DE112008000976T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle, die anhand eines zugeführten Reaktionsgases elektrische Leistung erzeugt;
ein Gasanpassungsmittel, das einen Zustand des zur Brennstoffzelle gelieferten Reaktionsgases anpasst; und
eine Steuereinrichtung, die einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle durch Steuern des Gasanpassungsmittels steuert, um einen Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle zu ändern,
wobei die Steuereinrichtung eine Beschränkung für den Umfang einer Stromänderung und den Umfang einer Spannungsänderung pro Zeiteinheit setzt, wenn sie einen Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle im Bereich einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad, in dem die Verlustleistung größer ist als bei der normalen Leistungserzeugung, ändert.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und genauer ein Brennstoffzellensystem, das dafür ausgelegt ist, eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit geringem Wirkungsgrad durchzuführen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Festpolymer-Brennstoffzelle, die in einem Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug oder dergleichen installiert ist, erzeugt elektrische Leistung aus einer chemischen Reaktion zwischen einem Brenngas, das Wasserstoff enthält, und einem Oxidierungsgas (im Folgenden mit dem Überbegriff „Reaktionsgase” bezeichnet). Ein für die Erzeugung elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle optimaler Temperaturbereich ist bekanntlich 70 bis 80°C. Jedoch kann die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle eine elektrische Soll-Leistung nicht erreichen, bis dieser Temperaturbereich erreicht wurde, und es gibt Fälle, wo Ausrüstung (wie ein Motor) nicht so angesteuert werden kann, wie es erforderlich wäre. Es kann auch sein, dass es lange dauert, bis der optimale Temperaturbereich nach einem Starten der Brennstoffzelle erreicht wird, je nachdem, in welcher Umgebung diese verwendet wird, beispielsweise bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.
  • Vor diesen Hintergrund ist das in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-313388 offenbarte Brennstoffzellensystem dafür ausgelegt, bei niedrigen Temperaturen eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle schnell erhöht wird. Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad bezeichnet eine Leistungserzeugung, die im Vergleich zu einer normalen Leistungserzeugung mit einer hohen Verlustleistung einhergeht. Anders ausgedrückt bezeichnet Leistungserzeugung der Brenn stoffzelle mit niedrigem Wirkungsgrad eine Leistungserzeugung, bei der der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung niedriger eingestellt ist als bei einer normalen Leistungserzeugung, so dass ein Selbsterwärmungswert im Vergleich zur normalen Leistungserzeugung erhöht ist. Dieses Brennstoffzellensystem wendet ein Verfahren an, bei dem der Druck und die Strömungsrate des Reaktionsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, nicht ausreichen, um so die Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad durchführen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Falls jedoch der Strom sich stark ändert, wenn ein Antriebsbetriebspunkt (Strom und Spannung) einer Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad geändert wird, dann wird der Steuerwert von Zubehör bzw. Hilfsausrüstung (z. B. von einem Luftkompressor oder einem Luftregulierungsventil), das bzw. die den Zustand des Reaktionsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, anpasst, instabil, was ungünstigerweise dazu führt, dass die Verlustleistung in der Hilfsausrüstung schwankt. Ebenso bewirkt eine starke Änderung der Spannung ungünstigerweise, dass eine Aufladung/Entladung einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle stattfindet. Falls dies passiert, verschlechtert sich die Ausgabegenauigkeit der Brennstoffzelle, und es kommt zu einem Pendeln des Befehlswerts einer Forderung, die an die Brennstoffzelle ausgegeben wird. Jedoch wurde im Stand der Technik, in der japanischen Patenanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-313388 , diesen Aspekten keine Aufmerksamkeit geschenkt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das dafür geeignet ist, einen Antriebsbetriebspunkt einer Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad zu ändern.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung aus einem zugeführten Reaktionsgas erzeugt, ein Gasanpassungsmittel, das den Zustand des Reaktionsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, anpasst, und eine Steuereinrichtung, die einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle durch Steuern des Gasanpassungsmittels steuert und die den Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle ändert. Die Steuereinrichtung setzt eine Beschränkung für den Umfang der Stromänderung und/oder der Spannungsänderung pro Zeiteinheit, wenn der Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle sich im Bereich einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad, in dem die Verlustleistung höher ist als bei einer normalen Leistungserzeugung, ändert.
  • Durch die Beschränkung des Umfangs der Stromänderung kann beispielsweise verhindert werden, dass der Steuerwert des Gasanpassungsmittels instabil wird und es deshalb zu Schwankungen der Verlustleistung in der Ausrüstung kommt. Durch die Beschränkung des Umfangs der Spannungsänderung kann außerdem die Aufladung/-Entladung einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle beschränkt werden. Durch die Anwendung eines solchen Ratenprozesses auf den Strom oder die Spannung kann somit die Ausgabegenauigkeit der Brennstoffzelle gewährleistet werden, wenn der Antriebsbetriebspunkt im Bereich der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad geändert wird.
  • Vorzugsweise berechnet die Steuereinrichtung einen Soll-Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle auf der Basis eines benötigten Ausgangswerts und eines benötigten Selbsterwärmungswerts der Brennstoffzelle und bestimmt einen nächsten Antriebsbetriebspunkt, der durchlaufen wird, wenn der Antriebsbetriebspunkt von einem aktuellen Antriebsbetriebspunkt in den Soll-Antriebsbetriebspunkt geändert wird, so dass der errechnete Soll-Antriebsbetriebspunkt nicht über- oder unterschritten wird.
  • Diese Anordnung macht das Erhöhen oder Senken eines Ausgangsstroms oder einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in aufeinander folgenden Schritten, um vom aktuellen Antriebsbetriebspunkt zum Soll-Antriebsbetriebspunkt zu wechseln, überflüssig.
  • Ferner wählt die Steuereinrichtung vorzugsweise einen Antriebsbetriebspunkt, mit dem ein benötigter Ausgangswert der Brennstoffzelle erreicht werden kann, als nächsten Antriebsbetriebspunkt aus.
  • Ferner sorgt die Steuereinrichtung vorzugsweise dafür, dass der benötigte Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle erreicht wird, und ändert dann den Antriebsbetriebspunkt vom nächsten Antriebsbetriebspunkt in den Soll-Antriebsbetriebspunkt unter Beibehaltung des benötigten Ausgangswerts.
  • Durch diese Anordnung kann der Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle geändert werden, während die benötigte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beibehalten wird.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Modus wählt die Steuereinrichtung, falls sie als nächsten Antriebsbetriebspunkt keinen Antriebsbetriebspunkt auswählen kann, mit dem der benötigte Ausgangswert der Brennstoffzelle erreicht werden kann, einen Antriebsbetriebspunkt aus, mit dem ein Ausgangswert erreicht werden kann, der am nächsten an einem benötigten Ausgangswert liegt.
  • Durch diese Anordnung kann die Ausgangsleistungsforderung an die Brennstoffzelle beim nächsten Antriebsbetriebspunkt, der einmal durchlaufen wird, so weit wie möglich erfüllt werden.
  • Vorzugsweise weist das Gasanpassungsmittel eine Zufuhreinrichtung, die ein Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, und/oder ein Regulierungsventil auf, das den Druck eines Oxidierungsabgases, das aus der Brennstoffzelle ausgeführt wird, reguliert.
  • Ferner steuert die Steuereinrichtung vorzugsweise das Gasanpassungsmittel derart, dass der Volumenstrom und/oder der Druck, mit dem bzw. denen das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert wird, während einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad im Vergleich zur normalen Leistungserzeugung sinkt bzw. sinken.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Blockschema, das einen Hauptabschnitt eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform darstellt.
  • 2A und 2B sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer ausgegebenen elektrischen Leistung und einer elektrischen Verlustleistung einer Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform darstellen, wobei 2A den Fall einer normalen Leistungserzeugung darstellt, während 2B den Fall einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad darstellt.
  • 3 ist ein Diagramm, das Änderungen in BZ-Ausgangsleistungen darstellt, die gemäß dieser Ausführungsform während eines Betriebs auftreten, während dem der Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle verschoben wird.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das den Prozess des Verschiebens des Antriebsbetriebspunkts der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform darstellt.
  • 5 ist ein Schema, das ein Verfahren zum Verschieben des Antriebsbetriebspunkts der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform darstellt.
  • 6 ist ein Schema, das ein Verfahren zum Verschieben des Antriebsbetriebspunkts einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel darstellt.
  • 7 ist ein Ablaufschema, das den Prozess des Verschiebens des Antriebsbetriebspunkts der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel darstellt.
  • Beste Weise der Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
  • A. Vorliegende Ausführungsform
  • 1 ist ein Schema, das den Aufbau eines Hauptabschnitts eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die vorliegende Ausführungsform geht von einem Brennstoffzellensystem aus, das in einem Fahrzeug installiert ist, beispielsweise einem FCHV (Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug), einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug; das Brennstoffzellensystem kann jedoch nicht nur auf Fahrzeuge angewendet werden, sondern auch auf eine Reihe von anderen mobilen Körpern (z. B. ein Schiff, ein Flugzeug oder einen schreitenden Roboter) oder auf eine stationäre Elektrizitätsversorgung.
  • Eine Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (einem Brenngas und einem Oxidierungsgas), und es gibt verschiedene Arten davon, einschließlich von Festpolymer-, Phosphorsäure- und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelle 40 weist eine Stapelstruktur auf, die durch Stapeln einer Reihe von mehreren Brennstoffzellen, die eine MEA oder dergleichen aufweisen, gebildet wird. Eine Ausgangsspannung (im Folgenden als „BZ-Spannung” bezeichnet) und ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 40 (im Folgenden als „BZ-Strom” bezeichnet) werden von einem Spannungssensor 140 bzw. einem Stromsensor 150 erfasst. Eine ausgegebene elektrische Leistung der Brennstoffzelle 40 (im Folgenden als „BZ-Ausgangsleistung” bezeichnet) wird durch Multiplizieren der BZ-Spannung mit dem BZ-Strom erhalten.
  • Ein Brenngas-Zufuhrsystem 10 liefert ein Brenngas, wie Wasserstoffgas, zu einer Brennstoffelektrode in der Brennstoffzelle 40. Das Brenngas-Zufuhrsystem 10 weist beispielsweise einen Wasserstofftank 12, ein Ventil 13, eine Umwälzpumpe 14 und ein Spülventil 15 auf. Unter anderem werden der Öffnungsgrad und die EIN/AUS-Zeit des Ventils 13 im Brenngas-Zufuhrsystem 10 gemäß einem Befehl von einer Steuereinrichtung 80 angepasst, wodurch die Menge des Brenngases oder der Druck, mit dem das Brenngas zur Brennstoffzelle 40 geliefert wird, eingestellt wird bzw. werden. Das Brenngas wird von der Umwälzpumpe 14 zur Brennstoffzelle 40 geliefert und nach außen abgeführt, wenn das Spülventil 15 offen ist.
  • Ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 70 liefert ein Oxidierungsgas, wie Luft, zu einer Luftelektrode in der Brennstoffzelle 40. Das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 70 weist beispielsweise einen Luftkompressor 72 und ein Regulierungsventil 73 als Gasanpassungsmittel für das Oxidierungsgas auf. Unter anderem wird die Drehzahl des Motors, bei dem es sich um eine Antriebsquelle handelt, im Luftkompressor 72 gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 80 angepasst, wodurch die Menge des Oxidierungsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, gesteuert wird. Ferner wird der Öffnungsgrad des Regulierungsventils 73 gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 80 angepasst, wodurch der Druck des Oxidierungsgases, das der Brennstoffzelle 40 zugeführt werden soll, gesteuert wird.
  • Eine Batterie (eine elektrische Speichereinrichtung) 60 ist eine Sekundärzelle, die aufgeladen und entladen werden kann und die beispielsweise aus einer Nickelhydridbatterie besteht. Anstelle der Batterie 60 kann auch ein aufladbarer/entladbarer elektrischer Kondensator (z. B. ein kapazitiver Kondensator), der keine Sekundärzelle ist, vorgesehen werden. Die Batterie 60 ist über einen DC/DC- bzw. Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 130 parallel mit der Brennstoffzelle 40 verbunden.
  • Ein Wechselrichter 110 ist beispielsweise ein PWM-Wechselrichter nach dem Impulsbreiten-Modulationsverfahren. Der Wechselrichter 110 wandelt gemäß einem Steuerbefehl von der Steuereinrichtung 80 einen Gleichstrom, der von der Brennstoffzelle 40 oder der Batterie 60 ausgegeben wird, in einen Dreiphasen-Wechselstrom um und liefert den Dreiphasen-Wechselstrom zu einem Fahrmotor 115. Der Fahrmotor 115 ist dafür ausgelegt, Räder 116L und 116R anzutreiben, deren Drehzahl vom Wechselrichter 110 gesteuert wird. Der Fahrmotor 115 und der Wechselrichter 110 sind an einer Seite der Brennstoffzelle 40 angeschlossen.
  • Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 130 hat eine Funktion, die eine Gleichspannung, die von der Batterie 60 eingegeben wird, erhöht oder senkt und die erhöhte oder gesenkte Gleichspannung an den Wechselrichter 110 ausgibt, und eine Funktion, die eine Gleichspannung, die von der Brennstoffzelle 40 oder dergleichen eingegeben wird, erhöht oder senkt und die erhöhte oder gesenkte Gleichspannung an die Batterie 60 ausgibt. Durch eine Funktion des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 130 werden das Aufladen/Entladen der Batterie 60 implementiert und die BZ-Spannung der Brennstoffzelle 2 gesteuert. Ein unterer Grenzwert der BZ-Spannung darf dabei so niedrig sein wie ein Steuerungsgrenzwert für den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 130.
  • Zubehör bzw. Hilfsausrüstung 120, wie Fahrzeug-Hilfsausrüstung und BZ-Hilfsausrüstung, ist über einen (nicht dargestellten Wechselrichter) zwischen die Batterie 60 und den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 130 geschaltet. Die Batterie 60 dient als Leistungsquelle für die Hilfsausrüstung 120. Fahrzeug-Hilfsausrüstung steht für verschiedene elektrische Geräte (Beleuchtungsausrüstung, Klimaanlagenausrüstung, eine Hydraulikpumpe und dergleichen), die verwendet werden, wenn das Fahrzeug betrieben wird. BZ-Hilfsausrüstung steht für verschiedene elektrische Geräte, die oben beschrieben wurden, wie das Ventil 13, die Umwälzpumpe 14, den Luftkompressor 72 und das Regulierungsventil 73, die für den Betrieb der Brennstoffzelle 40 verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform können jedoch der Fahrmotor 115 und der Wechselrichter 110 an einer Seite der Batterie 60 angeschlossen sein.
  • Die Steuereinrichtung 80 ist als Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, einen ROM und einen RAM enthält. Die CPU führt eine gewünschte Berechnung gemäß einem Steuerprogramm durch, um verschiedenartige Prozesse und Steuerungen auszuführen, wie eine Änderung des Antriebsbetriebspunkts der Brennstoffzelle 40, die später beschrieben wird. Im ROM sind ein Steuerprogramm und Steuerdaten, die von der CPU verarbeitet werden müssen, gespeichert. Der RAM wird hauptsächlich für verschiedene Arbeitsbereiche für Steuerprozesse verwendet.
  • Die Steuereinrichtung 80 empfängt Sensorsignale hauptsächlich von einem Spannungssensor 140, einem Stromsensor 150, einem Temperatursensor 50, der die Temperatur der Brennstoffzelle 40 erfasst, einem SOC-Sensor, der den Ladungszustand der Batterie 60 erfasst, einem externen Temperatursensor, der eine Temperatur der Umgebung erfasst, in der sich das Brennstoffzellensystem 1 befindet, und einem Gaspedalsensor, der den Öffnungsgrad des Gaspedals eines Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeugs erfasst. Dann steuert die Steuereinrichtung 80 jeden Abschnitt des Systems zentral und auf der Basis der Sensorsignale. Genauer verschiebt die Steuereinrichtung 80 in einem Fall, wo die Brennstoffzelle 40 z. B. bei einem Starten bei niedrigen Temperaturen schnell aufgewärmt werden muss, unter Verwendung verschiedener Kennfelder, die im ROM gespeichert sind, den Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle 40 und führt einen Leistungserzeugungsbetrieb mit geringem Wirkungsgrad durch.
  • Unter Bezug auf 2A und 2B wird nun der Antriebsbetriebspunkt (Strom und Spannung) der Brennstoffzelle 40 ausführlich beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird der Antriebsbetriebspunkt einfach als „Betriebspunkt” abgekürzt.
  • 2A und 2B sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer BZ-Ausgangsleistung Pbz und einer Verlustleistung Ploss, wenn die Brennstoffzelle 40 an verschiedenen Betriebspunkten betrieben wird, darstellen, wobei die Achse der Abszissen einen BZ-Strom Ibz darstellen und die Achsen der Ordinaten eine BZ-Spannung Vbz darstellen. Ferner bezeichnet OCV (Open Circuit Voltage bzw. Leerlaufspannung) in 2A und 2B eine Spannung bei fehlendem Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 40, und Vth bezeichnet eine theoretische elektromotorische Spannung der Brennstoffzelle 40. Wenn beispielsweise die Brennstoffzelle 40 vierhundert Brennstoffzellen aufweist, dann ist OCV 400 V und Vth ist 492 V bei einer theoretischen elektromotorischen Zellenspannung von 1,23 V. Es wird angenommen, dass die Spannung, die der tatsächlichen Gesamtenergie entspricht, im Bereich von 1,25 V bis 1,48 V liegt. Wenn jedoch angenommen wird, dass keine externe Wärmeabstrahlung vorliegt, dann kann der genannte theoretische Wert zutreffen.
  • Die Brennstoffzelle 40, die die Strom/Spannung-Kennlinie (nachstehend als „IV-Kennlinie” bezeichnet) aufweist, die in 2A und 2B dargestellt ist, wird im Allgemeinen bei einem Betriebspunkt Q1(Ibz1, Vbz1) mit einer geringen Verlustleistung Ploss in Bezug auf die BZ-Ausgangsleistung Pbz) betrieben (siehe 2A). Jedoch muss die Innentemperatur der Brennstoffzelle 40 erhöht werden, wenn die Brennstoffzelle 40 schnell aufgewärmt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Betrieb so durchgeführt, dass der Betriebspunkt zu einem Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) verschoben wird, bei dem die Verlustleistung Ploss hoch ist, während die notwendige BZ-Ausgangsleistung Pbz sichergestellt wird (siehe 2B). Die Verlustleistung Ploss wird aktiv als Wärmeenergie verwendet, um eine Selbsterwärmung der Brennstoffzelle 40 zu bewirken, wodurch deren Innentemperatur erhöht wird.
  • Die Beziehung zwischen der BZ-Ausgangsleistung Pbz und der Verlustleistung Ploss an jedem in 2A und 2B dargestellten Betriebspunkt ist wie nachstehend beschrieben.
  • <Für den Betriebspunkt Q1(Ibz1, Vbz1)>
    • Ibz1 × Vbz1 = Pbz1 (3)
    • Ibz1 × Vth – Pbz1 = Ploss1 (4)
  • <Für den Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2)>
    • Ibz2 × Vbz2 = Pbz2 (5)
    • Ibz2 × Vth – Pbz2 = Ploss2 (6)
  • <Beziehung zwischen BZ-Ausgangsleistung Pbz und Verlustleistung Ploss>
    • Pbz1 = Pbz2 (7)
    • Ploss1 < Ploss2 (8)
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Änderung der BZ-Ausgangsleistung Pbz darstellt, wenn die Brennstoffzelle 40 betrieben wird, während der Betriebspunkt verschoben wird, wobei die Achse der Abszissen den BZ-Strom darstellt und die Achse der Ordinaten die BZ-Spannung. In 3 ist um der Einfachheit willen die Linie, die die IV-Kennlinie der Brennstoffzelle 40 darstellt (nachstehend als „IV-Linie” bezeichnet), in Form einer geraden Linie dargestellt. Ferner wird angenommen, dass die Betriebspunkte Q1(Ibz1, Vbz1) und Q2(Ibz2, Vbz2) der IV-Linie den Betriebspunkten Q1(Ibz1, Vbz1) und Q2(Ibz2, Vbz2) entsprechen, die in 2A und B dargestellt sind.
  • Wie in 3 dargestellt, ist um einen Betriebspunkt bei maximaler Ausgangsleistung (Ibzmax, Vbzmax), bei dem eine maximale BZ-Ausgangsleistung Pbzmax erhalten wird, herum die BZ-Ausgangsleistung Pbz umso höher, je geringer die BZ-Spannung Vbz an einem Betriebspunkt auf der links in dem Diagramm angegebenen IV-Linie ist, während die BZ-Ausgangsleistung Pbz umso niedriger ist, je geringer die BZ-Spannung Vbz an einem Betriebspunkt auf der rechts in dem Diagramm angegebenen IV-Linie ist.
  • Wie bereits beschrieben, nimmt die Verlustleistung Ploss zu, wenn die BZ-Spannung Vbz sinkt. Aus diesem Grund ist selbst dann, wenn die Brennstoffzelle 40 so betrieben wird, dass sie die gleiche elektrische Leistung ausgibt, die Verlustleistung Ploss bei einem Betrieb an einem Betriebspunkt (z. B. dem Betriebspunkt Q2) auf der IV-Linie, die rechts vom Betriebspunkt mit der maximalen Ausgangsleistung angegeben ist, höher als die Verlustleistung Ploss, die bei einem Betrieb (z. B. am Betriebspunkt Q1) an einem Betriebspunkt auf der IV-Linie, die links vom Betriebspunkt mit der maximalen Ausgangsleistung angegebenen ist. In der folgenden Erläuterung wird daher der Bereich, der die Betriebspunkte auf der IV-Linie, auf der die BZ-Ausgangsleistung Pbz umso höher ist, je niedriger die BZ-Spannung Vbz ist, einschließt, als der Bereich der normalen Leistungserzeugung definiert. Ferner wird der Bereich, der die Betriebspunkte auf der IV-Linie einschließt, auf der die BZ-Ausgangsleistung Pbz umso niedriger ist, je niedriger die BZ-Spannung Vbz ist, als Bereich einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad definiert.
  • Die Betriebspunkte der normalen Leistungserzeugung und der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad werden wie folgt ausgedrückt.
  • <Für die Betriebspunkte (Ibz, Vbz) bei der normalen Leistungserzeugung>
    • Ibz ≤ Ibzmax (9)
    • Vbzmax ≤ Vbz (10)
  • <Für die Betriebspunkte (Ibz, Vbz) bei der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad>
    • Ibzmax < Ibz (11)
    • Vbz < Vbzmax (12)
  • Im Falle der normalen Leistungserzeugung ist das stöchiometrische Luftverhältnis auf 1,0 oder mehr gesetzt. Stöchiometrisches Luftverhältnis bezeichnet eine Sauerstoff-Überschussrate und zeigt an, wie viel überschüssiger Sauerstoff in Bezug auf den Sauerstoff, der für eine Reaktion mit Wasserstoff ohne Überschuss oder Mangel benötigt wird, zugeführt wird. Im Falle einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad ist das stöchiometrische Luftverhältnis dagegen auf unter 1,0 gesetzt, was zu einem Zustand führt, in dem nicht genug Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 40 geliefert wird. Der BZ-Strom Ibz der Brennstoffzelle 40 wird von der Menge des Oxidierungsgases (dem stöchiometrischen Luftverhältnis) gesteuert. Die Menge des Oxidierungsgases (das stöchiometrische Luftverhältnis) wird von der Drehzahl des Motors des Luftkompressors 72 gesteuert, wie oben beschrieben.
  • Die Sollwerte (ein BZ-Strom-Sollwert Ireq und ein BZ-Spannungs-Sollwert Vreq) der Betriebspunkte bei der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad werden auf der Basis eines BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswerts Pref (d. h. eines benötigten Ausgangsleistungswerts) und eines BZ-Selbsterwärmungs-Befehlswerts Lref (d. h. eines benötigten Selbsterwärmungswerts) bestimmt, wie nachstehend dargestellt. Ireq = (Pref + Lref)/Vth (13) Vreq = Pref/Ireq = Pref/{(Pref + Lref)/Vth} (14)
  • Hierbei bezeichnet der BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref eine benötigte Leistung des Brennstoffzellensystems 100. Der BZ-Selbsterwärmungs-Befehlswert Lref bezeichnet den Heizwert, der benötigt wird, um die Brennstoffzelle 40 schnell aufzuwärmen, und wird beispielsweise unter Einbeziehung eines Erfassungsergebnisses des externen Temperatursensors oder des Temperatursensors 50 gesetzt. Falls der BZ-Aus gangsleistungs-Befehlswert Pref oder der BZ-Selbsterwärmungs-Befehlswert Lref während einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad ansprechend auf eine Forderung des Nutzers oder dergleichen geändert wird, dann ändert sich der Sollwert des Betriebspunkts der Brennstoffzelle 40. Der Sollwert eines Betriebspunkts wird vom Bereich der normalen Leistungserzeugung in den Bereich der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad und umgekehrt und in jedem Bereich geändert.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das den Prozess zur Verschiebung eines Betriebspunkts darstellt, und 5 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Verschieben des Betriebspunkts darstellt. In der folgenden Beschreibung wird ein Fall angenommen, wo ein Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 innerhalb des Bereichs der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad verschoben wird. Als Beispiel wird der Prozess zur Durchführung einer Verschiebung von einem aktuellen Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) auf einen Soll-Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3), der in 3 und 5 dargestellt ist, beschrieben. Die Kurve, die durch den in 5 dargestellten Betriebspunkt Q3 verläuft, ist eine Kurve bei gleicher Leistung, die die gleiche Leistung (BZ-Ausgangsleistung) wie der Betriebspunkt Q3 anzeigt, und hat die folgende Beziehung zum BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref. Pref = Ibz3 × Vbz3 (15)
  • Die Steuereinrichtung 80 bestimmt zuerst, ob die Brennstoffzelle 40 schnell aufgewärmt werden muss (Schritt S1). Genauer wird, wenn die vom externen Temperatursensor oder vom Temperatursensor 50 erfasste Temperatur keine niedrige Temperatur (z. B. 0°C oder darunter) ist, bestimmt, dass ein schnelles Aufwärmen unnötig ist (Nein in Schritt S1). Wenn dagegen die erfasste Temperatur eine niedrige Temperatur (z. B. 0°C oder darunter) ist, dann wird bestimmt, dass ein schnelles Aufwärmen nötig ist (Ja in Schritt S1), und der aktuelle, bzw. der Betriebspunkt zum gegenwärtigen Zeitpunkt (hier Q2(Ibz2, Vbz2)) wird überprüft (Schritt S2).
  • Anschließend leitet die Steuereinrichtung 80 einen Soll-Betriebspunkt aus dem BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref und dem BZ-Selbsterwärmungs-Befehlswert Lref ab (Schritt S3). In diesem Fall wird der Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) als Soll-Betriebspunkt abgeleitet.
  • Anschließend setzt die Steuereinrichtung 80 Beschränkungen für den Umfang einer Stromänderung ΔI und den Umfang einer Spannungsänderung ΔV vom aktuellen Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) pro Zeiteinheit (Schritt S4). Der Umfang der Stromänderung ΔI und der Umfang der Spannungsänderung ΔV werden auf Werte gesetzt, die die Kapazität des Brennstoffzellensystems 100 nicht überschreiten. Genauer wird der Umfang der Stromänderung ΔI auf eine Stromrate gesetzt, die der Ansprechempfindlichkeit des Luftkompressors 72 entspricht. Der Umfang der Spannungsänderung ΔV wird auf eine Spannungsrate gesetzt, bei der die Aufladung/Entladung einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 40 beschränkt bzw. verhindert werden kann. Durch das Setzen solcher Beschränkungen kann verhindert werden, dass der Steuerwert des Luftkompressors 72 instabil wird und dadurch Schwankungen der Motordrehzahl des Luftkompressors 72 auftreten. Ferner kann das Aufladen/Entladen der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 40 beschränkt werden.
  • Dann berechnet die Steuereinrichtung 80 einen maximalen Wert Pmax und einen minimalen Wert Pmin einer Ausgangsleistungsänderung auf der Basis des Umfangs der Stromänderung ΔI und des Umfangs der Spannungsänderung ΔV gemäß den nachstehend angegebenen Ausdrücken (15) und (16). Ferner führt die Steuereinrichtung 80 eine Berechnung des oberen Grenzwerts für die Setzung des maximalen Werts als maximalen Wert Pmax für den Änderungsumfang, und eine Berechnung des unteren Grenzwerts Pmin für die Setzung des minimalen Werts als minimalen Wert Pmin für den Änderungsumfang durch und berechnet einen betriebsfähigen Bereich Ss1 (d. h. einen zulässigen Wert für eine BZ-Ausgangsleistungsänderung), in dem Änderungen zulässig sind. Der betriebsfähige Bereich Ss1 ist der Bereich, der von dem rechteckigen Kästchen in 5 dargestellt wird. Gemäß Schritt S4 verhindert also die Steuereinrichtung 80, dass der Betriebspunkt so geändert wird, dass er außerhalb des betriebsfähigen Bereichs Ss1 liegt. Pmax = (Ibz2 + ΔI) × (Vbz2 + ΔV) (15) Pmin = (Ibz2 + ΔI) × (Vbz2 + ΔV) (15)
  • Anschließend beschränkt die Steuereinrichtung 80 den betriebsfähigen Bereich weiter auf der Basis des aktuellen Betriebspunkts und des Soll-Betriebspunkts (Schritt S5). Genauer beschränkt die Steuereinrichtung 80 die Änderungsrichtungen des Stroms und der Spannung auf der Basis des aktuellen Betriebspunkts Q2(Ibz2, Vbz2) und des Soll-Betriebspunkts Q3(Ibz3, Vbz3). Außerdem begrenzt die Steuereinrichtung 80 den beschränkten Bereich auf einen Bereich, in dem der Strom Ibz3 und die Spannung Vbz3 des Betriebspunkts Q3 weder über- noch unterschritten werden. Somit bestimmt die Steuereinrichtung 80 einen betriebsfähigen Bereich Ss2, in dem eine Änderung zulässig ist. Gemäß den oben beschriebenen Schritten S4 und S5 liegt ein Betriebspunkt, auf den der aktuelle Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) verschoben werden kann, in einem Bereich Ss3, der schraffiert dargestellt ist und in dem die betriebsfähigen Bereiche Ss1 und Ss2 einander überschneiden.
  • Jedoch liegt der Soll-Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) außerhalb des Bereichs Ss3. Die Steuereinrichtung 80 bestimmt daher einen nächsten Betriebspunkt Qa(Ibza, Vbza) im schraffierten Bereich Ss3, wobei der nächste Betriebspunkt Qa bei der Verschiebung vom Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) zum Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) durchlaufen wird. Hierbei ist der nächste Betriebspunkt Qa nicht beschränkt, solange er im Bereich Ss3 liegt. Vorzugsweise wird jedoch der nächste Betriebspunkt Qa so bestimmt, dass er ein Betriebspunkt auf der Kurve für die gleiche Leistung ist, die den BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref erfüllt. Dadurch kann der nächste Betriebspunkt Qa einen endgültigen BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref erfüllen. In diesem Fall trifft die folgende Relation zu: Ibza × Vbza = Ibz3 × Vbz3 = Pref (17)
  • Anschließend beginnt die Steuereinrichtung 80 mit dem Verschieben des Betriebspunkts, um den aktuellen Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) in den nächsten Betriebs punkt Qa(Ibza, Vbza) zu ändern (Schritt S7). Gleichzeitig steuert die Steuereinrichtung 80 die BZ-Spannung Vbz und den BZ-Strom Ibz so, dass der Betriebspunkt die kürzeste Betriebspunkt-Übergangsroute vom Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) zum Betriebspunkt Qa(Ibza, Vbza) beschreibt. Genauer steuert die Steuereinrichtung 80 die BZ-Spannung Vbz unter Verwendung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 130 derart, dass diese auf die nächste Spannung Vbza steigt. Außerdem steuert die Steuereinrichtung 80 den Luftkompressor 72, um die Menge des Oxidierungsgases zur Brennstoffzelle 40 anzupassen (hier wird die Menge des Oxidierungsgases gesenkt). Somit senkt die Steuereinrichtung 80 den BZ-Strom Ibz auf den nächsten Strom Ibza.
  • Nach der Änderung in den nächsten Betriebspunkt Qa(Ibza, Vbza) beginnt die Steuereinrichtung 80 ferner mit der Verschiebung des Betriebspunkts, um diesen vom Betriebspunkt Qa(Ibza, Vbza) in den Soll-Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) zu ändern (Schritt S8). In diesem Fall steuert die Steuereinrichtung 80 die BZ-Spannung Vbz und den BZ-Strom Ibz durch Steuern des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 130 und des Luftkompressors 72 derart, dass der Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) durch Verschieben auf der Kurve für die gleiche Leistung erreicht wird. Durch diese Steuerung wird die Änderung in den Soll-Betriebspunkt Q3(Ibz3, Vbz3) abgeschlossen, während die BZ-Ausgangsleistung Pbz der Brennstoffzelle 40 auf einem konstanten Niveau gehalten wird.
  • Wie oben beschrieben, führt das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Ratenberechnung für den Strom und die Spannung durch, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 im Bereich der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad zu ändern. Dadurch kann eine Schwankung des Leistungsverlusts von Hilfsausrüstung (eine Schwankung im Luftkompressor 72) beschränkt werden, und außerdem kann die Aufladung/Entladung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 40 beschränkt werden. Insbesondere hat der Prozess der hintereinander durchgeführten Änderungsschritte für einen Betriebspunkt eine Erhöhung oder Senkung des BZ-Stroms Ibz und der BZ-Spannung Vbz überflüssig gemacht, und die BZ-Ausgangsleistung Pbz kann gesteuert werden, statt ihr einfach ihren Lauf zu lassen, wodurch der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf ideale Weise geändert werden kann. Darüber hinaus kann die Nachvollziehbarkeit der Lufthilfsausrüstung (des Luftkompressors 72) durch ein Elektrizitätssteuersystem auf angemessene Weise gewährleistet werden.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die Beschränkung in Schritt S4 möglicherweise nur für entweder den Umfang der Stromänderung ΔI oder den Umfang der Spannungsänderung ΔV gesetzt. Anders ausgedrückt kann die Beschränkung in Schritt 4 für den Umfang der Stromänderung ΔI und/oder für den Umfang der Spannungsänderung ΔV gesetzt werden.
  • B. Modifikationsbeispiel
  • Nun wird ein Modifikationsbeispiel des Brennstoffzellensystems 100 beschrieben.
  • Erstes Modifikationsbeispiel
  • 6 ist ein Schema, das ein Verfahren für das Verschieben eines Betriebspunkts gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel zeigt, und 7 ist ein Ablaufschema, das den Prozess des Verschiebens eines Betriebspunkts gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel zeigt. In der folgenden Beschreibung wird der Fall angenommen, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 im Bereich der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad geändert wird, und die Beschreibung wird für den Prozess der Änderung eines aktuellen Betriebspunkts Q2(Ibz2, Vbz2) in einen Soll-Betriebspunkt Q4(Ibz4, Vbz4), der in 6 dargestellt ist, als Beispiel angegeben.
  • Die Steuereinrichtung 80 führt die gleichen Schritte S1 bis S5 durch wie in der obigen Ausführungsform, wie in Schritt S7 dargestellt. Beispielsweise setzt die Steuereinrichtung 80 Beschränkungen für den Umfang der Stromänderung ΔI und den Umfang der Spannungsänderung ΔV in Schritt S4, um einen betriebsfähigen Bereich Ss1 einzustellen. Ferner beschränkt die Steuereinrichtung 80 die Änderungsrichtungen des Stroms und der Spannung auf der Basis des aktuellen Betriebspunkts Q2(Ibz2, Vbz2) und des Soll-Betriebspunkts Q4(Ibz4, Vbz4) in Schritt S5 und begrenzt ferner die beschränkten Bereiche auf Bereiche, in denen der Strom Ibz4 und die Spannung Vbz4 des Betriebs punkts Q4 weder über- noch unterschritten werden. Somit bestimmt die Steuereinrichtung 80 einen betriebsfähigen Bereich Ss2, in dem eine Änderung zulässig ist. Infolgedessen liegt ein Betriebspunkt, auf den der aktuelle Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) verschoben werden kann, in einem Bereich Ss3, der schraffiert dargestellt ist und in dem die betriebsfähigen Bereiche Ss1 und Ss2 einander überschneiden.
  • Anschließend wählt die Steuereinrichtung 80 einen nächsten Betriebspunkt Qa(Ibza, Vbza) im Bereich Ss3 aus. Anders als in der vorigen Ausführungsform gibt es auf der Kurve für die gleiche Leistung jedoch keinen Betriebspunkt, der den BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref im Bereich Ss3 erfüllt. Daher kann die Steuereinrichtung keinen Betriebspunkt auswählten, der den BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref erfüllt. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 80 einen Betriebspunkt, der eine BZ-Ausgangsleistung Pbz erfüllt, die dem BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref im Bereich Ss3 am nächsten liegt, als den nächsten Betriebspunkt Qb(Ibzb, Vbzb) bestimmen (Schritt S6'). Dadurch kann der BZ-Ausgangsleistungs-Befehlswert Pref am nächsten Betriebspunkt Qb, der einmal durchlaufen wird, so weit wie möglich erfüllt werden.
  • Die Beziehung zwischen dem aktuellen Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2), dem nächsten Betriebspunkt Qb(Ibzb, Vbzb) und dem Soll-Betriebspunkt Q4(Ibz4, Vbz4) ist nachstehend dargestellt: Ibz2 < Ibzb < Ibz4 (18) Vbz2 < Vbzb = Vbz4 (19)
  • Anschließend ändert die Steuereinrichtung 80 den aktuellen Betriebspunkt Q2(Ibz2, Vbz2) in den nächsten Betriebspunkt Qb(Ibzb, Vbzb) (Schritt S7). Danach startet die Steuereinrichtung 80 ferner das Verschieben des Betriebspunkts, um die Änderung vom Betriebspunkt Qb(Ibzb, Vbzb) in den Soll-Betriebspunkt Q4(Ibz4, Vbz4) durchzuführen (Schritt S8). In jedem Fall der Verschiebungsberechnung steuert die Steuereinrichtung 80 den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 130 und den Luftkompressor 72 derart, dass die BZ-Spannung Vbz und der BZ-Strom Ibz so gesteuert werden, dass der Betriebspunkt eine kürzeste Betriebspunkt-Übergangsroute vom anfänglichen Betriebspunkt zu einem Betriebspunkt nach der Änderung beschreibt.
  • Somit kann gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel auch in dem Fall, wo der nächste Betriebspunkt nicht auf die Kurve der gleichen Leistung des Soll-Betriebspunkts Q4(Ibz4, Vbz4) gesetzt werden kann, der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 auf ideale Weise geändert werden, wie bei der vorherigen Ausführungsform.
  • Zweite Modifikation
  • In der vorherigen Ausführungsform wurde die Menge des Oxidierungsgases angepasst, um den BZ-Strom Ibz zu steuern; alternativ dazu kann jedoch der Druck des Oxidierungsgases angepasst werden, um den BZ-Strom Ibz zu steuern. Genauer kann die Steuereinrichtung 80 den BZ-Strom Ibz dadurch steuern, dass sie das Regulierungsventil derart steuert, dass der Druck des Oxidierungsgases, das zur Brennstoffzelle 40 geliefert wird, bei der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad niedriger ist als in einem normalen Leistungserzeugungsmodus.
  • Ferner kann der BZ-Strom Ibz durch Anpassen des Zustands eines Brenngases statt durch Anpassen des Zustands des Oxidierungsgases für die Brennstoffzelle 40 gesteuert werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 80 das Ventil 13 oder die Pumpe 14 steuern, um dadurch den BZ-Strom Ibz so zu steuern, dass die Brenngasmenge, die der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird, bei der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad niedriger ist als im normalen Leistungserzeugungsmodus. Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 80 das Ventil 13 steuern, um dadurch den BZ-Strom Ibz so zu steuern, dass der Druck des Brenngases, das der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird, bei der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad niedriger ist als im normalen Leistungserzeugungsmodus.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das dafür ausgelegt ist, einen Antriebsbetriebspunkt einer Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad zu ändern. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffzelle auf, die anhand von zugeführten Reaktionsgasen elektrische Leistung erzeugt, einen Luftkompressor, der die Strömungsrate des Reaktionsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, anpasst, und eine Steuereinrichtung, die einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle steuert. Die Steuereinrichtung setzt eine Beschränkung für den Umfang einer Stromänderung und/oder den Umfang einer Spannungsänderung pro Zeiteinheit, wenn sie den Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle im Bereich einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad, in dem die Verlustleistung höher ist als bei der normalen Leistungserzeugung, ändert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2002-313388 [0003, 0004]

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die anhand eines zugeführten Reaktionsgases elektrische Leistung erzeugt; ein Gasanpassungsmittel, das einen Zustand des zur Brennstoffzelle gelieferten Reaktionsgases anpasst; und eine Steuereinrichtung, die einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle durch Steuern des Gasanpassungsmittels steuert, um einen Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle zu ändern, wobei die Steuereinrichtung eine Beschränkung für den Umfang einer Stromänderung und den Umfang einer Spannungsänderung pro Zeiteinheit setzt, wenn sie einen Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle im Bereich einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad, in dem die Verlustleistung größer ist als bei der normalen Leistungserzeugung, ändert.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung einen Soll-Antriebsbetriebspunkt der Brennstoffzelle auf der Basis eines benötigten Ausgangswerts der Brennstoffzelle und eines benötigten Selbsterwärmungswerts der Brennstoffzelle berechnet und einen nächsten Antriebsbetriebspunkt, der durchlaufen wird, wenn der Antriebsbetriebspunkt aus einem aktuellen Antriebsbetriebspunkt in den Soll-Antriebsbetriebspunkt geändert wird, bestimmt, so dass der errechnete Soll-Antriebsbetriebspunkt weder über- noch unterschritten wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung einen Antriebsbetriebspunkt, der eine Ausgangswertforderung an die Brennstoffzelle erfüllt, als nächsten Antriebsbetriebspunkt auswählt.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung die Ausgangswertforderung an die Brennstoffzelle erfüllt und dann den Antriebsbetriebs punkt vom nächsten Antriebsbetriebspunkt in den Soll-Antriebsbetriebspunkt ändert, während sie den benötigten Ausgangswert beibehält.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung, wenn sie keinen Antriebsbetriebspunkt, der die Ausgangswertforderung an die Brennstoffzelle erfüllt, als nächsten Antriebsbetriebspunkt auswählen kann, einen Antriebsbetriebspunkt auswählt, der einen Ausgangswert erfüllt, der einer Ausgangswertforderung am nächsten liegt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gasanpassungsmittel eine Quelle, die ein Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, und/oder ein Regulierungsventil einschließt, das den Druck eines Oxidierungsabgases, das aus der Brennstoffzelle ausgeführt wird, regelt.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung das Gasanpassungsmittel so steuert, dass ein Zufuhrvolumen und/oder ein Zufuhrdruck des Oxidierungsgases für die Brennstoffzelle bei einer Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad niedriger ist bzw. sind als bei der normalen Leistungserzeugung.
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