DE112008000870B4

DE112008000870B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008000870B4
Application number: DE112008000870T
Authority: DE
Inventors: Kota Manabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: US7943262B2; CN101657927A; JP4844838B2; WO2008130047A1; CN101657927B; DE112008000870T5; DE112008000870B8; US20100047663A1; JP2008269812A

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2); einen Zufuhrkanal (11), durch den Oxidierungsgas, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt werden soll, strömt; eine Zufuhreinrichtung (14), die im Zufuhrkanal (11) vorgesehen ist, um das Oxidierungsgas unter Druck zur Brennstoffzelle (2) zu liefern; einen Abfuhrkanal (12), durch den Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle (2) abgeführt wird, strömt; und einen Umgehungskanal (17), der den Zufuhrkanal (11) mit dem Abfuhrkanal (12) verbindet, so dass das Oxidierungsgas unter Umgehung der Brennstoffzelle (2) strömt, wobei das Brennstoffzellensystem (1) ferner aufweist: ein Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) zum Anpassen einer Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal (17) und die Brennstoffzelle (2); und eine Steuereinrichtung (7), welche die Zufuhreinrichtung (14) und das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie von einer Steuerung des von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Stroms durch Steuern des Strömungsteilungs-Anpassungsmittels (16, 18) auf eine Steuerung des von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Stroms durch die Zufuhreinrichtung (14) umschaltet, wenn während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist und bei dem der Leistungsverlust höher ist als beim Normalbetrieb, ein Fehler im Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) vorliegt.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, in dem ein Oxidierungsgas eine Brennstoffzelle umgehen kann.
Technischer Hintergrund
Eine Brennstoffzelle, die in einem Auto oder dergleichen eingebaut ist, erzeugt Leistung durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff in einem Brenngas, das der Anode zugeführt wird, und Sauerstoff in einem Oxidierungsgas, das der Kathode zugeführt wird. Im Allgemeinen strömt verbrauchtes Brenngas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, durch eine Wasserstoff-Verdünnungseinheit und wird in einem Zustand, in dem seine Wasserstoffkonzentration erniedrigt ist, in die Atmosphäre abgeführt. Dagegen wird ein verbrauchtes Oxidierungsgas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, unbehandelt in die Atmosphäre abgeführt.
In einem Fall, wo die Brennstoffzelle arbeitet und die Temperatur der Brennstoffzelle schnell ansteigt, während ein Wirkungsgrad der Leistungserzeugung niedrig ist, wird manchmal jedoch Wasserstoff (hauptsächlich Pumpwasserstoff) in einer Kathode erzeugt. Infolgedessen könnte Wasserstoff im Oxidierungsabgas enthalten sein. Das Abführen des unbehandelten wasserstoffhaltigen Oxidierungsabgases in die Atmosphäre ist jedoch umweltschädlich.
Angesichts dieser Situation ist in einem in der JP 2006-73501 A (Abschnitte [0025] und [0093]) offenbarten Brenn- stoffzellensystem ein Oxidierungsgas-Zufuhrkanal über einen Umgehungskanal mit einem Oxidierungsabgas-Abfuhrkanal verbunden. Das Oxidierungsgas wird durch den Umgehungskanal in das Oxidierungsabgas eingeführt, so dass die Wasserstoffkonzentration im Oxidierungsabgas gesenkt wird.
Offenbarung der Erfindung
In dem in der JP 2006-73501 A offenbarten Brennstoffzellensystem wurde jedoch keine Aufteilung eines Oxi- dierungsgasstroms auf einen Umgehungskanal und eine Brennstoffzelle in Betracht gezogen. Daher strömt nicht die notwendige Menge an Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle, und die Steuerung des elektrischen Stroms, der von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, kann gestört sein. Außerdem könnte selbst dann, wenn ein Steuerventil für die Aufteilung des Gasstroms vorgesehen wäre, die zusätzliche Menge an Oxidierungsgas in die Brennstoffzelle strömen, wodurch die Steuerung des ausgegebenen elektrischen Stroms gestört würde, falls das Steuerventil aus irgendeinem Grund, zum Beispiel weil es eingefroren ist, nicht arbeitet.
Weitere gattungegemäße Brennstoffzellensysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind Gegenstand der DE 10 2004 055 728 A1 und der DE 103 57 198 A1 .
Ausgehend vom Stand der Technik ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das den von einer Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Strom auch dann steuern kann, wenn ein Fehler in der Steuerung der Aufteilung eines Oxidierungsgasstroms vorliegt. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung weit auf: eine Brennstoffzelle, einen Zufuhrkanal, durch den ein Oxidierungsgas strömt, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, eine Zufuhreinrichtung, die im Zufuhrkanal vorgesehen ist, um das Oxidierungsgas unter Druck zur Brennstoffzelle zu liefern, einen Abfuhrkanal, durch den ein Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt werden soll, strömt, einen Umgehungskanal, der den Zufuhrkanal mit dem Abfuhrkanal verbindet, so dass der Strom des Oxidierungsgases die Brennstoffzelle umgeht; ein Strömungsteilungs-Anpassungsmittel, das die Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal und die Brennstoffzelle anpasst; und eine Steuereinrichtung, die die Zufuhreinrichtung und das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel steuert. Wenn das Ströqmungsteilungs-Anpassungsmittel einen Fehler aufweist, schaltet die Steuereinrichtung die Steuerung des von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Stroms von einer Steuerung durch das Stromteilungs-Anpassungsmittel auf eine Steuerung durch die Steuerung der Zufuhreinrichtung um.
Gemäß diesem Aufbau kann das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel während eines Normalbetriebs die Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal und die Brennstoffzelle regeln und kann den von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Strom steuern. Falls dagegen ein Fehler im Strömungsteilungs-Anpassungsmittel vorliegt, wird auf die Zufuhreinrichtung als Einrichtung zum Steuern des von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Stroms umgeschaltet, so dass der ausgegebene elektrische Strom kontinuierlich gesteuert werden kann.
Vorzugsweise schaltet die Steuereinrichtung die Steuerung des von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Stroms vom Strömungsteilungs-Anpassungsmittel auf die Zufuhreinrichtung um, wenn der Fehler im Strömungsteilungs-Anpassungsmittel während eines Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad, bei dem ein Leistungsverlust höher ist als bei einem Normalbetrieb, auftritt.
Bei diesem Aufbau kann eine Ausfallsicherung erreicht werden, wenn der Fehler des Stromteilungs-Anpassungsmittels während eines Betriebs auftritt, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist.
Stärker bevorzugt verhindert das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel während des Normalbetriebs, dass ein Oxidierungsgasstrom zum Umgehungskanal abgeteilt wird, und passt die Strömungsrate des Oxidierungsgases an, das zum Umgehungskanal abgeteilt wird, während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist.
Bei diesem Aufbau kann während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, Wasserstoff im Oxidierungsabgas durch das umgeleitete Oxidierungsgas verdünnt werden. Dagegen muss während eines Normalbetriebs das Oxidierungsgas die Brennstoffzelle nicht umgehen, so dass die Zufuhr des Oxidierungsgases zur Brennstoffzelle auf angemessene Weise durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise weist das Stömungsteilungs-Anpassungsmittel ein Regulierungsventil, das den Druck anpasst, mit dem das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert wird, und ein Umgehungsventil auf, das die Strömungsrate des Oxidierungsgases anpasst, das vom Umgehungskanal zum Abfuhrkanal abgeteilt wird. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung die Steuerung des von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Stroms von einer Steuerung durch das Regulierungsventil auf die Steuerung durch die Zufuhreinrichtung umschalten, wenn während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, ein Fehler im Regulierungsventil und/oder im Umgehungsventil auftritt.
Auch wenn während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, der Fehler im Regulierungsventil und/oder im Umgehungsventil auftritt und ein Fehler in Bezug auf die Menge des Oxidierungsgases, das zur Brennstoffzelle abgeteilt wird, vorliegt, kann bei diesem Aufbau der von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Strom gesteuert werden. Infolgedessen kann der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, aufrechterhalten werden.
Stärker bevorzugt hält die Steuereinrichtung die Zufuhreinrichtung erst an und treibt sie dann erneut an, wenn sie auf die Steuerung durch die Zufuhreinrichtung umschaltet.
Wenn aufgrund dieses Fehlers Fehler in Bezug auf die Strömungsrate und den Druck, mit denen das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert wird, auftreten, können bei diesem Aufbau diese Fehler dadurch beseitigt werden, dass die Zufuhreinrichtung zunächst angehalten wird. Infolgedessen kann die Steuerung problemlos auf die Steuerung des ausgegebenen elektrischen Stroms durch die Zufuhreinrichtung übergehen.
Wenn das Regulierungsventil den Fehler im offenen Zustand aufweist, wird hierbei eine zusätzliche Menge an Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert, und somit nimmt die Menge des von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Stroms zu.
Daher weist das Brennstoffzellensystem der bevorzugten Ausführungsform einen Stromsensor auf, der den von der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Strom erfasst, und wenn ein Wert, der vom Stromsensor erfasst wird, einen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinrichtung feststellen, dass der Fehler des Regulierungsventils im offenen Zustand vorliegt, und die Zufuhreinrichtung zunächst anhalten.
Bei diesem Aufbau kann festgestellt werden, dass der Fehler des Regulierungsventils im offenen Zustand vorliegt, und die Feststellung des Fehlerzustands kann als Auslöser für das vorübergehende Anhalten der Zufuhreinrichtung verwendet werden.
Stärker bevorzugt führt die Steuereinrichtung eine Steuerung durch die Rückführung des Werts, der vom Stromsensor erfasst wird, in einen Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils durch und beginnt mit dem Antreiben der zunächst angehaltenen Zufuhreinrichtung, wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils einen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß diesem Aufbau kann der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils als Auslöser verwendet werden, um mit dem Antreiben der Zufuhreinrichtung zu beginnen.
Auch wenn statt des Regulierungsventils das Umgehungsventil einen Fehler aufweist, der im geschlossenen Zustand auftritt, kann hierbei eine zusätzliche Menge an Oxidierungsgas mit einem zusätzlichen Druck zur Brennstoffzelle geliefert werden.
Daher weist das Brennstoffzellensystem einer anderen bevorzugten Ausführungsform einen Drucksensor auf, der den Druck erfasst, mit dem das Oxidierungsgas aus der Zufuhreinrichtung abgegeben wird, und wenn ein Wert, der vom Drucksensor erfasst wird, einen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinrichtung feststellen, dass der Fehler des Umgehungsventils im geschlossenen Zustand vorliegt, und die Zufuhreinrichtung zunächst anhalten.
Bei diesem Aufbau kann festgestellt werden, dass der Fehler des Umgehungsventils im geschlossenen Zustand vorliegt, und die Feststellung des Fehlerzustands kann als Auslöser für das vorübergehende Anhalten der Zufuhreinrichtung verwendet werden.
Vorzugsweise stellt die Steuereinrichtung unter Verwendung verschiedener Sensoren fest, ob der Fehler im Regulierungsventil oder im Umgehungsventil auftritt.
Bei diesem Aufbau kann im Gegensatz zu einem Fall, wo ein und derselbe Sensor verwendet wird, präzise festgestellt werden, ob der Fehler im Regulierungsventil oder im Umgehungsventil auftritt.
Vorzugsweise ist das Regulierungsventil im Abfuhrkanal vorgesehen, und das Umgehungsventil ist im Umgehungskanal vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Aufbauskizze eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem BZ-Strom und einer BZ-Spannung gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
3A und 3B sind Skizzen, die den Mechanismus zeigen, mit dem Pumpwasserstoff erzeugt wird, 3A zeigt eine Zellenreaktion während eines Normalbetriebs, und 3B zeigt eine Zellenreaktion während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist;
4 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Steuern des BZ-Stroms während des Brennstoffzellenbetriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Zeitschema, das ein Umschaltverfahren bei Vorliegen eines Fehlers eines Regulierungsventils gemäß dieser Ausführungsform in einem offenen Zustand zeigt; und
6 ist ein Zeitschema, das ein Umschaltverfahren bei Vorliegen des Fehlers eines Umschaltventils gemäß dieser Ausführungsform in einem geschlossenen Zustand zeigt.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, ein Brenngas-Leitungssystem 4, ein Leistungssystem 6 und eine Steuereinrichtung 7 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 kann in ein Fahrzeug 100 eingebaut sein, und natürlich kann das System nicht nur auf das Fahrzeug 100, sondern auch auf andere mobile Körper (z. B. ein Schiff, ein Flugzeug, einen Roboter usw.) und auf eine stationäre Leistungsquelle angewendet werden.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine Stapelstruktur auf, in der eine große Zahl von Einheitszellen gestapelt sind. Jede Einheitszelle, die als Festpolymerelektrolyt-Zelle ausgebildet ist, weist auf einer Seite eines Elektrolyten, der aus einer Ionentauschermembran besteht, einen Luftpol (eine Kathode), auf dessen anderer Seite einen Brennstoffpol (eine Anode) und ferner ein Paar Separatoren auf, zwischen denen der Luftpol und der Brennstoffpol angeordnet sind. Oxidierungsgas wird zu einer Oxidierungsgasleitung 2a eines der Separatoren geliefert, und Brenngas wird zu einer Brenngasleitung 2b des anderen Separators geliefert. Durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den zugeführten Brenn- und Oxidierungsgasen erzeugt die Brennstoffzelle 2 Leistung und erzeugt außerdem Wärme. Die Temperatur der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle 2 wird von einem Temperatursensor 71 erfasst und liegt im Bereich von etwa 60 bis 80°C.
Die von der Brennstoffzelle 2 ausgegebene Spannung (im Folgenden als „BZ-Spannung” bezeichnet) und der von ihr ausgegebene Strom (im Folgenden als („BZ-Strom” bezeichnet) werden von einem Spannungssensor 8 bzw. einem Stromsensor 9 erfasst. Die von der Brennstoffzelle 2 ausgegebene Leistung (im Folgenden als „BZ-Leistung” bezeichnet) wird durch Multiplizieren der BZ-Spannung mit dem BZ-Strom erhalten.
Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist einen Zufuhrkanal 11 und einen Abfuhrkanal 12 auf. Das Oxidierungsgas, das zur Oxidierungsgasleitung 2a geliefert werden soll, strömt durch den Zufuhrkanal 11. Ein Oxidierungsabgas, das aus der Oxidierungsgasleitung 2a abgeführt wird, strömt durch den Abfuhrkanal 12. Ein Kompressor 14 (eine Zufuhreinrichtung) ist im Zufuhrkanal 11 vorgesehen und holt Luft als Oxidierungsgas von außen durch einen Luftreiniger 13, um das Gas unter Druck zur Brennstoffzelle 2 zu liefern. Das unter Druck zur Brennstoffzelle 2 gelieferte Oxidierungsgas wird durch einen Befeuchter 15 einem Feuchtigkeitstausch zwischen dem Oxidierungsgas und dem Oxidierungsabgas unterzogen und angemessen befeuchtet. Die Drehzahl eines Motors 14a des Kompressors 14 wird von der Steuereinrichtung 7 gesteuert, wodurch die Menge des abgeführten Oxidierungsgases gesteuert wird. Der Druck, mit dem das Oxidierungsgas vom Kompressor 14 abgeführt wird, wird von einem Drucksensor P1 erfasst.
Ein Regulierungsventil 16 ist um einen Kathodenauslass im Abfuhrkanal 12 angeordnet, um den Druck anzupassen, mit dem das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird. Das Regulierungsventil 16 ist ein Steuerventil mit z. B. einem Schrittmotor als Antriebsquelle, und der Öffnungsgrad des Ventils wird gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 7 auf einen beliebigen Grad eingestellt. Ein Umgehungskanal 17 verbindet den Zufuhrkanal 11 mit dem Abfuhrkanal 12, so dass das Oxidierungsgas unter Umgehung der Brennstoffzelle 2 strömt. Ein Verbindungsabschnitt B zwischen dem Umgehungskanal 17 und dem Zufuhrkanal 11 ist zwischen dem Kompressor 14 und dem Befeuchter 15 angeordnet. Darüber hinaus ist ein Verbindungsabschnitt C zwischen dem Umgehungskanal 17 und dem Abfuhrkanal 12 zwischen dem Befeuchter 15 und einem Schalldämpfer 19 angeordnet. Das Oxidierungsabgas wird schließlich durch den Schalldämpfer 19 als Abgas aus dem System abgeführt.
Ein Umgehungsventil 18 ist im Umgehungskanal 17 vorgesehen. Das Umgehungsventil 18 ist ein Steuerventil mit einem Motor, einem Magneten oder dergleichen als Antriebsquelle, und der Öffnungsgrad des Ventils wird gemäß dem Befehl von der Steuereinrichtung 7 eingestellt. Wenn das Umgehungsventil 18 geöffnet wird, wird ein Teil des Oxidierungsgases, das aus dem Kompressor 14 abgeführt wird, zum Umgehungskanal 17 abgeteilt, strömt durch das Umgehungsventil 18 und wird in den Schalldämpfer 19 eingeführt. Die Menge des umgeleiteten Oxidierungsgases wird von der Steuereinrichtung 7 gesteuert. In der folgenden Beschreibung wird das umgeleitete Oxidierungsgas als „Umgehungsluft” bezeichnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass das in den Ansprüchen beschriebene „Strömungsteilungs-Anpassungsmittel” ergänzend beschrieben wird. Es wird überlegt, das Umgehungsventil 18 als „Strömungsteilungs-Anpassungsmittel” zum Regulieren der Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal 17 und die Brennstoffzelle 2 zu verwenden. Der Grund dafür ist, dass, wenn beispielsweise das Umgehungsventil 18 geöffnet wird, das Oxidierungsgas zum Umgehungskanal 17 abgeteilt wird.
Darüber hinaus wird überlegt, das Regulierungsventil 16 ebenfalls als „Strömungsteilungs-Anpassungsmittel” zu verwenden, um die Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal 17 und die Brennstoffzelle 2 zu regeln. Der Grund dafür ist, dass, wenn das Umgehungsventil 18 geöffnet ist und das Regulierungsventil 16 geschlossen ist, die Umgehungsluft mehr wird.
Das Brenngas-Leitungssystem 4 führt ein Wasserstoffgas als Brenngas zu der oder aus der Brennstoffzelle 2. Das Brenngas-Leitungssystem 4 weist eine Wasserstoffquelle 21, einen Zufuhrkanal 22, einem Umwälzkanal 23, eine Pumpe 24 und einen Spülkanal 25 auf. Wenn ein Quellenventil 26 geöffnet wird, wird das Wasserstoffgas aus der Wasserstoff-Zufuhrquelle 21 zum Zufuhrkanal 22 abgeführt und durch ein Regulierungsventil 27 und ein Sperrventil 28 zur Brenngasleitung 2b geliefert. Das Wasserstoffgas wird als Wasserstoffabgas aus der Brenngasleitung 2b in den Umwälzkanal 23 abgeführt. Das Wasserstoffabgas wird von der Pumpe 24 zu einem Mündungsteil A des Umwälzkanals 23 und des Zufuhrkanals 22 zurückgeführt und wieder in die Brenngasleitung 2b geliefert. Wenn ein Spülventil 33 angemessen geöffnet wird, wird ein Teil des Wasserstoffabgases aus dem Umwälzkanal 23 in den Spülkanal 25 abgeführt und durch eine (nicht dargestellte) Wasserstoff-Verdünnungseinheit aus dem System abgeführt.
Das Leistungssystem 6 lädt oder entlädt die Leistung des Systems 1. Ein DC/DC-Wandler 61 ist ein Gleichspannungswandler. Der DC/DC-Wandler 61 hat eine Funktion, eine Gleichspannung, die von einer Batterie 62 eingegeben wird, anzupassen, um die Spannung an einen Traktionswechselrichter 63 auszugeben, und eine Funktion, die von der Brennstoffzelle 2 oder von einem Fahrmotor 64 eingegebene Gleichspannung anzupassen, um die Spannung an die Batterie 62 auszugeben. Durch die Funktionen des DC/DC-Wandlers 61 wird das Laden und Entladen der Batterie 62 implementiert, und die BZ-Spannung der Brennstoffzelle 2 wird gesteuert. Der Traktionswechselrichter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom zum Fahrmotor 64 zu liefern. Der Fahrmotor 64 bildet eine Haupt-Leistungsquelle des Fahrzeugs 100 und ist mit Rädern 101L, 101R verbunden. Zubehörwechselrichter 65 und 66 steuern das Antreiben des Motors 14a des Kompressors 14 bzw. eines Motors 24a der Pumpe 24.
Die Steuereinrichtung 7 ist als Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, einen ROM und einen RAM enthält, und steuert das System 1 im Ganzen. Die CPU führt eine gewünschte Berechnung gemäß einem Steuerprogramm durch und führt verschiedene Prozesse und Steuerungen aus, beispielsweise die Steuerung des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, wie nachstehend beschrieben wird. Der ROM speichert das Steuerprogramm und Steuerdaten, die von der CPU verarbeitet werden. Der RAM wird für unterschiedliche Arbeitsbereiche verwendet, hauptsächlich für Steuerungsabläufe.
Die Steuereinrichtung 7 gibt Sensorsignale vom Drucksensor P1, vom Spannungssensor 8, vom Stromsensor 9, vom Temperatursensor 71, von einem Außenluft-Temperatursensor 72, der die Temperatur einer Umgebung erfasst, in der sich das Brennstoffzellensystem 1 befindet, von einem Gaspedalsensor, der den Öffnungsgrad eines Gaspedals des Fahrzeugs 100 erfasst, und dergleichen ein. Darüber hinaus steuert die Steuereinrichtung 7 Teile des Systems (die Zufuhreinrichtung 14, das Gegendruck-Regulierungsventil 16, das Umgehungsventil 18 usw.) zentral auf der Basis der Sensorsignale. Insbesondere verschiebt die Steuereinrichtung 7 anhand verschiedener Kennfelder, die im ROM gespeichert sind, den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 2, um einen Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung niedrig ist, durchzuführen, wenn die Notwendigkeit besteht, die Brennstoffzelle 2 während eines Startens bei niedrigen Temperaturen oder dergleichen schnell aufzuwärmen.
2 ist ein Schema, das eine Beziehung zwischen dem BZ-Strom und der BZ-Spannung zeigt. 2 zeigt anhand einer durchgezogenen Linie einen Fall, in dem die Brennstoffzelle 2 einen Betrieb (im Folgenden als „Normalbetrieb” bezeichnet) durchführt, bei dem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung vergleichsweise hoch ist (erste Leistungsausbeute), und zeigt anhand einer gepunkteten Linie einen Fall, in dem die Menge des Oxidierungsgases verringert ist und die Brennstoffzelle 2 einen Betrieb (nachstehend als „Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist” bezeichnet) durchführt, bei dem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung vergleichsweise niedrig ist (zweite Leistungsausbeute).
Um den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 durchzuführen, wird die Brennstoffzelle 2 betrieben, während ein Luft-Stöchiometrieverhältnis auf 1,0 oder mehr (theoretischer Wert) eingestellt ist, um einen Leistungsverlust zu unterdrücken und um einen hohen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung bzw. eine hohe Leistungsausbeute) zu erreichen (siehe den Teil von 2 mit der durchgezogenen Linie). Hierbei ist das Luft-Stöchiometrieverhältnis das Überschussverhältnis einer tatsächlich zugeführten Luftmenge in Bezug auf eine theoretisch zugeführte Luftmenge, die für die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 2 nötig ist.
Um die Brennstoffzelle 2 aufzuwärmen, wird die Brennstoffzelle 2 andererseits betrieben, während das Luft-Stöchiometrieverhältnis auf einen Wert von weniger als 1,0 (theoretischer Wert) eingestellt ist, um den Leistungsverlust zu erhöhen und die Temperatur der Brennstoffzelle 2 zu erhöhen (siehe den Teil von 2 mit der gepunkteten Linie). Wenn das Luft-Stöchiometrieverhältnis auf ein niedriges Verhältnis eingestellt wird, um den Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, durchzuführen, geht das der Brennstoffzelle 2 zugeführte Oxidierungsgas zur Neige, und somit wird hinsichtlich der Energie, die von einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff genommen werden kann, eine Energie, mit der der Leistungsverlust (d. h. der Wärmeverlust) kompensiert wird, positiv erhöht. Infolgedessen kann die Temperatur der Brennstoffzelle 2 in einer im Vergleich zum Normalbetrieb kurzen Zeit erhöht werden. Wenn der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, durchgeführt wird, wird jedoch Pumpwasserstoff in der Kathode der Brennstoffzelle 2 erzeugt.
3A und B sind Skizzen, die den Mechanismus der Pumpwasserstofferzeugung erläutern. 3A zeigt eine Zellenreaktion während des Normalbetriebs, und 3B zeigt eine Zellenreaktion während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist.
Jede Einheitszelle 80 der Brennstoffzelle 2 weist einen elektrolytischen Film 81 und eine Anode und eine Kathode auf, zwischen denen der elektrolytische Film 81 angeordnet ist. Das Wasserstoff (H₂) enthaltende Brenngas wird der Anode zugeführt, und das Sauerstoff (O₂) enthaltende Oxidierungsgas wird der Kathode zugeführt. Wenn das Brenngas zur Anode geliefert wird, läuft die Reaktion der folgenden Formel (1) ab, und Wasserstoff wird in Wasserstoffionen und Elektronen aufgespaltet. Die in der Anode gebildeten Wasserstoffionen passieren den elektrolytischen Film 81, um zur Kathode zu wandern, während die Elektronen einen Kreis außerhalb der Anode durchlaufen, um zur Kathode zu wandern. Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1)
Hierbei läuft im Fall des in 3A dargestellten Normalbetriebs, d. h. wenn genügend Oxidierungsgas zur Kathode geliefert wird (Luft-Stöchiometrieverhältnis ≥ 1,0), die Reaktion der nachstehenden Formel (2) ab, und Wasser wird aus Sauerstoff, den Wasserstoffionen und den Elektronen gebildet. Kathode: 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O (2)
Falls dagegen der in 3 dargestellte Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, durchgeführt wird, d. h. wenn das Oxidierungsgas, das der Kathode zugeführt wird, zur Neige geht (Luft-Stöchiometrieverhältnis < 1,0), dann läuft die Reaktion der folgenden Formel (3) gemäß dem Mangel an Oxidierungsgas ab, und die Wasserstoffionen werden erneut mit den Elektronen kombiniert, um Wasserstoff zu bilden. Gebildeter Wasserstoff wird zusammen mit dem Oxidierungsabgas aus der Kathode abgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass Wasserstoff, der durch die erneute Kombination der abgespaltenen Wasserstoffionen und Elektroden in der Kathode gebildet wird, d. h. ein Anodengas, das in der Kathode gebildet wird, als Pumpwasserstoff bezeichnet wird. Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂ (3)
Wenn das Oxidierungsgas, das der Kathode zugeführt wird, zur Neige geht, enthält daher Oxidierungsabgas Pumpwasserstoff. Um dieses Problem zu lösen, steuert im Falle eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, die Steuereinrichtung 7 das Umgehungsventil 18 und öffnet es, um die Umgehungsluft in das Oxidierungsabgas einzuführen. Die Wasserstoffkonzentration im Oxidierungsabgas wird durch die Umgehungsluft verdünnt, und somit wird Oxidierungsabgas, das in einem Maße verringert ist, dass die Wasserstoffkonzentration in einem sicheren Bereich ist, aus dem Abfuhrkanal 12 nach außen abgeführt.
Der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, wird zu dem Zweck durchgeführt, dass die Brennstoffzelle 2 während eines Startens aufgewärmt wird, wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle 2 oder die Außenlufttemperatur eine vorgegebene niedrige Temperatur (z. B. höchstens 0°C) ist. Die Steuerung des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, wird nun ausführlich beschrieben. Zuerst bestimmt die Steuereinrichtung 7 die Sollwerte des BZ-Stroms und der BZ-Spannung aus der BZ-Ausgangsleistung, die für die Brennstoffzelle 2 gefordert wird, und der Wärmemenge, die für die Aufwärmung nötig ist. Dann steuert die Steuereinrichtung 7 die BZ-Spannung unter Verwendung des DC/DC-Wandlers 61, um den Sollwert der BZ-Spannung zu erhalten. Gleichzeitig wird ein Spannungsbefehlswert vom DC/DC-Wandler 61 durch die Rückführung des vom Spannungssensor 10 erfassten Werts korrigiert.
Dagegen wird der BZ-Strom während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, durch das Regulierungsventil 16 gesteuert. Genauer bestimmt die Steuereinrichtung 7 zuerst den Sollwert des Luft-Stöchiometrieverhältnisses aus den Sollwerten des BZ-Stroms und der BZ-Spannung unter Bezugnahme auf ein im ROM gespeichertes Kennfeld für einen Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist. Anschließend ermittelt die Steuereinrichtung 7 die geforderte Menge des Oxidierungsgases, das aus dem Kompressor 14 abgeführt wird, die Strömungsrate des Oxidierungsgases, die für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2 nötig ist (nachstehend als „geforderte der BZ-Luftströmungsrate” bezeichnet), und die geforderte Strömungsgrate der Umgehungsluft, die notwendig ist, um die Wasserstoffkonzentration zu senken, anhand des Sollwerts des Luft-Stöchiometrieverhältnisses oder eines anderen im ROM gespeicherten Kennfelds. Dann wird das Antreiben des Kompressors 14 gemäß der geforderten Menge an abgeführtem Oxidierungsgas gesteuert.
Darüber hinaus bestimmt die Steuereinrichtung 7 die Öffnungsgrad-Sollwerte des Regulierungsventils 16 und des Umgehungsventils 18 anhand der geforderten BZ-Luftströmungsrate und der geforderten Umgehungsluftströmungsrate unter Bezugnahme auf ein anderes Kennfeld, um das Regulierungsventil 16 und das Umgehungsventil 18 gemäß dem Öffnungsgrad-Sollwert zu steuern. Infolgedessen wird die Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf die Brennstoffzelle 2 und den Umgehungskanal 17 gesteuert. Gleichzeitig wird der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 gemäß einer Abweichung zwischen dem gemessenen Wert des BZ-Stroms, der vom Stromsensor 9 erfasst wird, und dem Sollwert des BZ-Stroms korrigiert. Das heißt, die Steuereinrichtung 7 führt den Wert, der vom Stromsensor 9 erfasst wird, in den Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 zurück, wodurch das Regulierungsventil 16 gesteuert wird, um den BZ-Strom zu steuern.
Auf der Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 2, der. Dauer des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, oder dergleichen kann festgestellt werden, ob der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, beendet werden soll oder nicht, d. h. ob der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 2 beendet werden soll oder nicht. Darüber hinaus kann, falls festgestellt wird, dass das Aufwärmen der Brennstoffzelle 2 abgeschlossen ist, der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, in den Normalbetrieb übergehen. Da während des Normalbetriebs keinerlei Pumpwasserstoff erzeugt wird, kann das Umgehungsventil 18 geschlossen werden. Im Normalbetrieb wird die BZ-Spannung auf die gleiche Weise wie in dem Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, gesteuert, und der BZ-Strom wird unter Verwendung des Regulierungsventils 16 gesteuert.
4 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Steuern des BZ-Stroms während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, zeigt.
Wie in 4 dargestellt, wird), wenn sowohl das Regulierungsventil 16 als auch das Umgehungsventil 18 normal sind (Schritt S1: NEIN), der BZ-Strom vom Regulierungsventil 16 wie oben beschrieben gesteuert, und wird die Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf die Brennstoffzelle 2 und den Umgehungskanal 17 gesteuert (Schritt S2).
Andererseits funktionieren das Regulierungsventil 16 und das Umgehungsventil 18 manchmal nicht, beispielsweise weil sie eingefroren sind. Wenn solch ein Fehler im Regulierungsventil 16 und/oder im Umgehungsventil 18 vorliegt (Schritt S1: JA), steuert die Steuereinrichtung 7 den BZ-Strom durch den Kompressor 14 (Schritt S3). Das heißt, die Steuereinrichtung 7 schaltet von der Steuerung durch das Regulierungsventil 16 als standardmäßig eingerichtete Funktion auf die Steuerung durch den Kompressor 14 um, um den BZ-Strom zu steuern. Im Folgenden werden nacheinander Schaltverfahren beim Auftreten von Fehlern im Regulierungsventil 16 und im Umgehungsventil 18 beschrieben.
5 ist ein Ablaufschema, das das Schaltverfahren beim Auftreten eines Fehlers im Regulierungsventil 16 im offenen Zustand beschreibt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Ventilkörper des Regulierungsventils 16, wenn der Fehler des Regulierungsventils 16 im offenen Zustand vorliegt, sich nicht in einer Schließungsrichtung bewegen kann, und dass dieser Zustand nicht auf den vollständig geöffneten Zustand des Regulierungsventils 16 beschränkt ist.
Wie in 5 dargestellt, beginnt der BZ-Strom, wenn das Regulierungsventil 16 den BZ-Strom steuert und der Fehler des Regulierungsventils 16 im offenen Zustand vorliegt, über den Sollwert hinaus zu steigen (Zeit t₁). Der Grund dafür ist, dass die Rate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 strömt, steigt. Wenn der erhöhte BZ-Strom vom Stromsensor 9 erfasst wird und eine Abweichung des elektrischen Stroms in den Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 zurückgeführt wird, weist der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 eine Schließungsrichtung (d. h. einen Öffnungsgrad von 0%) auf. (Zeit t₁ → t₂). Infolgedessen soll die Rate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 strömt, sinken, und die Strömungsrate der Umgehungsluft soll steigen. Da das offene, fehlerhafte Regulierungsventil 16 jedoch nicht funktioniert, nimmt die Menge der Umgehungsluft nicht zu, und die Zunahme des BZ-Stroms wird nicht verhindert (Zeit t₁ → t₂).
Wenn der erhöhte BZ-Strom einen Stromschwellenwert überschreitet, stellt die Steuereinrichtung 7 fest, dass das Regulierungsventil 16 den Fehler im offenen Zustand aufweist (Zeit t₂). Nach dieser Feststellung startet die Steuereinrichtung 7 den Schaltungsablauf. Beim Schaltungsablauf wird zuerst das Antreiben des Motors 14 des Kompressors 14 angehalten (Zeit t₂). Wenn das Antreiben des Kompressors 14 zur Stoppseite wechselt, wird die Zufuhr an Oxidierungsgas blockiert, und somit beginnt der BZ-Strom zu sinken (Zeit t₂ → t₃). Nachdem der Kompressor 14 angehalten wurde, sinkt anschließend der BZ-Strom unter den Sollwert (Zeit t₃). Gleichzeitig wird die Abweichung des elektrischen Stroms in den Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 zurückgeführt, und der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 zeigt eine Öffnungsrichtung an (Zeit t₃). Der Grund dafür ist, dass die Steuereinrichtung 7 das Regulierungsventil 16 öffnet, um die Rate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird, zu erhöhen. Da das offene, fehlerhafte Regulierungsventil 16 jedoch nicht funktioniert, sinkt der BZ-Strom weiter, und der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils beginnt ebenfalls auf einen Öffnungsgrad von 100% zu steigen (Zeit t₃ → t₄).
Wenn der erhöhte Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 einen Schwellenwert (z. B. einen Öffnungsgrad von 80%) überschreitet, startet die Steuereinrichtung 7 den Motor 14a, um das Antreiben des Kompressors 14 wieder aufzunehmen (Zeit t4). Infolgedessen kann der gesunkene BZ-Strom auf den Sollwert erhöht werden (Zeit t₄ → t₅). Wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 einen Öffnungsgrad von 100% erreicht (Zeit t₅), beendet die Steuereinrichtung 7 darüber hinaus den Schaltungsablauf und startet die Steuerung des BZ-Stroms durch die Steuerung der Drehzahl des Motors 14a, so dass der BZ-Strom den Sollwert erreicht. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung 7 auch den Befehlswert der Drehzahl des Motors 14 unter Verwendung der Abweichung des elektrischen Stroms (eines Unterschieds zwischen dem Wert des BZ-Stroms, der vom Stromsensor 9 erfasst wird, und dem Sollwert) korrigieren kann.
Nun wird das Schaltverfahren bei Vorliegen eines Fehlers des Umgehungsventils 18 in einem geschlossenen Zustand mit Bezug auf 6 beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einem Fehler des Umgehungsventils 18 im geschlossenen Zustand ein Ventilkörper des Umgehungsventils 18 sich nicht in einer Öffnungsrichtung bewegen kann, und dass dieser Zustand nicht auf den vollständig geschlossenen Zustand des Umgehungsventils 18 beschränkt ist.
Wie in 6 dargestellt, beginnt der BZ-Strom über den Sollwert hinaus zu steigen (Zeit t₁), wenn das Regulierungsventil 16 den BZ-Strom steuert und der Fehler des Umgehungsventils 18 im geschlossenen Zustand vorliegt. Der Grund dafür ist, dass die Rate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 strömt, steigt. Dann wird die Abweichung des elektrischen Stroms auf die gleiche Weise wie oben beschrieben in den Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 zurückgeführt, um die Schließungsrichtung (z. B. einen Öffnungsgrad von 0%) zu erreichen (Zeit t₁ → t₂). Da das geschlossene, fehlerhafte Umgehungsventil 18 jedoch nicht funktioniert, steigt der BZ-Strom, und der Abgabedruck des Kompressors 14 steigt (Zeit t₁ → t₂). Der Abgabedruck wird vom Drucksensor P1 erfasst wie oben beschrieben.
Wenn der erhöhte Abgabedruckwert einen Druckschwellenwert überschreitet, stellt die Steuereinrichtung 7 fest, dass das Umgehungsventil 18 den Fehler im geschlossenen Zustand aufweist (Zeit t₂). Der Grund dafür, dass die Erfassung des Fehlers des Umgehungsventils 18 unter Verwendung des Drucksensors P1 übernommen wird, ist hier, dass das Verfahren das Gleiche wird wie das Fehlererfassungsverfahren des Regulierungsventils 16, und es schwierig ist, exakt zu feststellen, ob der Fehler im Regulierungsventil 16 oder im Umgehungsventil 18 vorliegt, auch wenn der Stromsensor 9 verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Fehler des Umgehungsventils 18 unter Verwendung des Drucksensors P1 erfasst, und der Fehler des Regulierungsventils 16 wird unter Verwendung des Stromsensors 9 erfasst, so dass die Erfassung der Fehler beider Ventile exakt festgestellt werden kann. Der Sensor wird auf diese Weise angesichts der Tatsache ausgewählt, dass in einem Fall, in dem das Umgehungsventil 18 den Fehler im geschlossenen Zustand aufweist (im Fall von 6), der Anstieg des BZ-Stroms im Vergleich zu einem Fall, in dem das Regulierungsventil 16 den Fehler im offenen Zustand aufweist, minimal ist, während das Anstiegsverhältnis des Abgabedrucks steigt.
In einem Fall, in dem die Steuereinrichtung 7 feststellt, dass das Umgehungsventil 18 den Fehler im geschlossenen Zustand aufweist, startet die Steuereinrichtung 7 den Schaltungsablauf und unterbricht das Antreiben des Motors 14a des Kompressors 14 (Zeit t₂). Dann beginnen der Abgabedruck und der BZ-Strom zu sinken (Zeit t₂ → t₃). Wenn der BZ-Strom unter den Sollwert fällt (Zeit t₃), wird die Abweichung des elektrischen Stroms auf die gleiche Weise wie oben beschrieben in den Öffnungsgrad-Sollwert zurückgeführt, und die Öffnungsrichtung wird erreicht (nach der Zeit t₃). Wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 weiter auf einen Öffnungsgrad von 100% steigt (Zeit t₃ → t₄), und der erhöhte Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 einen Schwellenwert überschreitet (z. B. einen Öffnungsgrad von 80%), startet die Steuereinrichtung 7 den Motor 14a, um das Antreiben des Kompressors 14 wieder aufzunehmen (Zeit t₄).
Wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16 einen Öffnungsgrad von 100% erreicht (Zeit t₅), startet die Steuereinrichtung 7 anschließend die Steuerung des BZ-Stroms durch die Steuerung der Drehzahl des Motors 14a. Infolgedessen wird der Schaltungsablauf abgeschlossen. Danach erreicht der BZ-Strom den Sollwert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung 7 auch den Befehlswert für die Drehzahl des Motors 14a unter Verwendung der Abweichung des elektrischen Stroms (des Unterschieds zwischen dem Wert des BZ-Stroms, der vom Stromsensor 9 erfasst wird, und dem Sollwert) korrigieren kann.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform selbst dann, wenn der Fehler im Regulierungsventil 16 oder im Umgehungsventil 18 während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, vorliegt, auf den Kompressor 14 als Betätigungseinrichtung, die den BZ-Strom steuert, umgeschaltet. Daher kann der BZ-Strom kontinuierlich gesteuert werden, und der Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, kann aufrechterhalten werden. Während des Umschaltens der Steuerung auf den Kompressor 14 wird der Kompressor 14 darüber hinaus zunächst angehalten und dann angetrieben. Infolgedessen können der BZ-Strom, die BZ-Luftströmungsrate und der Abgabedruck, die aufgrund des Vorliegens des Fehlers gestiegen sind, gesenkt werden. Daher kann die Steuerung problemlos auf die anschließende Steuerung des BZ-Stroms durch den Kompressor 14 umgeschaltet werden. Ferner kann der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils 16, welcher der Rückführungssteuerung unterzogen wurde, als Auslöser für die Wiederaufnahme des Antreibens des Kompressors 14 verwendet werden. Wenn dagegen das Regulierungsventil 16 und das Umgehungsventil 18 während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, normal sind, können die Umgehungsluftströmungsrate und die BZ-Luftströmungsrate auf angemessene Weise der Gasstromteilungs-Steuerung durch diese Ventile unterzogen werden, und außerdem kann der BZ-Strom durch die Ventile gesteuert werden.
Modifikation
Falls festgestellt wird, dass ein Regulierungsventil 16 und ein Umgehungsventil 18 Fehler aufweisen (Zeit t₂ von 5 und 6), kann, statt den Kompressor 14 anzuhalten, dieser in einer Stopprichtung angetrieben werden, und die Menge des Oxidierungsgases, die vom Kompressor 14 abgeführt wird, kann gesenkt werden, um einen BZ-Strom zu senken.
Das Umschalten von der Steuerung des BZ-Stroms durch das Regulierungsventil 16 auf die Steuerung des BZ-Stroms durch den Kompressor 14, die beispielsweise in 5 und 6 dargestellt ist, kann nicht nur während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, sondern auch während eines Normalbetriebs durchgeführt werden.
Das Umgehungsventil 18 ist nicht auf einen Fall beschränkt, wo das Ventil in einem Umgehungskanal 17 vorgesehen ist, und kann auch an einem Verbindungsabschnitt B vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Umgehungsventil 18 aus einem Drehventil bestehen.

Claims

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2); einen Zufuhrkanal (11), durch den Oxidierungsgas, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt werden soll, strömt; eine Zufuhreinrichtung (14), die im Zufuhrkanal (11) vorgesehen ist, um das Oxidierungsgas unter Druck zur Brennstoffzelle (2) zu liefern; einen Abfuhrkanal (12), durch den Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle (2) abgeführt wird, strömt; und einen Umgehungskanal (17), der den Zufuhrkanal (11) mit dem Abfuhrkanal (12) verbindet, so dass das Oxidierungsgas unter Umgehung der Brennstoffzelle (2) strömt, wobei das Brennstoffzellensystem (1) ferner aufweist: ein Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) zum Anpassen einer Aufteilung des Oxidierungsgasstroms auf den Umgehungskanal (17) und die Brennstoffzelle (2); und eine Steuereinrichtung (7), welche die Zufuhreinrichtung (14) und das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie von einer Steuerung des von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Stroms durch Steuern des Strömungsteilungs-Anpassungsmittels (16, 18) auf eine Steuerung des von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Stroms durch die Zufuhreinrichtung (14) umschaltet, wenn während eines Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist und bei dem der Leistungsverlust höher ist als beim Normalbetrieb, ein Fehler im Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) vorliegt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) derart ausgestaltet ist, dass es während eines Normalbetriebs verhindert, dass der Oxidierungsgasstrom zum Umgehungskanal (17) abgeteilt wird, und während des Betriebs, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist, die Strömungsrate des Oxidierungsgases, das zum Umgehungskanal (17) abgeteilt werden soll, anpasst.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Strömungsteilungs-Anpassungsmittel (16, 18) aufweist: ein Regulierungsventil, das den Druck, mit dem das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle (2) geliefert wird, anpasst; und ein Umgehungsventil, das die Strömungsrate des Oxidierungsgases, das zur Seite stromabwärts vom Umgehungskanal (17) abgeteilt werden soll, anpasst, und wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie die Steuerung des von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Stroms von einer Steuerung durch das Regulierungsventil auf eine Steuerung durch die Zufuhreinrichtung (14) umschaltet, wenn ein Fehler im Regulierungsventil und/oder im Umgehungsventil während des Betriebs auftritt, bei dem der Wirkungsgrad niedrig ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie die Zufuhreinrichtung (14) zunächst anhält und dann wieder antreibt, wenn sie auf die Steuerung durch die Zufuhreinrichtung (14) umschaltet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie unter Verwendung verschiedener Sensoren feststellt, ob der Fehler im Regulierungsventil oder im Umgehungsventil auftritt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, ferner aufweisend: einen Stromsensor, der den von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Strom erfasst, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie, wenn ein vom Stromsensor erfasster Wert einen Schwellenwert überschreitet, feststellt, dass der Fehler des Regulierungsventils in einem offenen Zustand vorliegt, und die Zufuhreinrichtung (14) zunächst anhält.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Steuerung durch die Rückführung des vom Stromsensor erfassten Werts in einen Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils durchführt, und die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie das Antreiben der zunächst angehaltenen Zufuhreinrichtung (14) startet, wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils einen Schwellenwert überschreitet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, ferner aufweisend: einen Drucksensor, der einen Druck, mit dem das Oxidierungsgas von der Zufuhreinrichtung (14) abgegeben wird, erfasst, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie feststellt, dass der Fehler des Umgehungsventils in einem geschlossenen Zustand vorliegt, wenn ein vom Drucksensor erfasster Wert einen Schwellenwert überschreitet, und die Zufuhreinrichtung (14) zunächst anhält.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, ferner aufweisend: einen Stromsensor, der den von der Brennstoffzelle (2) ausgegebenen elektrischen Strom erfasst, wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Steuerung durch die Rückführung eines vom Stromsensor erfassten Werts in einen Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils durchführt, und die Steuereinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie das Antreiben der zunächst angehaltenen Zufuhreinrichtung (14) startet, wenn der Öffnungsgrad-Sollwert des Regulierungsventils einen Schwellenwert überschreitet.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Regulierungsventil im Abfuhrkanal (12) vorgesehen ist, und das Umgehungsventil im Umgehungskanal (17) vorgesehen ist.