinheit 60 den Beurteilungsvorgang des Schritts 1001 wiederholt durch.
  • Wenn die Zeit, die seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichen ist, die vorherbestimmte Zeit überschreitet (Schritt 1001; JA), beurteilt die Steuereinheit, ob sich die Zellspannung auf den Reduktionsbereich nach dem Durchführen des vorherigen Vorgangs der Katalysatoraktivierung verringert hat oder nicht (Schritt 1002).
  • Wenn sich die Zellspannung auf den Reduktionsbereich verringert hat (Schritt 1002; JA), setzt die Steuereinheit die Zeit zum Messen der seit dem vorherigen Vorgang der Katalysatoraktivierung verstrichenen Zeit zurück (Schritt 1003).
  • Wenn sich die Zellspannung nicht auf den Reduktionsbereich verringert hat (Schritt 1002; NEIN), beurteilt die Steuereinheit 60, ob alle der Bedingungen (A1) bis (E1) zum Zulassen des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erfüllt sind oder nicht (Schritt 1004). Wenn eine beliebige der Bedingungen (A1) bis (E1) nicht ermittelt wird (Schritt 1004; NEIN), kehrt die Steuereinheit 60 zu Schritt 1001 zurück. Andererseits führt die Steuereinheit 60, wenn alle der Bedingungen (A1) bis (E1) ermittelt werden (Schritt 1004; JA), den Vorgang der Katalysatoraktivierung durch (Schritt 1005), um zum Beurteilungsvorgang des Schritts 1001 zurückzukehren.
  • Daher kann, selbst in dem Fall, in dem die Zeit, die seit dem Durchführen des vorherigen Vorgangs der Katalysatoraktivierung verstrichen ist, die vorherbestimmte Zeit überschreitet, wenn sich die Zellspannung nach Durchführen des vorherigen Vorgangs der Katalysatoraktivierung auf den Reduktionsbereich verringert, das Durchfüh ren des Vorgangs der Katalysatoraktivierung zum Minimieren der Anzahl der Durchführungszeiten des Vorgangs der Katalysatoraktivierung ausgelassen werden.
  • 11 ist eine erläuternde Darstellung, die die Verschlechterung der I-U-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt, die durch die Adsorption der oxidierten Membran durch den Platinkatalysator hervorgerufen wird.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 kontinuierlich in dem Oxidationsbereich betrieben wird, wird eine oxidierte Membran auf der Oberfläche des Platinkatalysators, zum Erhöhen der Überspannung gebildet und daher verschlechtern sich die I-U-Kennlinien. Wenn der Betriebspunkt in einem idealen Zustand zum Beispiel OP (I-V) ist, ist der Betriebspunkt in einem Zustand, in dem die oxidierte Membran auf der Oberfläche des Platinkatalysators gebildet wird, OP'(I, V-ΔV). Die Ausgangsspannung zu der Zeit, wenn der Strom I aus dem Brennstoffzellenstapel 20 verschwunden ist, verringert sich um so viel wie ΔV. Daher wird, wenn die Abnahmemenge ΔV der Ausgangskennlinien der Brennstoffzelle 20 einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet, der Vorgang der Katalysatoraktivierung bevorzugt durchgeführt.
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei der Bedingung zeigt, dass die Abnahmemenge der Ausgangskennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  • Die Steuereinheit 60 beurteilt, ob die Abnahmemenge ΔV der Ausgangskennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 den vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet (Schritt 1201). Wenn die Abnahmemenge ΔV den vorherbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet (Schritt 1201; NEIN), führt die Steuereinheit 60 den Beurteilungsvorgang des Schritts 1201 wiederholt durch.
  • Wenn die Abnahmemenge ΔV den vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet (Schritt 1201; JA), beurteilt die Steuereinheit 60, ob alle der Bedingungen (A1) bis (E1) zum Zulassen des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung er füllt sind oder nicht (Schritt 1202). Wenn eine beliebige der Bedingungen (A1) bis (E1) nicht ermittelt wird (Schritt 1202; NEIN), kehrt die Steuereinheit zu Schritt 1201 zurück. Andererseits führt die Steuereinheit 60, wenn alle die Bedingungen (A1) bis (E1) ermittelt werden (Schritt 1202; JA), den Vorgang der Katalysatoraktivierung (Schritt 1203) durch, um zu dem Beurteilungsvorgang des Schritts 1201 zurückzukehren.
  • Daher kann, in dem Fall, in dem der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, wenn die Abnahmemenge ΔV der Ausgangskennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet, die Anzahl der Durchführungszeiten des Vorgangs der Katalysatoraktivierung minimiert werden.
  • 13 ist eine erläuternde Ansicht, die die Überspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt.
  • Wie in der Figur gezeigt, wird die Überspannung durch eine Aktivierungs-Überspannung ηa, eine Konzentrations-Überspannung ηc und einer Widerstands-Überspannung ηr gebildet. Die Aktivierungs-Überspannung ist Energie, die verbraucht wird, um das Wasserstoffgas zu aktivieren bzw. das Oxidationsgas, das einen Grundzustand aufweist. Die Konzentrations-Überspannung ist die Energie, die verbraucht wird, wenn ein Gleichgewicht aufgrund der Reaktion an den Elektroden abweicht und sowohl das Reaktionssystem als auch das Bildungssystem einen Konzentrationsunterschied zum Hervorrufen einer Diffusionsbewegung erzeugen. Die Widerstands-Überspannung schließt allgemein die elektrischen Widerstände des Polymerelektrolytfilms 22, des Anodenpols 23, des Kathodenpols 24 und der Separatoren 26, 27 selbst ein und deren Kontaktwiderstände. Diese Überspannungen können durch die Gleichungen (4) bis (6) berechnet werden: ηa = a – b × logI (4); ηc = b × log(1 – I/IL) (5); und ηr = IR (6), in der a, b Konstanten sind, R der Widerstandswert ist, I die Stromdichte ist und IL eine Grenzstromdichte ist.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich in dem Oxidationsbereich betrieben wird, wird eine oxidierte Membran auf der Oberfläche des Platinkatalysators gebildet und die Aktivierungs-Überspannung steigt an, so dass der Vorgang der Katalysatoraktivierung bevorzugt durchgeführt wird, wenn die Aktivierungs-Überspannung einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf zum Durchführen des Vorgangs der Katalysatoraktivierung bei der Bedingung zeigt, bei der die Aktivierungs-Überspannung des Brennstoffzellenstapels einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  • Die Steuereinheit 60 beurteilt, ob die Aktivierungs-Überspannung des Brennstoffzellenstapels 20 einen vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht (Schritt 1401). Wenn die Aktivierungs-Überspannung den vorherbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet (Schritt 1401; NEIN), führt die Steuereinheit 60 den Beurteilungsschritt des Schritts 1401 wiederholt durch.
  • Wenn die Aktivierungs-Überspannung den vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet (Schritt 1401; JA), beurteilt die Steuereinheit 60, ob alle der Bedingungen (A1) bis (E1) zum Zulassen des Durchführens des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erfüllt sind oder nicht (Schritt 1402). Wenn eine beliebige der Bedingungen (A1) bis (E1) nicht ermittelt wird (Schritt 1402; NEIN), kehrt die Steuereinheit zu Schritt 1401 zurück. Andererseits führt die Steuereinheit 60, wenn alle der Bedingungen (A1) bis (E1) ermittelt werden (Schritt 1402; JA), den Vorgang der Katalysatoraktivierung durch (Schritt 1403), um zu dem Beurteilungsvorgang des Schritts 1401 zurückzukehren.
  • Daher kann, in dem Fall, in dem der Vorgang der Katalysatoraktivierung durchgeführt wird, wenn die Aktivierungs-Überspannung des Brennstoffzellenstapels 20 den vorherbestimmten Schwellenwert überschreitet, die Anzahl der Durchführungszeiten des Vorgangs der Katalysatoraktivierung minimiert werden.
  • (Ausführungsform 2)
  • 15 zeigt den Systemaufbau des Brennstoffzellensystems 11 gemäß der Ausführungsform 2. Das Brennstoffzellensystem 11 weist den Aufbau eines Kondensatorsystems auf in dem ein Kondensator 57 parallel mit dem Brennstoffzellenstapel 20 als Hauptstromquelle verbunden ist und der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Strom oder ein generatorischer Strom, der durch den Traktionsmotor 54 während einer Rückarbeitsbremsung gesammelt wird, wird in den Kondensator 57 geleitet. Wenn Strom für eine schnelle Beschleunigung oder dergleichen benötigt wird, entnimmt der Kondensator 57 vorübergehend Strom, um einen in den Ausgangskennlinien ausgezeichneten Systemaufbau zu realisieren.
  • Der DC/DC-Wandler 56 auf der ersten Seite ist mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden und der DC/DC-Wandler auf der zweiten Seite ist parallel mit dem Kondensator 57 bzw. dem Antriebsumrichter 53 verbunden. Wenn der Betrieb in den ersten Betriebsmodus gesteuert wird, schaltet die Steuereinheit 60 das Relais 58 ab und steuert die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 durch den DC/DC-Wandler 56. Darüber hinaus schaltet die Steuereinheit 60, wenn bei der Bedingung, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 geringer als die Spannung des Kondensators 57 ist, der erste Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, das Relais 58 an und verbindet den Brennstoffzellenstapel 20 parallel mit dem Kondensator 57.
  • Es ist anzumerken, dass der Vorgang der Katalysatoraktivierung in den Brennstoffzellen gemäß der Ausführungsform 2 dem der Ausführungsform 1 gleicht.
  • (Ausführungsform 3)
  • 16 zeigt den Systemaufbau des Brennstoffzellensystems 12 gemäß Ausführungsform 3. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß Ausführungsform 1 weist den Aufbau eines parallelen Hybridsystems auf, in dem der DC/DC-Wandler 51 und der Antriebsumrichter 53 parallel miteinander verbunden und mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden sind, wobei das Brennstoffzellensystem 12 gemäß Ausführungsform 3 den Aufbau eines Reihenhybridsystems aufweist, in dem der DC/DC-Wandler 51 und der Antriebsumrichter 53 in Reihe mit dem Brennstoffzellenstapel 20 als Hauptstromquelle verbunden sind. Beide Ausführungsformen unterscheiden sich in diesem Gesichtspunkt voneinander.
  • Es ist anzumerken, dass der Vorgang der Katalysatoraktivierung in dem Brennstoffzellensystem 12 gemäß Ausführungsform 3 dem der Ausführungsform 1 gleicht.
  • Es ist anzumerken, dass in den obigen Ausführungsformen ein Verwendungsaufbau erläutert wurde, in dem das Brennstoffzellensystem als ein in einem Fahrzeug eingebautes Stromquellensystem verwendet wird, jedoch ist der Verwendungsaufbau des Brennstoffzellensystems nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem als Stromquelle eines anderen mobilen Körpers als einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut werden (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen). Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Stromerzeugungsanlage (ein stationäres Stromerzeugungssystem) für ein Gehäuse, ein Gebäude oder dergleichen verwendet werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn eine Anforderung zur Stromerzeugung für eine Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Schwellenwert ist, die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, so dass das Fahrverhalten nicht verschlechtert wird und so dass ein während des Vorgangs der Katalysatoraktivierung erzeugter Überschussstrom minimiert werden kann.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem
  • Wenn der angeforderte Strom für eine Brennstoffzelle kleiner als ein vorherbestimmter Wert ist, stoppt das Brennstoffzellen-System die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle und verringert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von einer oberen Verbrauchs-Begrenzungsspannung (V1) zu der Reduktionsspannung (V3), um Vorgang der Katalysatoraktivierung druchzuführen. Wenn sich die Ausgangsspannung aufgrund des Mangels an Oxidationsgas auf die Luftausblasspannung (V4) verrringert, fürhrt das Brennstoffzellensystem das Oxidationsgas wieder zu, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wieder zu erlangen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-346979 [0003, 0003]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellen-System umfassend: eine Brennstoffzelle, die ein zugeführtes Brenngas und Oxidationsgas zum Erzeugen von Strom erhält; und eine Steuervorrichtung, die die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle stoppt und die Ausgangspannung der Brennstoffzelle verringert, um einen Vorgang der Katalysatoraktivierung durchzuführen, wenn ein angeforderter Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Wert ist.
  2. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Akkumulatorvorrichtung, wobei die Steuervorrichtung, den Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert, wenn der in die Akkumulatorvorrichtung zu ladende Strom ein vorherbestimmter Wert oder weniger ist.
  3. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den Vorgang der Katalysatoraktivierung verhindert, wenn die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem als in dem Fahrzeug eingebaute Stromquelle verwendet wird, ein vorherbestimmter Wert oder mehr ist.
  4. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Vielzahl von Sperrventilen, die in einem Rohrleitungssystem angeordnet sind, welches der Brennstoffzelle das Brenngas zuführt, wobei die Steuervorrichtung die Vielzahl der Sperrventile schließt, um einen geschlossenen Raum in dem Rohrleitungssystem zu bilden und eine Gasdruckfluktuation in dem geschlossenen Raum erfasst, um den Vorgang der Katalysatoraktivierung zu verhindern, während ein Gasaustritt erfasst wird.
  5. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Vorgang der Katalysatoraktivierung durchführt, wenn sich die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle verringert.
  6. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen DC/DC-Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle steuert; und einen Kondensator, in dem der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom geladen wird, wenn der angeforderte Strom für die Brennstoffzelle geringer als ein vorherbestimmter Wert ist, wobei die Steuereinheit einen Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle mit dem DC/DC-Wandler verbindet und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch den DC/DC-Wandler steuert, wohingegen die Steuereinheit, wenn der angeforderte Strom für die Brennstoffzelle ein vorherbestimmter Wert oder mehr ist, den Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle mit dem Kondensator verbindet, um den durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom in den Kondensator zu laden.
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