DE112008000597B4

DE112008000597B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür

Info

Publication number: DE112008000597B4
Application number: DE112008000597.4T
Authority: DE
Inventors: Kenji Umayahara; Michio Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2028-03-08
Also published as: JP4761162B2; CN101627498A; DE112008000597T5; WO2008111654A1; JP2008218340A; CN101627498B; US8084151B2; US20100068577A1

Abstract

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (1), das eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle (2) senkt, um einen Katalysatoraktivierungsprozess durchzuführen, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist:
eine Aufnahmeeinrichtung für überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird,
eine Steuereinrichtung (6), die eine Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle für den Katalysatoraktivierungsprozess geändert wird, gemäß einer Aufnahmeeinrichtungs-Aufnahmekapazität für von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung ändert, und
einen Spannungswandler (51), der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert und überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, in die Aufnahmeeinrichtung lädt,
wobei das Verfahren umfasst:
einen Schritt, bei dem, während des Katalysatoraktivierungsprozesses, eine von der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbare Leistung berechnet wird; und
einen Schritt, bei dem eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf der Basis der berechneten aufnehmbaren Leistung geändert wird, wobei
beim Schritt zur Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, gesenkt wird, wenn die aufnehmbare Leistung kleiner ist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle zu senken, wenn es einen Katalysatoraktivierungsprozess durchführt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In bekannten Brennstoffzellensystemen bewirkt die Adsorption von Sauerstoff in einer Katalysatorschicht einer Brennstoffzelle, die in Betrieb ist, ein Sinken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle. In einem solchen Fall wird ein Prozess zum Aktivieren der Katalysatorschicht eines Brennstoffzellenstapels (d. h. ein Reduzierungsprozess) durch Unterbrechen der Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzelle und Senken der Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle auf einen Katalysatorschicht-Reduzierungsbereich durchgeführt.
Als Technik im Zusammenhang mit einem derartigen Katalysatoraktivierungsprozess für eine Brennstoffzelle wurde beispielsweise eine Technik vorgeschlagen, bei der eine Niederspannungsbatterie für eine Hilfseinrichtung verwendet wird, die aus einer Hybrid-Brennstoffzelle besteht, und überschüssige Leistung, die umso mehr wird, je tiefer die Spannung während des Brennstoffzellenkatalysator-Aktivierungsprozesses sinkt, in die Batterie geladen wird, um eine Verschwendung überschüssiger Leistung zu verhindern (siehe beispielsweise die JP 2005-346979 A ). Weitere Brennstoffzellensysteme oder damit in Verbindung stehende Steuerverfahren sind Gegenstand der WO 2006/073545 A1 und der WO 2006/046684 A2 , wobei die letztgenannte Druckschrift ein Brennstoffzellensystem betrifft, bei welchem vor einem Aktivierungsprozess festgestellt wird, ob eine im System vorhandene Batterie vollständig geladen ist oder nicht.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Jedoch wird bei der herkömmlichen Technik die Geschwindigkeit, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle gesenkt wird, nicht berücksichtigt, während eine überschüssige Brennstoffzellenleistung berücksichtigt wird, wenn der Brennstoffzellenkatalysator-Aktivierungsprozess durchgeführt wird. Somit kann es zu Problemen kommen, wenn eine Katalysatorschicht der Brennstoffzelle aktiviert wird. Beispielsweise bewirkt die Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle gesenkt wird, um den Katalysatoraktivierungsprozess in kürzerer Zeit abzuschließen, in einem Zustand, wo eine große Menge an Gas (Sauerstoff) übrig ist, einen plötzlichen Spannungsabfall. Somit steigt die überschüssige Leistungsmenge und es wird dementsprechend zu viel Leistung zugeführt. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass eine Leistungsverschlechterung, beispielsweise eine herabgesetzte Beständigkeit, einer Last der Brennstoffzelle oder einer Batterie (einer elektrischen Speichereinrichtung) bewirkt wird.
Somit wurde die vorliegende Erfindung angesichts des oben beschriebenen Problems des Standes der Technik gemacht, und ihre Aufgabe ist es, ein Brennstoffzellensystem sowie ein entsprechendes Steuerverfahren hierfür zu schaffen, bei welchem die Geschwindigkeit bestimmt werden kann, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle gesenkt wird, gemäß der Aufnahmekapazität einer Einrichtung, die eine überschüssige Leistung aufnimmt, die von einer Brennstoffzelle erzeugt wird, während eines Brennstoffzellenkatalysator-Aktivierungsprozesses.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Steuerverfahren nach Anspruch 1 und dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle senkt, um einen Katalysatoraktivierungsprozess durchzuführen, weist auf: eine Aufnahmeeinrichtung für überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird; eine Steuereinrichtung, die eine Geschwindigkeit, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle für den Katalysatoraktivierungsprozess geändert wird, gemäß einer Aufnahmekapazität einer Einrichtung, die eine von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung aufnimmt, ändert; und einen Spannungswandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert und überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, in die Aufnahmeeinrichtung lädt.
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren umfasst: einen Schritt, bei dem, während des Katalysatoraktivierungsprozesses, eine von der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbare Leistung berechnet wird; und einen Schritt, bei dem eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf der Basis der berechneten aufnehmbaren Leistung geändert wird, wobei bei dem Schritt zur Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, gesenkt wird, wenn die aufnehmbare Leistung kleiner ist.
Bei diesem Aufbau berechnet die Steuereinrichtung, wenn der Katalysatoraktivierungsprozess durchgeführt wird, eine Aufnahmekapazität (d. h. die Leistung, die in eine elektrische Speichereinrichtung geladen werden kann, und/oder die Leistung, die von einer Last verbraucht werden kann) und steuert die Geschwindigkeit, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle für den Katalysatoraktivierungsprozess geändert wird, gemäß der Aufnahmekapazität, wodurch verhindert wird, dass überschüssige Leistung eine Aufnahmeeinrichtung beschädigt.
Bei der Aufnahmeeinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Speichereinrichtung und/oder eine Last der Brennstoffzelle. Die elektrische Speichereinrichtung ist so ausgelegt, dass sie mit überschüssiger Leistung geladen werden kann, und eine Last (z. B. Hilfseinrichtungen, wie eine Wasserstoffpumpe, ein Kompressor und eine Kühlmittelpumpe, oder ein Fahrmotor oder dergleichen) ist so ausgelegt, dass sie überschüssige Leistung verbrauchen kann, weswegen sie überschüssige Leistung, die während des Katalysatoraktivierungsprozesses erzeugt wird, aufnehmen kann. Jedoch sind die Aufnahmeeinrichtungen nicht darauf beschränkt; es kann jede andere Einrichtung eine Aufnahmeeinrichtung sein, solange sie mit Leistung geladen werden oder Leistung verbrauchen kann.
Wenn während der Durchführung eines Katalysatoraktivierungsprozesses die aufnehmbare Leistung klein ist, das heißt, wenn die Leistungsaufnahmekapazität einer Aufnahmeeinrichtung, bei der es sich um einen Gegenstand handelt, der eine von einer Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung aufnimmt, kleiner ist, wird bei diesem Aufbau die Geschwindigkeit (die Rate), mit der die Spannung einer Brennstoffzelle geändert wird, begrenzt (beschränkt, gesenkt), wodurch die plötzliche Entstehung von überschüssiger Leistung, die auf eine Senkung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zurückgeht, verhindert werden kann. Somit wird selbst dann, wenn die Leistung, die von einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen werden kann, kleiner ist, die Erzeugung von überschüssiger Leistung verringert, da die Geschwindigkeit, mit der die Spannung einer Brennstoffzelle geändert wird, gesenkt wird und dadurch die Aufnahmekapazität (die Aufnahmefähigkeit) der Aufnahmeeinrichtung nicht überschritten wird. Dadurch wird verhindert, dass ein Spitzenwert der überschüssigen Leistung steigt, wodurch die Aufnahmeeinrichtung beschädigt würde.
Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle abnimmt, fließt bei diesem Aufbau die überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, durch den Spannungswandler, und die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Brennstoffzelle geändert wird, wird innerhalb eines Bereichs begrenzt, in dem die durchfließende Leistung den oberen Grenzwert (den zulässigen Wert) des Spannungswandlers nicht überschreitet, wodurch der Spannungswandler vor Einflüssen (wie Wärme) geschützt werden kann, die von der durchfließenden Leistung bewirkt werden.
Vorzugsweise unterbricht die Steuereinrichtung eine Operation zum Senken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine Spannung, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist, wenn die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als eine vorgegebene Sollleistung.
Falls eine errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als die zuvor festgelegte Sollleistung, wird bei diesem Aufbau bestimmt, dass eine Aufnahmeeinrichtung nicht in der Lage ist, überschüssige Leistung aufzunehmen, und es wird eine Steuerung ausgeführt, um die Spannungssenkungsoperation durch den Spannungswandler zu unterbrechen, wodurch die Aufnahmeeinrichtung geschützt werden kann.
Ferner ist als Aufnahmeeinrichtung vorzugsweise eine Hilfseinrichtung der Brennstoffzelle vorgesehen, und die Steuereinrichtung steuert die Hilfseinrichtung als Last der Brennstoffzelle an, wenn die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als die vorgegebene Sollleistung.
Falls die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als die zuvor festgelegte Soll-Leistung, wird bei diesem Aufbau bestimmt, dass die elektrische Speichereinrichtung oder eine Last der Brennstoffzelle nicht in der Lage ist, überschüssige Leistung aufzunehmen, und die zusätzliche Hilfseinrichtung wird angesteuert, damit überschüssige Leistung von der Hilfseinrichtung verbraucht werden kann. Dadurch kann die elektrische Speichereinrichtung vor einer Überladung geschützt werden, und außerdem kann die Geschwindigkeit, mit der die Spannung gesenkt wird, im Vergleich zu einem Fall, in dem keine Hilfseinrichtung angesteuert wird, erhöht werden.
Ferner ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle senkt, wenn ein Katalysatoraktivierungsprozess durchgeführt wird, und weist auf: ein Leistungsberechnungsmittel, das eine Leistung berechnet, die von einer elektrischen Speichereinrichtung und/oder einer Last der Brennstoffzelle, bei der es sich um einen Gegenstand handelt, der von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung aufnimmt, aufgenommen werden kann; und ein Spannungswandlungs-Steuermittel, das einen Spannungswandler, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert, auf der Basis der vom Leistungsberechnungsmittel errechneten aufnehmbaren Leistung steuert, wobei das Spannungswandlungs-Steuermittel die Brennstoffzellenspannungs-Änderungsrate begrenzt, wenn die aufnehmbare Leistung, die vom Leistungsberechnungsmittel berechnet wird, kleiner ist.
Wenn der Katalysatoraktivierungsprozess durchgeführt wird, wird bei diesem Aufbau, wenn die aufnehmbare Leistung, die vom Leistungsberechnungsmittel berechnet wird, kleiner ist, d. h. wenn die aufnehmbare Leistung der elektrischen Speichereinrichtung und/oder der Last der Brennstoffzelle, bei der es sich um einen Gegenstand handelt, der von der Brennstoffzelle erzeugt überschüssige Leistung aufnimmt, kleiner ist, die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Brennstoffzelle geändert wird, derart begrenzt, dass eine plötzliche Erzeugung von überschüssiger Leistung, die durch eine Senkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bewirkt wird, verhindert wird. Auch wenn die von der Last der Brennstoffzelle und/oder der elekrischen Steuereinrichtung aufnehmbare Leistung klein wird, wird somit überschüssige Leistung langsam erzeugt, da die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Brennstoffzelle geändert wird, sinkt, und die überschüssige Leistung übersteigt die Aufnahmekapazität (die Aufnahmefähigkeit) der Last der Brennstoffzelle oder der elektrischen Speichereinrichtung nicht. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Spitzenwert der überschüssigen Leistung steigt, wodurch die Last der Brennstoffzelle oder die elektrische Speichereinrichtung beschädigt werden würden. Wenn die von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung in die elektrische Speichereinrichtung geladen wird, wird ferner, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sinkt, die Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Brennstoffzelle geändert wird, innerhalb eines Bereichs beschränkt, in dem die durchfließende Leistung, die durch den Spannungswandler fließt, die Obergrenze (den zulässigen Wert) des Spannungswandlers nicht überschreitet, wodurch der Spannungswandler vor Einflüssen (wie Wärme), die von durchfließender überschüssiger Leistung bewirkt werden, geschützt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1: ist ein Blockschema eines Brennstoffzellensystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2: ist eine Skizze, die die Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert und die den Fluss von überschüssiger Leistung darstellt.
3: ist ein Ablaufschema, das eine Funktionsweise der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4: ist ein Wellenformdiagramm, das die Funktionsweise der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5: ist ein Wellenformdiagramm, das eine andere Funktionsweise der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6: ist ein Funktionsblockschema der vorliegenden Erfindung.
BESTE WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Beschreibung anhand eines Beispiels angegeben, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Onboard-Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs angewendet wird.
(Erläuterung des Aufbaus)
Zunächst wird mit Bezug auf 1 der Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, ist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in erster Linie mit Folgendem ausgestattet: mit einer Brennstoffzelle 2, die eine Leistungserzeugung durch die Aufnahme von zugeführtem Reaktionsgas (einem Oxidierungsgas und einem Brenngas) durchführt und Leistung durch die Leistungserzeugung erzeugt, mit einem Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 führt, mit einem Brenngas-Leitungssystem 4, das ein Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 2 führt, mit einem Leistungssystem 5, das Leistung des Systems lädt/entlädt, und mit einer Steuereinrichtung 6, die das gesamte System als Einheit steuert.
Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine, die als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ausgelegt ist und die eine Stapelstruktur aufweist, die viele übereinander geschichtete elektrische Zellen (Zellen) aufweist. Jede der elektrischen Zellen der Brennstoffzelle 2 weist eine Kathodenelektrode (eine Luftelektrode) an einer Oberfläche eines Elektrolyten, der aus einem Ionentauscher besteht, und eine Anodenelektrode (eine Brennstoffelektrode) auf der anderen Oberfläche auf, und eine Elektrode, welche die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode einschließt, verwendet beispielsweise ein poröses Kohlenstoffmaterial als Basis und Platin Pt als Katalysator (Elektrodenkatalysator). Die elektrische Zelle weist ferner ein Paar Separatoren auf, zwischen denen die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode angeordnet sind. Das Brenngas wird einer Brenngasleitung eines Separators zugeführt, während das Oxidierungsgas einer Oxidierungsgasleitung des anderen Separators zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt Leistung aus den zugeführten Gasen. Die Brennstoffzelle 2 ist mit einem Stromsensor (Stromerfassungsmittel) 2a, der erzeugten Strom (Ausgangsstrom) erfasst, einem Spannungssensor (Spannungserfassungsmittel) 2b, der eine Spannung (Ausgangsspannung) erfasst, und einem Temperatursensor (Temperaturerfassungsmittel) 2c, der die Temperatur der Brennstoffzelle 2 erfasst, versehen. Die Brennstoffzelle 2 kann auf verschiedene Weise ausgelegt sein, beispielsweise außer als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle auch als Phosphorsäure- oder Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle.
Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist in erster Linie einen Luftkompressor 31, einen Oxidierungsgas-Zufuhrweg 32, ein Befeuchtungsmodul 33, einen Kathodenabgas-Strömungsweg 34, einen Verdünner 35 und einen Motor M1, der den Luftkompressor 31 antreibt, auf.
Der Luftkompressor 31 wird von einer Antriebskraft des Motors M1 angetrieben, der mit einem Steuerbefehl der Steuereinrichtung 6 betätigt wird, und liefert Sauerstoff (Oxidierungsgas), der von der Außenluft durch einen nicht dargestellten Luftfilter hereingeholt wird, zur Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 2. Der Motor M1 ist mit einem Drehzahl-Erfassungssensor 3a versehen, der die Drehzahl des Motors M1 erfasst. Der Oxidierungsgaszufuhr-Strömungsweg 32 ist eine Gasleitung, die den Sauerstoff, der vom Luftkompressor 31 geliefert wird, zur Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 2 führt. Ein Kathodenabgas wird aus der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 2 ausgeführt. Das Kathodenabgas enthält zusätzlich zu einem Sauerstoffabgas Pumpwasserstoff oder dergleichen, der an der Kathodenelektrode erzeugt wird, nachdem es einer Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 unterzogen wurde. Das Kathodenabgas ist sehr feucht, da es die Feuchtigkeit enthält, die von der Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 erzeugt wird.
Das Befeuchtungsmodul 33 tauscht die Feuchtigkeit zwischen dem wenig feuchten Oxidierungsgas, das durch den Oxidierungsgaszufuhr-Strömungsweg 32 strömt, und dem stark feuchten Kathodenabgas, das durch den Kathodenabgas-Strömungsweg 34 strömt, wodurch das Oxidierungsgas, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, angemessen befeuchtet wird. Der Kathodenabgas-Strömungsweg 34 ist eine Gasleitung, die das Kathodenabgas aus dem System abführt, wobei ein Luftregler A1 in der Nähe des Kathodenelektrodenauslasses der Gasleitung vorgesehen ist. Der Gegendruck des Oxidierungsgases, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, wird vom Luftregler A1 geregelt. Der Verdünnen 35 verdünnt die Konzentration des Wasserstoffgases auf einen vorgegebenen Konzentrationsbereich (z. B. einen Bereich, der auf der Basis von Umweltstandards festgelegt wird). Der Verdünner 35 steht mit der stromabwärtigen Seite des Kathodenabgas-Strömungswegs 34 und der stromabwärtigen Seite eines Anodenabgas-Strömungswegs 44, der nachstehend erörtert wird, in Verbindung, und ein Wasserstoffabgas und ein Sauerstoffabgas werden vom Verdünner 35 gemischt und verdünnt, bevor sie aus dem System abgeführt werden.
Das Brenngas-Leitungssystem 4 weist in erster Linie eine Brenngas-Zufuhrquelle 41, einen Brenngaszufuhr-Strömungsweg 42, einen Brenngasumwälzungs-Strömungsweg 43, den Anodenabgas-Strömungsweg 44, eine Wasserstoff-Umwälzpumpe 45, ein Rückschlagventil 46 und einen Motor M2 zum Antreiben der Wasserstoff-Umwälzpumpe 45 auf.
Die Brenngas-Zufuhrquelle 41 ist ein Brenngas-Zufuhrmittel, das ein Brenngas, wie Wasserstoffgas, zur Brennstoffzelle 2 liefert, und besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstofftank oder einem Wasserstoff-Speichertank. Der Brenngaszufuhr-Strömungsweg 42 ist ein Gasströmungsweg, der ein Brenngas, das aus der Brenngas-Zufuhrquelle 41 abgeführt wird, zur Anodenelektrode der Brennstoffzelle 2 führt, und der Gasströmungsweg ist mit Ventilen versehen, wie, in Reihenfolge von oben nach unten, mit einem Tankventil H1, einem Wasserstoff-Zufuhrventil H2 und einem BZ-Einlassventil H3. Das Tankventil H1, das Wasserstoff-Zufuhrventil H2 und das BZ-Einlassventil H3 sind Sperrventile, die ein Brenngas zur Brennstoffzelle 2 liefern (oder blockieren), und diese Ventile bestehen beispielsweise aus Magnetventilen.
Der Brenngasumwälzungs-Strömungsweg 43 ist ein Gasrückführungs-Strömungsweg, der ein nicht-umgesetztes Brenngas zur Brennstoffzelle 2 zurückführt, und der Gasströmungsweg ist, in Reihenfolge von oben nach unten, mit einem BZ-Auslassventil H4, einer Wasserstoff-Umwälzpumpe 45 bzw. einem Rückschlagventil 46 versehen. Ein unter niedrigem Druck stehendes, nicht-umgesetztes Brenngas, das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt wird, wird von der Wasserstoff-Umwälzpumpe 45, die mit einer Antriebskraft des Motors M2 angetrieben wird, der durch einen Steuerbefehl der Steuereinrichtung 6 betrieben wird, angemessen verdichtet und zum Brennstoffzufuhr-Strömungsweg 42 geführt. Der Rückstrom des Brenngases aus dem Brennstoffzufuhr-Strömungsweg 42 in den Brenngasumwälzungs-Strömungsweg 43 wird vom Rückschlagventil 46 verhindert. Der Anodenabgas-Strömungsweg 44 ist ein Gasströmungsweg, über den ein Anodenabgas, das ein Wasserstoffabgas enthält, das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt wurde, aus dem System ausgestoßen wird, und der Gasströmungsweg ist mit einem Spülventil H5 versehen.
Das Leistungssystem 5 ist in erster Linie mit einem Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, einer Batterie 52, einem Traktionswechselrichter 53, einem Hilfswechselrichter 54, einer Zerhackerschaltung 55, einem Absorber 56, einem Fahrmotor M3 und einem Hilfsmotor M4 versehen.
Der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 ist ein Gleichspannungswandler und ist entsprechend dem Spannungswandler der vorliegenden Erfindung aufgebaut. Der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 hat eine Funktion, die eine Gleichspannung, die von der Batterie 52 eingegeben wird, die mit einer Primärseite verbunden ist, regelt und die geregelte Spannung an den Traktionswechselrichter 53, der mit der Sekundärseite verbunden ist, ausgibt, und eine Funktion, die eine Gleichspannung, die von der Brennstoffzelle 2 oder vom Fahrmotor M2, die bzw. der mit der Sekundärseite verbunden ist, ausgegeben wird, regelt und die geregelte Spannung an die Batterie 52 ausgibt, die mit der Primärseite verbunden ist. Diese Funktionen des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 implementieren das Laden/Entladen der Batterie 52, Der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 ist in der Lage, eine Klemmenspannung der Sekundärseite auf der Basis eines Steuersignals von der Steuereinrichtung 6 aufrechtzuerhalten und zu fixieren, und der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 ist so aufgebaut, dass er die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 willkürlich steuert. Ferner ist der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 so aufgebaut, dass er auch in der Lage ist, die von der Primär- zur Sekundärseite fließende Leistung oder die von der Sekundärzur Primärseite fließende Leistung auf der Basis eines Steuersignals von der Steuereinrichtung 6 willkürlich zu steuern.
Die Batterie 52 ist eine aufladbare/entladbare Sekundärzelle und besteht aus verschiedenen Arten von Sekundärzellen, wie eine Nickelhydridbatterie. Die Batterie 52 kann unter der Steuerung durch einen nicht dargestellten Batterie-Computer mit überschüssiger Leistung geladen werden oder Hilfsleistung liefern. Ein Teil der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Gleichstromleistung wird vom Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 verstärkt oder abgeschwächt und in die Batterie 52 geladen. Die Batterie 52 ist mit einem SOC-Sensor 5a versehen, der den Ladungszustand (State of Charge, SOC) der Batterie 52 erfasst. Anstelle der Batterie 52 kann auch eine aufladbare/entladbare elektrische Speichereinrichtung, bei der es sich nicht um eine Sekundärzelle handelt, z. B. ein Kondensator, verwendet werden.
Der Traktionswechselrichter 53 und der Hilfswechselrichter 54 sind PWM-Wechselrichter vom Typ Impulsbreitenmodulations-Wechselrichter. Diese Wechselrichter wandeln Gleichstromleistung, die von der Brennstoffzelle 2 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, in Dreiphasen-Wechselstromleistung um und liefern die Dreiphasen-Wechselstromleistung dann entsprechend einem ausgegebenen Steuerbefehl an den Fahrmotor M3 und den Hilfsmotor 4. Der Fahrmotor M3, der einem Teil der Last in der vorliegenden Erfindung entspricht, ist ein Motor zum Antreiben von Rädern 7L und 7R (ein Fahrzeug-Antriebsmotor) und ist eine Ausführungsform einer Last-Bewegungsleistungsquelle. Der Fahrmotor M3 ist mit einem Drehzahlerfassungs-Sensor 5b versehen, der die Zahl von dessen Umdrehungen erfasst. Der Hilfsmotor M4, der einem Teil der Last in der vorliegenden Erfindung entspricht, ist ein Motor zum Antreiben verschiedener Hilfseinrichtungen, und bezieht sich im Allgemeinen auf M1, der den Luftkompressor 31 antreibt, auf M2, der die Wasserstoff-Umwälzpumpe 45 antreibt, und dergleichen.
Die Steuereinrichtung 6, die in erster Linie aus einer CPU, einem ROM und einem RAM besteht, bezieht sich auf die Steuereinrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Steuereinrichtung 6 steuert einheitlich jeden Abschnitt des Systems auf der Basis von eingehenden Sensorsignalen. Genauer berechnet die Steuereinrichtung 6 die benötigte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 auf der Basis von Sensorsignalen, die von einem Beschleunigungs-(Gas-)pedalsensor 6a, der die Bewegung des Beschleunigungs-(Gas-)pedals erfasst, vom SOC-Sensor 5a, von Drehzahlerfassungs-Sensoren 3a und 5b, vom Stromsensor 2a, vom Spannungssensor 2c und dergleichen ausgegeben werden. Gleichzeitig bestimmt die Steuereinrichtung 6 auf der Basis eines Signals, das von einer Betätigungseinheit 8 ausgegeben wird, die in erster Linie aus einem Schalthebel zum Auswählen des Betriebsmodus des Fahrmotors M3 (P: Parkmodus; R: Rückwärtsfahrmodus; N: Neutralmodus; D: Fahrmodus und B: Regenerationsbremsmodus) besteht, ob eine Ausgabeforderung vom Fahrmotor M3 vorliegt.
Dann steuert die Steuereinrichtung 6 die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2, um auf der Basis der Ausgangsleistungsforderung eine Ausgangsleistung zu erzeugen. Ferner steuert die Steuereinrichtung 6 u. a. Ausgangsimpulse des Traktionswechselrichters 53 und des Hilfswechselrichters 54, um den Fahrmotor M3 und den Hilfsmotor M4 anzusteuern.
Ferner bewirkt eine Sauerstoffadsorption an der Katalysatorschicht der Brennstoffzelle 2, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 sinkt, so dass die Steuereinrichtung 6 die Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzelle 2 unterbricht und die Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle 2 auf den Katalysatorschicht-Reduzierungsbereich senkt, um den Reduzierungsprozess oder Auffrischungsprozess für die Aktivierung der Katalysatorschicht durchzuführen.
(Beschreibung des zugrunde liegenden Prinzips)
Mit Bezug auf 2 wird nun das Funktionsprinzip der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Eine fortgesetzte Verwendung der Brennstoffzelle 2 oxidiert den Elektrodenkatalysator mit einer daraus resultierenden Verschlechterung der Leistungserzeugungseffizienz, so dass der Katalysatoraktivierungsprozess regelmäßig durchgeführt wird. Der Katalysatoraktivierungsprozess wird dadurch durchgeführt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 auf ein Spannungsniveau gesenkt wird, bei dem der Elektrodenkatalysator eine reduzierende Reaktion entwickelt, und wird auch als Reduzierungsprozess oder Auffrischungsprozess bezeichnet. Vorzugsweise wird der Katalysatoraktivierungsprozess in einem stabilisierten Zustand durchgeführt, in dem die benötigte Leistungsmenge des Systems klein ist und keine Leistung direkt von der Brennstoffzelle 2 an den Fahrmotor M3 ausgegeben werden muss. Beispielsweise wird der Katalysatoraktivierungsprozess vorzugsweise in einem sogenannten intermittierenden Antriebsmodus durchgeführt, in dem ein Fahrzeug nur anhand der Antriebskraft fährt, die von der Batterie 52 geliefert wird.
Während des Katalysatoraktivierungsprozesses wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 durch Senken der Sekundärklemmenspannung des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 gesenkt. Hierbei wird wegen der Strom/Spannungs-Kennlinie (I/V-Kennlinie), die der Brennstoffzelle 2 zu Eigen ist, der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 höher, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 sinkt, weswegen die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 steigt. Der Katalysatoraktivierungsprozess wird grundsätzlich in dem Zustand durchgeführt, in dem die vom System benötigte Leistung gering ist, beispielsweise im intermittierenden Betriebsmodus, so dass der größte Teil der erhöhten Ausgangsleistung der Brennstoffzelle unangenehmerweise eine überschüssige Leistung sein wird.
Wie von einem Leistungsfluss f1 in 2 dargestellt, wird daher die überschüssige Leistung, die erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 sinkt, über den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 in die Batterie 52 geladen. Die Menge der überschüssigen Leistung wird umso höher, je mehr die Geschwindigkeit (Rate), mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt wird, steigt.
Herkömmlich wird der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 auf eine vorgegebenen Reduzierungsrate für die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesteuert. Solange die Batterie 52 aufladbar ist, muss die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, nicht berücksichtigt werden. Es kann jedoch passieren, dass überschüssige Leistung nicht von der Batterie 52 allein aufgenommen werden kann. Beispielsweise kann es sein, dass die Batterie 52 auf einen bestimmten Pegel aufgeladen wurde, wodurch ihr eine geringere Leistungsaufnahmekapazität bleibt (eine geringere Leistung geladen werden kann).
Um diesem Fall gerecht zu werden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Kapazität einer Aufnahmeeinrichtung, wie der Batterie 52, für die Aufnahme von überschüssiger Leistung erfasst, und die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 für den Katalysatoraktivierungsprozess geändert wird, wird geändert und gesteuert. Genauer wird die Tendenz genutzt, dass die Menge der erzeugten überschüssigen Leistung abnimmt, wenn die Geschwindigkeit gesenkt wird, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 geändert wird, und es wird eine Steuerung durchgeführt, bei der die Geschwindigkeit gesenkt wird (die Rate gesenkt wird), mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, wenn die Aufnahmekapazität einer überschüssige Leistung aufnehmenden Einrichtung, wie der Batterie 52, niedrig ist.
Jedoch ist es nicht angebracht, von Anfang an eine niedrige Geschwindigkeit für die Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 einzustellen. Eine niedrige Geschwindigkeit für die Senkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 bedeutet, dass es länger dauert, bis die Ausgangsspannung den Elektrodenkatalysator-Reduzierungsbereich erreicht. Der intermittierende Antriebsmodus, während dessen der Katalysatoraktivierungsprozess durchgeführt wird, wird nur in einem stabilen Fahrzustand des Fahrzeugs zugelassen; wenn das Beschleuniger-(Gas-)pedal 6a oder dergleichen betätigt wird und die Lastmenge erhöht wird, dann muss daher der intermittierende Antriebsmodus vorübergehend ausgesetzt werden. Um den Katalysatoraktivierungsprozess ordnungsgemäß zu implementieren, ist es dabei nötig, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle schnell auf eine Spannung im Reduzierungsbereich zu senken und die Spannung über einen vorgegebenen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Somit ist es nötig, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so schnell wie möglich auf eine Ausgangsspannung im Reduzierungsbereich zu senken, um zu vermeiden, dass der Katalysatoraktivierungsprozess ausgesetzt wird, und es ist außerdem nötig, die Spannung über eine vorgegebene Zeit aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund führt das System vorzugsweise eine dynamische Steuerung durch, so dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 mit einer vernünftigen Geschwindigkeit gesenkt wird und die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung reduziert wird, nur dann vorübergehend gesenkt wird, wenn eine bestimmte Situation eintritt, wie der Fall, dass die erzeugte überschüssige Leistung nicht geladen oder verbraucht werden kann.
Falls hierbei die Batterie 52 nicht genug Kapazität übrig hat, um sämtliche überschüssige Leistung von der Brennstoffzelle 2 aufzunehmen, wird die überschüssige Leistung von einer Lasteinrichtung bzw. einem Verbraucher verbraucht. Ein solcher Verbraucher kann der Fahrmotor M3 oder eine andere Hilfseinrichtung M (der Kompressor M1, die Wasserstoffpumpe M2 und die Hilfseinrichtung M4 (Klimaanlage oder dergleichen)) sein, bei der es sich um eine Last der Brennstoffzelle 2 handelt. Falls die Leistungsmenge, die in die Batterie 52 geladen werden kann, klein ist, ist es möglich, die genannten Lasten der Brennstoffzelle 2 zu nutzen.
In einem Zustand, in dem der Fahrmotor M3 als Last der Brennstoffzelle 2 angesteuert werden kann, kann überschüssige Leistung, die nicht in die Batterie 52 geladen werden kann, durch Antreiben des Fahrmotors M3, der relativ große Leistungsmengen verbraucht, verbraucht werden. Die überschüssige Leistung wird verbraucht wie von einem in 2 dargestellten Leistungsfluss f2 dargestellt.
Nun bedeutet jedoch der Fall, dass der Fahrmotor M3 angetrieben wird, eine Situation, in dem der Fortbewegungszustand des Fahrzeugs beeinflusst wird, so dass der Fahrmotor M3 keine Aufhahmeeinrichtung sein kann, die immer verfügbar ist. Falls die Leistung, die von der Batterie 52 nicht aufgenommen werden kann, höchstens so hoch ist wie ein voreingestelltes Sollleistungsniveau und der Fahrmotor M3 keine überschüssige Leistung aufnehmen kann, kann eine Hilfseinrichtung M, bei der es sich nicht um den Fahrmotor M3 handelt, die überschüssige Leistung verbrauchen. Genauer wird die überschüssige Leistung von der Brennstoffzelle 2 gemäß einem Leistungsfluss f3, der in 2 dargestellt ist, von der Hilfseinrichtung M verbraucht.
Falls die Batterie 52 aufgrund der aufladbaren Leistung einfach kein geeigneter Gegenstand für die Aufnahme der überschüssigen Leistung von der Brennstoffzelle 2 ist, ist ferner das Unterbrechen des Katalysatoraktivierungsprozesses ein denkbares Verfahren. Der Grund dafür ist, dass keine überschüssige Leistung erzeugt wird, falls der Katalysatoraktivierungsprozess unterbrochen wird und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 auf eine ursprüngliche, ein hohes Potential vermeidende Spannung zurückgesetzt wird.
Falls überschüssige Leistung in die Batterie 52 geladen (im Fall von f1) oder von der Hilfseinrichtung M verbraucht wird (im Fall von f3), dann fließt die überschüssige Leistung durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51. Falls die Leistung, die durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt, zu groß wird, machen sich Einflüsse, wie die Wärmeerzeugung von Elementen, bemerkbar, so dass die durchfließende Leistung im Allgemeinen beschränkt wird. In der vorliegenden Ausführungsform beschränkt daher die Steuereinrichtung 6 die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 2 geändert wird, um zu verhindern, dass die Leistung, die durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt, einen vorab bekannten oberen Grenzwert überschreitet. Falls die Leistung, die durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt, den oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wird die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, auch dann verringert, wenn die Batterie 52 noch genügend Leistungsaufladungskapazität hat oder die Hilfseinrichtung M noch genügend Leistungsverbrauchskapazität hat. Die oben beschriebene Vorgehensweise senkt die Erzeugung überschüssige Leistung, d. h. von Leistung, die durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt, wodurch die Elemente des Wandlers geschützt werden.
6 ist ein Funktionsblock der dem oben genannten Prinzip der vorliegenden Erfindung entspricht.
Wie in 6 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle 100 und eine elektrische Speichereinrichtung 102 auf, die über einen Spannungswandler 101 verbunden sind. Eine erste Last 111 ist mit der Sekundärseite verbunden, mit der die Brennstoffzelle 100 des Spannungswandlers 101 verbunden ist, und eine zweite Last 112 ist mit der Primärseite verbunden, mit der die elektrische Speichereinrichtung 102 des Spannungswandlers 101 verbunden ist.
Die Brennstoffzelle 100 entspricht der Brennstoffzelle 2 der Ausführungsform, der Spannungswandler 101 entspricht dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, und die elektrische Speichereinrichtung 102 entspricht der Batterie 52. Ferner ist die erste Last 111 eine Last, die eine relativ große Leistungsmenge verbraucht, wie der Fahrmotor M3, während die zweite Last 112 eine Last, ist, die eine relativ kleine Leistungsmenge verbraucht, wie der Hilfsmotor M4. Ob die erste Laste 111 und die zweite Last 112 mit der Primärseite oder mit der Sekundärseite des Spannungswandlers 101 verbunden werden, kann für jedes System individuell bestimmt werden.
Das Brennstoffzellensystem ist ferner mit einem Leistungsberechnungsmittel 120 und einem Spannungswandlungs-Steuermittel 121 versehen. Hierbei entsprechen das Leistungsberechnungsmittel 120 und das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 der Steuereinrichtung 6, die Erfassungssignale von verschiedenen Sensoren empfängt und die das System steuert.
Das Leistungsberechnungsmittel 120 ist ein Funktionsblock, der die aufnehmbare Leistung Pa einer Einrichtung berechnet, welche die überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird, aufnimmt (beispielsweise die elektrische Speichereinrichtung 102 und/oder die erste Last 111 und/oder die zweite Last 112 in 6). Die aufnehmbare Leistung Pa kann beispielsweise unter Bezugnahme auf ein SOC-Signal oder dergleichen, welches den Ladungszustand anzeigt, an der elektrischen Speichereinrichtung, durch Überprüfen, ob beispielsweise der Betrieb der ersten Last 111 in einem zugelassenen Betriebsmodus (dem intermittierenden Betriebsmodus oder dergleichen) ist, am ersten Verbraucher 111, oder unter Bezugnahme auf den Leistungsverbrauch an der ersten Last 111 bestimmt werden.
Das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 ist ein Funktionsblock, der mittels eines Steuersignals Cfcv oder dergleichen den Spannungswandler 101, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 ändert, auf der Basis der vom Leistungsberechnungsmittel 120 berechneten aufnehmbaren Leistung Pa steuert.
Hierbei führt das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 als eine erste Funktion eine Steuerung durch, mit der die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle geändert wird, gesenkt wird, wenn die vom Leistungsberechnungsmittel 120 berechnete aufnehmbare Leistung Pa kleiner ist. Anders ausgedrückt wird die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 gesenkt wird, auf der Basis der aufnehmbaren Leistung Pa der Brennstoffzelle 100 geändert.
Als eine zweite Funktion kann das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 die Operation, mit der die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 100 auf eine Spannung gesenkt wird, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist, unterbrechen, falls die errechnete aufnehmbare Leistung Pa kleiner ist als eine vorgegebene Sollleistung Pth2. Dies ist eine erweiterte Version der oben beschriebenen ersten Funktion.
Als eine dritte Funktion kann das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 100 geändert wird, innerhalb eines Bereichs beschränken, in dem eine Leistung Ppass, die durch den Spannungswandler 101 fließt, einen oberen Grenzwert Pmax des Spannungswandlers 101 nicht überschreitet.
Als eine vierte, zusätzliche Funktion kann das Spannungswandlungs-Steuermittel 121 die zweite Last 112 ansteuern, wenn die errechnete aufnehmbare Leistung Pa kleiner ist als die vorgegebene Sollleistung Pth1.
Die aufnehmbare Leistung Pa beinhaltet dabei die elektrische Speichereinrichtung 102 und/oder die erste Last 111 und/oder die zweite Last 112, so dass sie durch Zusammenzählen sämtlicher Leistung, die in die elektrische Steuereinrichtung 102 geladen werden und von der ersten Last 111 und der zweiten Last 112 verbraucht werden kann, berechnet werden kann. Jedoch wird überschüssige Leistung dadurch verbraucht, dass sie normalerweise in die elektrische Speichereinrichtung 102 geladen wird, so dass die aufnehmbare Leistung Pa als die Leistung, die in die elektrische Speichereinrichtung 102 geladen werden kann, an sich berechnet werden kann. In der folgenden Ausführungsform geht die Beschreibung von der Annahme aus, dass die aufnehmbare Leistung Pa die Leistung ist, die in die elektrische Speichereinrichtung 102 (die Batterie 52) geladen werden kann.
(Beschreibung der Funktionsweise)
Unter Bezug auf das Ablaufschema von 3 wird nun die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wenn der Lastzustand des Fahrzeugs stabil geworden ist und allein mit der Leistung angetrieben werden kann, die von der Batterie 52 geliefert wird, wird der intermittierende Antriebsmodus eingerichtet, was bewirkt, dass ein Intermittend-Flag auf EIN gestellt wird. In Schritt S10 bestimmt die Steuereinrichtung 6, ob das Intermittend-Flag auf EIN steht. Wenn in Schritt S10 bestimmt wird, dass das Intermittend-Flag auf EIN steht (JA), dann geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S11 weiter, in dem die Steuereinrichtung 6 die innere Temperatur der Batterie 52 auf der Basis eines SOC-Signals vom SOC-Sensor 5a erfasst und einen SOC-Wert, d. h. den Ladungszustand, der Batterie 52 ermittelt. Sämtliche Leistung, die in die Batterie geladen werden kann, kann auf der Basis der Batterietemperatur bestimmt werden, und die Ladungsmenge zum aktuellen Zeitpunkt kann aus dem SOC-Wert geschlossen werden, so dass die Leistung, die danach in die Batterie geladen werden kann, berechnet werden kann, falls die Batterietemperatur und der SOC-Wert bekannt sind. Somit geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S12 weiter, um die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, auf der Basis der Batterietemperatur und des SOC-Werts zu berechnen.
Im Anschluss daran geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S13 weiter, um zu bestimmen, ob die errechnete Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, größer ist als die voreingestellte Schwellenwertleistung Pth1. Die Schwellenwertleistung Pth1 kann auf einen bestimmten Wert gesetzt werden, der es möglicht macht, eine ungenügende verbliebene Ladungskapazität der Batterie 52 zu bestimmen. Die Höhe der verbliebenen Ladungskapazität hängt auch von der Höhe einer überschüssigen Leistung ab, so dass die Schwellenwertleistung Pth1 auch dynamisch geändert und auf der Basis einer überschüssigen Leistung, die in Schritt S14 separat berechnet werden kann, oder dergleichen eingestellt werden kann.
Falls in Schritt S13 die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, mindestens so hoch ist wie die Schwellenwertleistung Pth1 (JA), dann geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S14 weiter, um die innere Temperatur der Brennstoffzelle 2 unter Bezugnahme auf ein Erfassungssignal vom Temperatursensor 2c zu messen
Im Anschluss daran geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S15 weiter, um auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der die Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird. Die Menge, in der überschüssige Leistung erzeugt wird, ändert sich bekanntlich gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 2. Die Steuereinrichtung 6 bestimmt vorab experimentell geeignete Spannungssenkungsraten im Zusammenhang mit inneren Temperaturen der Brennstoffzelle 2 und speichert diese in Form einer Verweistabelle. Die Verweistabelle wird beispielsweise durch Abbilden einer Beziehung zwischen Ausgangsspannungs-Senkungsraten, die keine übermäßige Erzeugung von überschüssiger Leistung bewirken, und Brennstoffzellentemperaturen erzeugt. Die Steuereinrichtung 6 nimmt eine Innentemperatur der Brennstoffzelle 2 als Eingangswert und nimmt Bezug auf die Verweistabelle, um eine Spannungssenkungsrate auszulesen, die ein Ausgangswert ist. Die Spannungssenkungsrate kann beispielsweise als ein Spannungssenkungsbetrag ab dem letzten Mal bei jedem vorgegebenen Steuerzeitpunkt aufgezeichnet werden.
Hierbei führt die genannte erste Funktion der Steuereinrichtung 6 die Berechnung für die Abschwächung der Spannungssenkungsrate auf der Basis der erzeugten Menge an überschüssiger Leistung in Abhängigkeit von der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, durch. Genauer nimmt die Steuereinrichtung 6 Bezug auf ein SOC-Signal oder dergleichen, das den Ladungszustand der Batterie 52 anzeigt, um die Leistung zu berechnen, die in die Batterie 52 geladen werden kann, und führt die Berechnung zur Abschwächung der Spannungssenkungsrate gemäß deren Höhe durch. Je höher die Leistung, die geladen werden kann (die aufnehmbare Leistung Pa) wird, desto mehr überschüssige Leistung kann geladen werden, so dass eine höhere Spannungssenkungsrate eingestellt werden kann. Falls beispielsweise der Gradientenkoeffizient einer Standard-Spannungssenkungsrate als –k1 bezeichnet wird, dann kann der Gradientenkoeffizient nach der Abschwächung beispielsweise als –k1·k2(0 ≤ k2 < 1:k2∝Pa) dargestellt werden.
Im Anschluss daran geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S16 weiter, um zu bestimmen, ob die Leistung, die in die Brennstoffzelle 2 geladen werden kann, höchstens so groß ist wie die vorgegebene Schwellenwertleistung Pth2. Die Schwellenwertleistung Pth2 ist eine geeignete Leistung für die Abschwächung der Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, und Pth2 wird mit Bedacht so gesetzt, dass sie höher ist als die oben genannten Schwellenwertleistung Pth1, bei der die Hilfseinrichtung M betätigt werden muss, um eine überschüssige Leistung zu bewältigen, oder das System angehalten werden muss; jedoch ist Pth2 nicht darauf beschränkt.
Falls in Schritt S16 die Leistung, die geladen werden kann, höchstens so hoch ist wie der Schwellenwertleistung Pth2 (JA), dann geht die Steuereinrichtung 6 als die oben genannte zweite Funktion zu Schritt S17 weiter, um den in Schritt S15 berechneten Spannungssenkungsprozess zu beenden. Falls beispielsweise die Spannungssenkungsrate als Neigung einer Spannungssenkungsgeraden berechnet wird, dann ist der Koeffizient der Neigung auf null gesetzt. Falls in Schritt S16 die Leistung, die geladen werden kann, größer ist als die Schwellenwertleistung Pth2 (NEIN), dann bestimmt die Steuereinrichtung 6, dass eine ausreichende Kapazität übrig ist, und unterbricht den Spannungsprozess nicht.
In Schritt S18 gibt die Steuereinrichtung 6 ein Steuersignal zur Aufrechterhaltung eines aktuellen Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelle 2 auf der Basis der bestimmten Spannungssenkungsrate bei einer Spannung der Sekundärseite an den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 aus. Die Wiederholung des Prozesses zu jedem vorgegebenen Steuerungszeitpunkt, d. h. die Implementierung des Steuerungsablaufschemas zu jedem Steuerungszeitpunkt, bewirkt eine Senkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 mit einer Spannungssenkungsrate auf der Basis der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann.
Während der Dauer der Spannungssenkung überwacht die Steuereinrichtung 6 vorzugsweise die Leistung Ppass, die durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt. Falls die durchfließende Leistung Ppass einen oberen Grenzwert Pmax der durchfließenden Leistung überschreitet, der vorab gesetzt wurde, um den Wandler zu schützen, dann implementiert die Steuereinrichtung 6 die oben genannte dritte Funktion, um die Spannungssenkungsrate abzuschwächen. Die abgeschwächte Rate kann auf die gleiche Weise erwogen werden wie in Schritt S17.
Falls dagegen in Schritt S13 die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, höchstens so hoch ist wie die Schwellenwertleistung Pth1 (NEIN), dann zeigt dies an, dass eine Ladung der Batterie 52 mit überschüssiger Leistung nicht möglich ist. Daher geht die Steuereinrichtung 6 zu Schritt S20 weiter, um die oben genannte vierte Funktion zu implementieren, wodurch bestimmt wird, ob die Hilfseinrichtungen M aktiviert sind, und falls die Hilfseinrichtungen M aktiviert sind (JA), geht die Steuereinrichtung 6 dann zu Schritt S21 weiter, um die Hilfseinrichtungen M für eine bestimmte Zeit zu betätigen. Dieser Prozess bewirkt, dass die überschüssige Leistung von den Hilfseinrichtungen M verbraucht wird.
Die Hilfseinrichtungen M beinhalten dabei den Kompressor M1, die Wasserstoffpumpe M2 und eine Hilfseinrichtung M4 (eine Klimaanlage oder dergleichen), so dass für jede der Hilfseinrichtungen bestimmt wird, ob sie aktiviert ist, und es können nur Hilfseinrichtungen, die aktiviert wurden, ausgewählt und betätigt werden. Falls überschüssige Leistung zum Fahrmotor M3 geliefert werden kann, kann die überschüssige Leistung zum Fahrmotor M3 geliefert werden, da der Fahrmotor M3 eine große Menge an Leistung verbraucht. Falls die überschüssige Leistung als Antriebskraft für den Fahrmotor M3 nicht ausreicht, kann dann eine Steuerung durchgeführt werden, um Leistung, die den Mangel ausgleicht, von der Batterie 52 zum Fahrmotor M3 zu liefern.
Falls in Schritt S20 keine der Hilfseinrichtungen M aktiviert ist oder eine im Vergleich mit der überschüssigen Leistung nur geringe Leistung verbraucht werden kann (NEIN), dann entscheidet die Steuereinrichtung 6, dass es nicht mehr möglich ist, die Spannungssenkung durchzuführen, und dass es nicht mehr möglich ist, den Katalysatoraktivierungsprozess fortzusetzen, und geht zu Schritt S22 weiter, um das Intermittend-Flag auf AUS zu setzen. Wenn das Intermittend-Flag zurückgesetzt wird, wird das Bestimmungsergebnis in Schritt S10 NEIN sein, auch wenn der Prozess das nächste Mal aufgerufen wird, und der Katalysatoraktivierungsprozess wird nicht ausgeführt, bis der Zeitpunkt für den nächsten intermittierenden Antriebsmodus gekommen ist und das Intermittend-Flag gesetzt wurde.
In dem oben beschriebenen Prozess hat die erste Funktion zu Beginn die vernünftige Spannungssenkungsrate gesetzt, und die zweite Funktion hat die Spannungssenkungsoperation unterbrochen, abhängig davon, ob die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, höchstens so hoch ist wie die Schwellenwertleistung Pth2. Alternativ dazu kann die Spannungssenkungsrate jedoch auch entsprechend den Änderungen der Leistung, die während des Spannungssenkungsprozesses geladen werden kann, kontinuierlich geändert werden. Der Grund dafür ist, dass die Leistung, die geladen werden kann, einen Leistungsspielraum, der in die Batterie 52 geladen werden kann, anzeigt und sich im Lauf der Zeit ändert, so dass eine dynamische Änderung der Spannungssenkungsrate gemäß den darin ablaufenden Änderungen eine besser nachvollziehbare Steuerung ermöglicht.
4 zeigt die Wellenformen von Abschnitten des Systems, die durch Anwenden der vorliegenden Ausführungsform gesteuert werden.
4(a) zeigt einen Zustand, in dem das Intermittend-Flag gesetzt ist, das bestätigt, dass der intermittierende Antriebsmodus regelmäßig von der Steuereinrichtung 6 implementiert wird.
4(b) zeigt Änderungen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2, die vom Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 gesteuert wird, unter der Steuerung der vorliegenden Ausführungsform. Ein Fall, in dem die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, groß ist und die Spannungssenkungsrate auf eine relativ hohe Rate gesetzt werden kann, wird von einer Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 bezeichnet, während ein Fall, in dem die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, klein ist und die Spannungssenkungsrate auf eine relativ niedrige Rate gesetzt werden muss, von einer Spannungssenkungs-Kennlinie VS2 bezeichnet wird. Eine Spannung V0 bezeichnet eine Spannung, die ein hohes Potential vermeidet, in einem normalen Antriebsmodus, und eine Spannung V1 bezeichnet eine Soll-Senkungsspannung, die ein Ziel für den Katalysatoraktivierungsprozess darstellt.
4(c) zeigt die Ausgangsleistungs-Kennlinie der Brennstoffzelle 2. Die Berechnung kann anhand einer I/V-Kennlinie oder anhand eines Ausgangsstroms, der von einem Erfassungssignal des Stromsensors angezeigt wird, und einer Ausgangsspannung, die von einem Erfassungssignal des Spannungssensors angezeigt wird, durchgeführt werden. Die Leistung P1 bezeichnet eine erzeugte Leistung (überschüssige Leistung) einer Brennstoffzelle, wenn die Spannung mit der Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 gesenkt wird, und die Leistung P2 bezeichnet eine erzeugte Leistung (überschüssige Leistung) der Brennstoffzelle, wenn die Spannung mit der Spannungssenkungs-Kennlinie VS2 gesenkt wird.
4(d) stellt die Leistung dar, die in die Batterie 52 geladen werden kann. PA1 bezeichnet die Leistung, die im Falle der Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 geladen werden kann, und PA2 bezeichnet die Leistung, die im Fall der Spannungssenkungs-Kennlinie VS2 geladen werden kann.
Wie in 4(a) dargestellt, senkt die Steuereinrichtung 6, falls das Intermittend-Flag zur Ausführung des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle 2 zum Zeitpunkt t1 gesetzt ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und startet den Katalysatoraktivierungsprozess, um einen Katalysator zu aktivieren. Gleichzeitig spezifiziert der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 die Spannungssenkungs-Kennlinie VS1, die von der aufnehmbaren Leistung Pa der Batterie 52 zu dieser Zeit abhängt, beginnend von der ein hohes Potential vermeidenden Spannung (Standby-Spannung) V0 bis zur Soll-Senkungsspannung (zur Spannung, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist) V1.
Hierbei ändert die Steuereinrichtung 6 als erste Funktion die Spannungssenkungsrate so, dass die Spannungssenkungsrate kleiner wird, wenn die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, weniger wird, wodurch eine Spannungssenkungs-Kennlinie mit einer sanften Steigung, wie die Spannungssenkungs-Kennlinie VS2, eingestellt wird.
Die Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 weist eine steilere Spannungssenkungssteigung auf als die Spannungssenkungs-Kennlinie VS2, so dass die erzeugte Menge an überschüssiger Leistung, wenn die Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 ausgewählt wird, größer ist als wenn die Spannungssenkungs-Kennlinie VS2 ausgewählt würde, wie in 4(c) dargestellt.
Hierbei wird die überschüssige Leistung gemäß dem Fluss f1 von 2 aufeinanderfolgend in die Batterie 52 geladen, so dass die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, weniger wird, wenn die Ladungsmenge zunimmt, wie in 4(d) dargestellt.
Wenn die Schwellenwertleistung Pth1 zum Zeitpunkt t2 erreicht wird, werden die oben genannten Schritte S20 und S21 implementiert, und die Steuereinrichtung 6 beginnt mit der Ansteuerung des Fahrmotors M3 oder der Hilfseinrichtungen M auf der Basis der oben genannten vierten Funktion. Falls die überschüssige Leistung von diesen Verbrauchern nicht verbraucht werden kann, dann führt die Steuereinrichtung 6 den oben genannten Schritt S22 aus, um den Katalysatoraktivierungsprozess zu unterbrechen.
Da die Menge an überschüssiger Leistung mit dem Oxidierungsgasprozess oder mit Verbrauch der Leistung durch die Verbraucher abnimmt, wird die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, dementsprechend größer, wie von PA1 angezeigt. Wenn die Schwellenwertleistung Pth1 zum Zeitpunkt t3 überschritten wird, wird dann das Ansteuern der Verbraucher unterbrochen.
Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 die Soll-Katalysatorspannung V1 erreicht und die Spannungssenkung unterbrochen wird, wird keine überschüssige Leistung mehr erzeugt, so dass die Batterie 52 in einen Entladungsbereich kommt und der Leistungsverbrauch beginnt. Gleichzeitig läuft an den Elektroden der Brennstoffzelle 2 eine elektrochemische Reaktion im Reduzierungsbereich ab, so dass der oxidierte Elektrodenkatalysator reduziert und aktiviert wird.
Wenn das Intermittend-Flag zum Zeitpunkt t4 zurückgesetzt wird, wird die Aktivierung des Katalysators unterbrochen, und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 steigt in Richtung auf die ein hohes Potential vermeidende Spannung V0, wie in 4(b) dargestellt.
5 zeigt die Wellenformen, die in dem Fall beobachtet werden, in dem die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 während des Katalysatoraktivierungsprozesses gesenkt wird, geändert wird.
Wie in 5(a) dargestellt, steuert die Steuereinrichtung 6, wenn das Intermittend-Flag auf EIN steht, den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 so, dass dieser die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 mit der Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 von der ein hohes Potential vermeidenden Spannung V0 (Standby-Spannung) auf eine Sollspannung V1 (einer Spannung, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist) senkt. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung 6 auf der Basis der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, die Spannungssenkungs-Kennlinie gemäß der ersten Funktion abschwächen.
Wie in 5(b) dargestellt, steuert die Steuereinrichtung 6 in dem Fall, dass die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, die Schwellenwertleistung Pth2 zum Zeitpunkt t1 überschreitet, den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 gemäß der zweiten Funktion so, dass der Gradientenkoeffizient der Spannungssenkungsrate auf den der Spannungssenkungs-Kennlinie VS2 geändert wird, der kleiner ist als derjenige der Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 (einschließlich null). Falls die Leistung, die in die Batterie 52 geladen wird, zum Zeitpunkt t2 unter den Schwellenwert Pth2 fällt, wird danach die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung gesenkt wird, auf die ursprüngliche Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 zurückgebracht, und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 wird mit der Spannungssenkungs-Kennlinie VS1 auf die Sollspannung V1 gesenkt.
Durch Steuern der Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, derart, dass die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, zu einer höchstmöglichen Spannungssenkungsrate führt, ist es somit möglich, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 schnell auf eine erniedrigte Sollspannung V1 zu senken und die Batterie 52 vor einer Überladung zu schützen.
Falls in dem Spannungssenkungsprozess die Leistung Ppass, die durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 fließt, den oberen Grenzwert des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 oder die Schwellenwertleistung Pth1, die etwas höher ist als der obere Grenzwert des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51, übertrifft, kann die dritte Funktion der Steuereinrichtung 6 eine Steuerung durchführen, mit der die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung gesenkt wird, in die Spannungssenkungs-Kennlinie VS2, die langsamer ist als die Spannungssenkungs-Kennlinie VS1, geändert wird und danach die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung gesenkt wird, auf die ursprüngliche Senkungsrate VS1 zurückgebracht wird, wenn die durchfließende Leistung Ppass höchstens so hoch geworden ist wie der obere Grenzwert des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51.
In diesem Fall ist die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, so, dass eine höchstmögliche Senkungsrate innerhalb eines Bereichs erhalten wird, in dem die durchfließende Leistung zum Aufladen der Batterie 52 mit der überschüssigen Leistung, die von der Brennstoffzelle 2 erzeugt wird, den oberen Grenzwert Pmax des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 nicht überschreitet. Dadurch kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 schnell auf die Sollspannung V1 gesenkt werden und der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 kann vor einer Beschädigung durch eine übermäßige durchfließende Leistung geschützt werden.
(Vorteile der Ausführungsform)
Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform wurde auf der Basis der ersten Funktion die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 geändert wird, begrenzt, wenn die aufnehmbare Leistung Pa (in dieser Ausführungsform die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann), die durch umfassende Berücksichtigung der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, und/oder der Leistung, die von Lasten verbraucht werden kann, während des Katalysatoraktivierungsprozesses abnimmt, wodurch ein plötzliches Auftreten von überschüssiger Leistung, das durch eine Senkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 bewirkt wird, verhindert werden kann. Somit wird eine Steuerung durchgeführt, mit der selbst dann, wenn die Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, weniger wird, die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 geändert wird, entsprechend sinkt. Somit sinkt dementsprechend die Menge an erzeugter überschüssiger Leistung, so dass die überschüssige Leistung die Leistung, die in die Batterie 52 geladen erden kann, nicht übertrifft. Dadurch kann eine Beschädigung der Batterie 52 vermieden werden.
Gemäß der oben genannten Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 6, wenn der Wert der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, kleiner ist als eine Sollleistung, bewirken, dass der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 die Operation zur Senkung der Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 2 auf eine Spannung, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist, unterbricht (was den Fall einer Abschwächung einschließt), indem sie die zweite Funktion anwendet. In diesem Fall wird bestimmt, dass die Batterie 52 nicht die Kapazität besitzt, um die überschüssige Leistung aufzunehmen, und der Prozess zur Senkung der Spannungssenkungsrate oder der Spannungssenkungsprozess durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 wird unterbrochen, wodurch die Batterie 52 vor einer Überladung geschützt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschränkt die Steuereinrichtung 6 ferner auf der Basis der dritten Funktion die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, so, dass eine höchstmögliche Senkungsrate in einem Bereich erzeugt wird, in dem die durchfließende Leistung zum Aufladen der Batterie 52 mit der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten überschüssigen Leistung den oberen Grenzwert Pmax des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 während des Katalysatoraktivierungsprozesses nicht überschreitet. Dadurch ist es auch möglich, den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 vor einer Beschädigung aufgrund einer übermäßigen durchfließenden Leistung zu schützen.
Gemäß dieser Ausführungsform steuert ferner die Steuereinrichtung 6 auf der Basis der vierten Funktion während des Katalysatoraktivierungsprozesses Hilfseinrichtungen als Lasten der Brennstoffzelle 2 an, wenn der Wert der Leistung, die in die Batterie 52 geladen werden kann, klein ist. Dadurch, dass die Hilfseinrichtungen dazu gebracht werden, überschüssige Leistung zu verbrauchen, kann somit ein Verlust durch die Hilfseinrichtungen erhöht werden, eine Überladung der Batterie 52 kann verhindert werden, und die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gesenkt wird, kann im Vergleich zu einem Fall, wo keine Hilfseinrichtungen angetrieben werden, erhöht werden.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung der vorliegenden Anmeldung die aufnehmbare Leistung umfassend in Betracht gezogen, um die Spannungssenkungsrate dynamisch zu steuern, wodurch der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 vor einer Beschädigung aufgrund einer übermäßigen durchfließenden Leistung geschützt werden kann, die Batterie 52 vor einer Überladung geschützt werden kann und eine höchstmögliche Spannungssenkungsrate in einem zulässigen Bereich eingestellt werden kann, wodurch ein schneller Katalysatoraktivierungsprozess erreicht werden kann.

Claims

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (1), das eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle (2) senkt, um einen Katalysatoraktivierungsprozess durchzuführen, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Aufnahmeeinrichtung für überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, eine Steuereinrichtung (6), die eine Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle für den Katalysatoraktivierungsprozess geändert wird, gemäß einer Aufnahmeeinrichtungs-Aufnahmekapazität für von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige Leistung ändert, und einen Spannungswandler (51), der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert und überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, in die Aufnahmeeinrichtung lädt, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt, bei dem, während des Katalysatoraktivierungsprozesses, eine von der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbare Leistung berechnet wird; und einen Schritt, bei dem eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf der Basis der berechneten aufnehmbaren Leistung geändert wird, wobei beim Schritt zur Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, gesenkt wird, wenn die aufnehmbare Leistung kleiner ist.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt, in dem die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems geändert wird, die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, innerhalb eines Bereichs begrenzt wird, in dem Leistung von der aufnehmbaren Leistung durch den Spannungswandler fließt, und einen oberen Grenzwert des Spannungswandlers nicht überschreitet.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Schritt, in dem die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, eine Operation zum Senken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine Spannung, die für den Katalysatoraktivierungsprozess geeignet ist, unterbrochen wird, falls die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als eine vorgegebene Sollleistung.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Schritt, in dem die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle geändert wird, eine Hilfseinrichtung als Last der Brennstoffzelle angesteuert wird, falls die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als die voreingestellte Sollleistung.
Brennstoffzellensystem (1), das eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle (2) senkt, um einen Katalysatoraktivierungsprozess auszuführen, und das aufweist: eine Aufnahmeeinrichtung für überschüssige Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, sowie eine Steuereinrichtung (6), die derart ausgebidlet ist, dass sie das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Aufnahmeeinrichtung eine elektrische Speichereinrichtung (52) und/oder eine Last der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner eine Hilfseinrichtung der Brennstoffzelle als Aufnahmeeinrichtung aufweisend, wobei die Steuereinrichtung die Hilfseinrichtung als Last der Brennstoffzelle ansteuert, falls die errechnete aufnehmbare Leistung kleiner ist als eine vorgegebene Sollleistung.