DE112008001357T5

DE112008001357T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008001357T5
Application number: DE112008001357T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Toyota-shi Hamada; Hideki Toyota-shi Kubo; Hironori Toyota-shi Noto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: DE112008001357T9; WO2008146928A1; JPWO2008146928A1; DE112008001357B4; JP5003980B2; CN101558524A; CN102244282B; US9118049B2; US20100068576A1; CN102244282A

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), umfassend: eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird; eine Feststellungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, festzustellen, ob ein Betriebszustand der Brennstoffzelle einer Brenngasunterversorgung oder einer Oxidationsgasunterversorgung entspricht; eine Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts die dazu eingerichtet ist, wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Brenngasunterversorgung besteht, den unteren Spannungsgrenzwert höher einzustellen als wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Oxidationsgasunterversorgung besteht; und eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart zu steuern, daß die Ausgangsspannung gehindert wird, unter den von der Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts eingestellten unteren Spannungsgrenzwert abzusinken.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle einschließt, die eine Versorgungsmenge eines Brenngases und eines Oxidationsgases empfängt, um Leistung zu erzeugen.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel besitzt eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl von in Reihe gestapelten Zellen. Jede dieser Zellen schließt eine Membran-Elektroden-Anordnung ein, mit einer Anode, die auf einer Oberfläche der elektrolytischen Membran angeordnet ist, und einer auf deren anderer Seite angeordneten Kathode. Die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsgases zur Membran-Elektroden-Anordnung leitet eine elektrochemische Reaktion ein. Insbesondere erfordert ein fester, Polyelektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit einem festen Polymerfilm als Elektrolyt geringere Kosten, ist leicht kompakt herzustellen und bietet eine hohe Leistungsdichte. Es ist somit zu erwarten, daß der feste Polyelektrolyt-Brennstoffzellenstapel als in Fahrzeugen eingebaute Leistungsquelle benutzt wird.
Um ein Brennstoffzellensystem zu betreiben, müssen die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels und die Temperatur in dessen Innerem genau gehandhabt werden, um einen Fehler der Leistungserzeugung, wie eine durch Überflutung verursachte Verknappung der Versorgung mit Reaktionsgas oder eine Erhöhung des Widerstands durch eine trockene elektrolytische Membran. Somit erfordert der Leistungserzeugungszustand der Zellen eine überwachende Handhabung, um ausreichend Leistung zur Verfügung zu stellen. Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 7-63020 bezieht sich auf ein Schema zur Betriebssteuerung, um das Elektrodenpotential davor zu schützen, eine obere Spannungsgrenze zu überschreiten, während die Zellenspannung davor bewahrt wird, eine untere Spannungsgrenze zu unterschreiten (das Elektrodenpotential bezieht sich auf das Potential sowohl von Anode als auch Kathode, und die Zellenspannung bezieht sich auf das Potential der Kathode in Bezug auf die Anode). Wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit einem hohen Potential fortgesetzt wird, bei dem sich das Elektrodenpotential im Oxidationsbereich befindet, kann ein Katalysator ionisiert und eluiert werden. Somit ist die obere Spannungsgrenze dadurch bestimmt, daß das Elektrodenpotential daran gehindert wird, so weit anzusteigen, daß es den Katalysator schädigt. Des weiteren kann eine Schwächung des Katalysators oder dergleichen auftreten, die die Durchführung der Leistungserzeugung beeinträchtigt, wenn die Leistungserzeugung fortgesetzt wird, während einige der Zellen ein entgegengesetztes Potential anbieten (bei dieser Erscheinung ist das Anodenpotential höher als das Kathodenpotential). Deshalb ist die untere Spannungsgrenze dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mögliches entgegengesetztes Potential verhindert.

[Patent Dokument 1] Japanische Patentveröffentlichung Nr. 7-63020

Offenbarung der Erfindung
Jedoch kann mit dem konventionellen Betriebsschema ein tolerierbarer Bereich der Leistungserzeugung nicht flexibel in Abhängigkeit von einem Reduktionsfaktor der Zellenspannung geändert werden, weil die untere Spannungsgrenze einen vorgegebenen festen Wert aufweist. Unvorteilhafterweise ist der tolerierbare Bereich der Leistungserzeugung fixiert.
Zudem ist, falls ein Brennstoffzellenstapel betrieben wird, der aus einer Mehrzahl in Reihe gestapelter Zellen besteht, der vollständige Ausgleich der Effienz der Leistungserzeugung und der Konditionen aller Zellen schwierig. Wenn die Betriebsbedingungen sich verschlechtern, weil die Protonenleitfähigkeit aufgrund einer Austrockungserscheinung, der Verknappung der Versorgung mit Reaktionsgas oder dergleichen abnimmt, nimmt die Zellenspannung in Zellen mit geringer Leistungserzeugungseffizienz oder in untauglichem Zustand ab. Unter den Faktoren der Abnahme der Zellenspannung kann eine Verknappung des Brenngases den Brennstoffzellenstapel elektrochemisch schädigen. Wenn der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Verknappung des Oxidationsgases ist, wird der Brennstoffzellenstapel vor einer elektrochemischen Schädigung bewahrt.
Mit dem konventionellen Schema ist jedoch die Feststellung schwierig, ob der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Verknappung des Brenngases oder die Verknappung des Oxidationsgases ist. Somit wird, wenn eine Abnahme der Zellenspannung bemerkt wird, die Ausgangsleistung in gleichem Ausmaß eingeschränkt, selbst in dem Falle, daß der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Verknappung des Oxidationsgases ist. Als Ergebnis kann das Fahrverhalten beeinträchtigt werden.
Somit ist es eine Augabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das die oben beschriebenen Probleme lösen und den tolerierbaren Bereich der Leistungserzeugung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen flexibel ändern kann. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das feststellen kann, ob der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Brenngasverknappung oder die Oxidationsgasverknappung ist, um die Zellenspannung entsprechend dem Faktor der Abnahme der Zellenspannung in geeigneter Weise zu behandeln.
Um diese Aufgaben zu bewältigen umfaßt das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird; eine Feststellungsvorrichtung, die feststellt, ob ein Betriebszustand der Brennstoffzelle einer Brenngasknappheit oder einer Oxidationsgasknappheit entspricht; eine Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts die, wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Brenngasknappheit besteht, den unteren Spannungsgrenzwert höher einstellt als wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Oxidationsgasknappheit besteht; und eine Steuervorrichtung, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart steuert, daß die Ausgangsspannung gehindert wird, unter den von der Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts eingestellten unteren Spannungsgrenzwert abzusinken.
Falls der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Brenngasverknappung ist, kann eine fortgesetzte Leistungserzeugung, die der Zelle ein entgegengesetztes Potential anbietet, die Zelle schwer beschädigen. Dadurch wird der untere Spannungsgrenzwert vorzugsweise so eingestellt, daß er höher ist, um strengstens das Absinken der Zellenspannung zu begrenzen, um ein mögliches entgegengesetztes Potential zu verhindern. Andererseits, falls der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Oxidationsgasverknappung ist, beschädigt die fortgesetzte Leistungserzeugung, die der Zelle ein entgegengesetztes Potential anbietet, die Zelle weniger schwer als bei der Brenngasverknappung. Damit wird, um das Entstehen eines entgegengesetztes Potential zuzulassen, der untere Spannungsgrenzwert für die Oxidationsgasverknappung vorzugsweise so eingestellt, daß er niedriger ist als jener für die Brenngasverknappung, um die Begrenzung der Abnahme der Zellenspannung zu erleichtern.
Ein Brennstoffzellensystem basierend auf einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird; eine Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts, die einen unteren Spannungsgrenzwert für einen Betrieb mit geringem Wirkungsgrad niedriger festsetzt als jenen für einen normalen Betrieb; und eine Steuervorrichtung, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart steuert, daß die Ausgangsspannung gehindert wird, unter den von der Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts eingestellten unteren Spannungsgrenzwert abzufallen.
Eine Abnahme der Temperatur der Brennstoffzelle reduziert die Aktivität einer elektrochemischen Reaktion, die die Brennstoffzelle zerstören kann. Damit wird der untere Spannungsgrenzwert vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der übereinstimmend mit der Temperatur der Brennstoffzelle abnimmt, um die Begrenzung der Abnahme der Zellenspannung zu erleichtern. Beispielsweise kann der untere Spannungsgrenzwert für den Betrieb mit verringertem Wirkungsgrad vorzugsweise niedriger eingestellt werden als für den normalen Betrieb.
In diesem Falle führt die Steuervorrichtung vorzugsweise den Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad durch, wenn die Temperatur zum Startzeitpunkt des Brennstoffzellensystems gleich oder niedriger ist als ein vorgegebener Wert. Die Durchführung des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad steuert einen Wärmeverlust in der Brennstoffzelle, der eine frühzeitige Erwärmung der Brennstoffzelle ermöglicht.
Die Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts stellt den unteren Spannungsgrenzwert so ein, daß er, wenn das Brenngas während des Betriebs mit geringem Wirkungsgrad knapp ist, niedriger ist als jener, wenn das Brenngas während des normalen Betriebs knapp ist.
Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert, ist es erwünscht, daß die Steuervorrichtung versucht, die Zellenspannung wiederherzustellen durch Ausführung eines Verfahrens aus einer Gruppe, die ein Verfahren mit einer der Brennstoffzelle zugeführten zunehmenden Brenngasmenge oder Oxidationsgasmenge, ein Verfahren zur Begrenzung des Ausgangsstroms aus der Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Stoppen der Leistungserzeugung umfaßt.
In einem Übergangszustand der Leistungserzeugung mit einer Änderung der Last berechnet, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle als ΔV und eine Änderung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als ΔI definiert wird, die Feststellungsvorrichtung |ΔV/ΔI|, und wenn |ΔV/ΔI| gleich oder größer ist als ein erster Schwellenwert, stellt sie fest, daß das Oxidationsgas verknappt ist.
Wenn das Brenngas knapp ist, wird eine ungenügende Zahl von Protonen durch die Elektrolyse von Wasser kompensiert. Somit ist |ΔV/ΔI| größer als der erste Schwellenwert. Wenn das Oxidationsgas knapp ist, wird der ohmsche Widerstand der Elektrolytmembran dominant, um |ΔV/ΔI| unter den ersten Schwellenwert zu senken. Ein Vergleich von |ΔV/ΔI| mit dem ersten Schwellenwert ermöglicht es, die Brenngasverknappung von der Oxidationsgasverknappung zu unterscheiden.
In einem Beharrungszustand der Leistungserzeugung ohne Änderung der Last berechnet die Feststellungsvorrichtung, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle als ΔV und eine zeitliche Änderung als Δt definiert ist, |ΔV/Δt|, und wenn |ΔV/Δt| gleich oder größer ist als ein zweiter Schwellenwert, stellt sie fest, daß das Brenngas knapp ist. Wenn |ΔV/Δt| kleiner ist als der zweite Schwellenwert, stellt die Feststellungsvorrichtung fest, daß das Oxidationsgas knapp ist.
Wenn das Brenngas knapp ist, wird eine ungenügende Zahl von Protonen durch die Elektrolyse von Wasser kompensiert. Somit ist |ΔV/Δt| größer als der zweite Schwellenwert. Wenn das Oxidationsgas knapp ist, wird der ohmsche Widerstand der Elektrolytmembran dominant, um |ΔV/Δt| unter den zweiten Schwellenwert zu senken. Ein Vergleich von |ΔV/Δt| mit dem zweiten Schwellenwert ermöglicht es, die Brenngasverknappung von der Oxidationsgasverknappung zu unterscheiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mißt die Feststellungsvorrichtung aktuell das Anodenpotential der Brennstoffzelle. Wenn das Anodenpotential der Brennstoffzelle höher ist als ein vorgegebenes Schwellenpotential, stellt die Feststellungsvorrichtung fest, daß das Brenngas knapp ist. Wenn das Anodenpotential der Brennstoffzelle niedriger ist als das vorgegebene Schwellenpotential, stellt die Feststellungsvorrichtung fest, daß das Oxidationsgas knapp ist. Wenn das Brenngas knapp ist, wendet die Brennstoffzelle die Elektrolyse von Wasser an, um Protonen zur Kompensation der Brenngasverknappung zu erzeugen. Zu dieser Zeit ermöglicht der Vergleich des Anodenpotentials mit dem Schwellenpotential die Feststellung, ob das Brenngas oder das Oxidationsgas knapp ist, weil das Anodenpotential höher als ein bestimmtes Schwellenpotential ist. Wenn festgestellt wird, daß das Oxidationsgas knapp ist, weil der Zellenspannung gestattet wird, einen negativen Wert anzunehmen, wird die Notwendigkeit für eine Beschränkung der Ausgangs leistung des Brennstoffzellenstapels beseitigt. Damit kann eine mögliche Verschlechterung des Fahrverhaltens unterbunden werden.
Die Feststellungsvorrichtung berechnet die Zellenspannung auf einer Strom-Spannungs-Charakteristikkurve unter einem Zustand, der die Zunahme des Anodenpotentials der Brennstoffzelle während der Wasserelektrolyse minimiert. Wenn die aktuelle Zellenspannung höher ist als die Zellenspannung auf der Strom-Spannungs-Charakteristikkurve, stellt die Feststellungsvorrichtung fest, daß keine Brenngasverknappung auftritt. Die Bedingung, die die Zunahme des Anodenpotentials der Brennstoffzelle während der Wasserelektrolyse minimiert, bezieht sich beispielsweise auf die Bedingung, unter der die für die Protonenerzeugung erforderliche Feuchtigkeitsmenge innerhalb der Brennstoffzelle vorhanden ist. Selbst wenn die Zellenspannung aufgrund irgendeines Faktors auf einen negativen Wert abfällt, wird nicht zuletzt sichergestellt, daß der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Brenngasverknappung ist, solang die Stromzellenspannung dem oberen Bereich der oben beschriebenen Strom-Spannungs-Charakteristikkurve angehört. Falls der Faktor der Abnahme der Zellenspannung nicht zuletzt die Brenngasverknappung ist, weil der Zellenspannung gestattet wird, einen negativen Wert aufzuweisen, ist die Notwendigkeit zur Begrenzung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellestapels beseitigt. Somit kann die Möglichkeit einer Verschlechtertung des Fahrverhaltens verhindert werden.
Dabei kann die Strom-Spannungs-Charakeristikurve (1) Kurvendaten mit Temperaturcharakteristika zeigen, (2) Kurvendaten zeigen, die unter Berücksichtigung der zur Steuerung der Zellenspannung erforderlichen Verzögerungszeit vorkorrigiert sind, oder (3) Kurvendaten zeigen, die unabhängig vom Zellenstrom einen konstanten Spannungswert aufweisen. Die Verwendung von Kurvendaten, bei welchen die Temperaturcharakteristika oder die Verzögerungszeit in Betracht gezogen sind, ermöglicht es der Zellenspannung, genauer gesteuert zu werden. Andererseits ermöglicht es die Verwendung der Kurvendaten, die unabhängig vom Zellenstrom einen konstanten Spannungswert aufweisen, die Steuerung der Zellenspannung zu vereinfachen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild der Konstruktion des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer einen Brennstoffzellenstapel bildenden Zelle;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zur Behandlung der Zellenspannung während des normalen Betriebs zeigt;
4 ist ein Diagramm, das eine I-V-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels zeigt, beobachtet, wenn eine Reaktionsgasverknappung während einer Übergangsbedingung der Leistungserzeugung beim Lastwechsel auftritt;
5 ist ein Diagramm, das eine I-V-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels zeigt, Beobachtet, wenn die Reaktionsgasverknappung während eines Beharrungszustands der Leistungserzeugung ohne Änderung der Last auftritt;
6 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine beim Niedrigtemperaturstart zeigt;
7 ist ein Diagramm, das die Handhabung der Zellenspannung auf der Basis eines Zellenelektrodenpotentials zeigt;
8 ist ein Diagramm, das die Handhabung der Zellenspannung auf der Basis einer I-V-Charakteristik zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Handhabung der Zellenspannung auf der Basis der I-V-Charakteristik zeigt;
10 ist ein Diagramm, das die Handhabung der Zellenspannung auf der Basis der I-V-Charakteristik zeigt; und
11 ist ein Diagramm, das die Handhabung der Zellenspannung auf der Basis der I-V-Charakteristik zeigt.
Beste Weise, die Erfindung auszuführen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die 1 zeigt die Konstruktion eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Brennstoffzellensystem 10 fungiert als ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebautes, bordeigenes Leistungserzeugungssystem. Das Brennstoffzellensystem 10 schließt einen Brennstoffzellenstapel 20 ein, der ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) empfängt, um Leistung zu erzeugen, einen Oxidationsgasversorgungszweig 30, über den dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft als Oxidationsgas zugeführt wird, einen Brenngasgasversorgungszweig 40, über den dem Brennstoffzellenstapel 20 Wasserstoffgas als Brenngas zugeführt wird, einen Leistungszweig 50, der das Laden und Entladen von Leistung steuert, ein Kühlsystem 60, durch das der Brennstoffzellenstapel 20 gekühlt wird, und eine Steuervorrichtung (ECU) 70, die einheitlich das gesamte Brennstoffzellensystem 10 steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein fester Polyelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der von einer Mehrzahl von in Reihe gestapelten Zellen gebildet ist. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet an einer Anode eine durch die Formel (1) ausgedrückte Oxidationsreaktion statt, und eine durch die Formel (12 ausgedrückte Reduktionsreaktion tritt an einer Kathode auf. Für den ganzen Brennstoffzellenstapel 20 findet eine elektromotorische Reaktion nach der Formel (3) statt H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Der Brennstoffzellenstapel 20 schließt einen daran angebrachten Spannungsfühler 71 ein, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels festzustellen, einen daran angebrachten Stromfühler 72 zur Feststellung eines erzeugten Stroms und einen daran angebrachten Zellenmonitor (Zellenspannungsfühler) zur Feststellung der Zellenspannung jeder Zelle einer jeden Mehrzahl von Zellen (Zellenmodul).
Der Oxidationsgasversorgungszweig 30 schließt einen Oxidationsgaskanal 34 ein, über den ein der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführendes Oxidationsgas strömt, und einen Oxidationsabgaskanal 36, durch den ein aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeleitetes Oxidationsabgas strömt. Der Oxidationsgaskanal 34 schließt einen Luftkompressor 32 ein, der das Oxidationsgas über einen Filter 31 aus der Atmosphäre einbringt, einen Befeuchter 33, der das der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende Oxidationsgas befeuchtet, und ein Drosselventil 35, das die Menge des zugeführten Oxidationsgases einstellt. Der Oxidationsabgaskanal 36 schließt ein Regelventil 37 für den Rückdruck ein, das einen Oxidationsgasversorgungsdruck regelt, und einen Befeuchter 33, der Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsabgas (feuchtes Gas) austauscht.
Der Brenngasversorgungszweig 40 schließt eine Brenngasversorgungsquelle 41 ein, sowie einen Brenngasversorgungskanal 45, durch den das Brenngas strömt, das von der Brenngasversorgungsquelle 41 der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, einen Kreislaufkanal 46, über den ein vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgeleitetes Brennstoffabgas zum Brenngaskanal 45 zurückgeführt wird, eine Umwälzpumpe 47, durch die das Brennstoffabgas im Kreislaufkanal 46 unter Druck dem Brenngaskanal 45 zugeführt wird, und ein Ausblas- und Ableitungskanal 48, der divergierend mit dem Kreislaufkanal 46 verbunden ist.
Die Brenngasversorgungsquelle 41 besteht beispielsweise aus aus einem Hochdruckwasserstofftank oder einer Wasserstoff einschließenden Legierung und speichert ein Wasserstoffgas unter hohem Druck (beispielsweise 35 Mpa bis 70 Mpa). Das Öffnen eines Absperrventils 42 erlaubt es dem Brenngas, von der Brenngasversorgungsquelle 41 zum Brenngaskanal 45 zu strömen. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regler 43 oder einen Injektor 44 vor der Einleitung in den Brennstoffzellenstapel 20 auf beispielsweise etwa 200 kPa reduziert.
Die Brenngasversorgungsquelle 41 kann von einem Reformer gerbildet werden, der ein wasserstoffreiches Reformgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff erzeugt, und einem Hochdruckgastank, in dem das vom Reformer erzeugte Reformgas unter Druck gesetzt und gespeichert wird.
Der Regler 43 ist eine Vorrichtung, die einen stromauf vorhandenen Druck (Primärdruck) auf einen voreingestellten Sekundärdruck regelt und besteht aus einem mechanischen Druckminderventil, das den Primärdruck reduziert. Das mechanische Druckminderventil schließt ein Gehäuser ein, in dem eine Rückdruckkammer und eine Druckregulierkammer einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten einer Membran ausgebildet sind. Im Druckminderventil reduziert ein Druck in der Rückdruckkammer den Primärdruck auf einen vorgegebenen Druck in der Druckregulierkammer. Auf diese Weise wird der Sekundärdruck erhalten.
Der Injektor 44 ist ein elektromagnetisch betätigtes EIN-AUS-Ventil, das die Regelung eines Gasdurchflusses oder Gasdrucks durch direkten Antrieb des Ventiltellers während einer vorgegebenen Betätigungsperiode mittels einer elektromagnetischen Betätigungskraft, um den Ventilteller von einem Ventilsitz abzuheben. Der Injektor 44 schließt den Ventilsitz mit einem Injektionsloch ein, durch die ein gasförmiger Brennstoff, wie ein Brenngas, eingespritzt wird, einen Düsenkörper, durch den der gasförmige Brennstoff gefördert und dem Injektionsloch zugeführt wird, wobei der Ventilteller vom Düsenkörper aufgenommen und so gehalten wird, daß er in axialer Richtung des Düsenkörpers (der Richtung der Gasströmung) beweglich ist, um das Injektionsloch zu öffnen und zu schließen.
Ein Ausblas- und Ableitungsventil 49 ist im Ausblas- und Ableitungskanal 48 angeordnet. Ansprechend auf einen Befehl von der Steuervoprrichtun 70 wird das Ausblas- und Ableitungsventil 49 betätigt, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen enthaltendes Brennstoffabgas im Kreislaufkanal 46 nach der Außenseite des Systems abzuführen. Das Öffnen des Ausblas- und Ableitungsventils 49 reduziert die Konzentration der Verunreinigungen im Brennstoffabgas im Kreislaufkanal 46. Dadurch kann die Konzentration des Wasserstoffs in dem durch den Kreislaufkanal zirkulierenden Brennstoffabgas erhöht werden.
Das über das Ausblas- und Ableitungsventil 49 abgeführte Brennstoffabgas wird mit dem durch den Oxidationsabgaskanal 36 strömenden Oxidationsabgas vermischt und durch einen (in den Zeichnungen nicht dargestellten Verdünner) verdünnt. Die Umwälzpumpe 47 führt zyklisch durch Betätigung eines Motors das Brennstoffabgas im Kreislaufkanal dem Brennstoffzellenstapel 20 zu.
Der Leistungszweig 50 schließt einen Gleichspannungswandler 51, eine Batterie 52, einen Fahrinverter 53, einen Fahrmotor 54 und Hilfsvorrichtungen 55. Der Gleichspannungswandler 51 schließt eine Funktion ein, um eine von der Batterie 52 empfangene Gleichspannung zu erhöhen und die erhöhte Gleichspannung an den Fahrinverter 53 auszugeben, sowie eine Funktion, zum Laden der Batterie 52 die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Gleichstromleistung oder die durch regeneratives Bremsen durch den Fahrmotor 54 zurückgewonnene, regenerative Leistung zu reduzieren. Die Funktionen des Gleichspannungswandlers 51 steuern das Laden und Entladen der Batterie 52. Die vom Gleichspannungswandler 51 durchgeführte Spannungsumwandlungssteuerung steuert die Betriebspunkte (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20.
Die Batterie 52 fungiert als eine Speicherquelle für Zusatzleistung, eine Speicherquelle für regenerative Energie während des regenerativen Bremsens und als Energiepuffer für eine mit Beschleunigung und Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs verbundene Laständerung. Beispielsweise ist eine Sekundärbatterie, wie eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithiumsekundärbatterie als Batterie 52 geeignet.
Der Fahrinverter 53 ist beispielsweise ein Inverter mit Impulsbreitenmodulation, der nach einem Impulsbreitenmodulationschema betrieben wird. Gemäß einem Steuerbefehl von der Steuervorrichtung 70 wandelt der Fahrinverter 53 die Gleichspannung vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 in eine Dreiphasen-Wechselspannung zur Steuerung des Drehmoments des Fahrmotors 54 um. Der Fahrmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor, der eine Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug bildet.
Die Hilfsvorrichtungen 55 umfassen kollektiv die Motoren (Leistungsquellen beispielsweise für Pumpen), die in verschiedenen Bereichen des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, Inverter, die den Betrieb der Motoren ermöglichen und verschiedene bordeigene Hilfsvorrichtungen (beispielsweise einen Luftkompressor, einen Injektor, eine Kühlwasserumwälzpumpe und einen Kühler).
Ein Kühlsystem 60 schließt Kühlmittelkanäle 61, 62, 63 und 64 ein, durch die ein durch das Innere des Brennstoffzellenstapels 20 zirkulierendes Kühlmittel strömt, eine Umwälzpumpe 65, die das Kühlmittel unter Druck zuführt, einen Kühler 66, der Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Außenluft austauscht, ein Dreiwegeventil 67, das einen Kreislaufkanal für das Kühlmittel schaltet, und einen Temperaturfühler 74, der die Temperatur des Kühlmittels feststellt. Während eines auf den Aufwärmbetrieb folgenden normalen Betriebs wird das Dreiwegeventil 67 derart gesteuert geöffnet und geschlossen, daß das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmende Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle 61 und 64 strömt und im Kühler 66 gekühlt wird und dann durch den Kühlmittelkanal 63 wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt. Andererseits wird das Dreiwegeventil 67 im unmittelbar auf den Start des Systems folgenden Aufwärmbetrieb derart gesteuert geöffnet und geschlossen, daß das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmende Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle 61, 62 und 63 wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt.
Die Kühlmitteltemperatur repräsentiert die Temperatur (Katalysatortemperatur) des Brennstoffzellenstapels 20 und wird als ein Index zur Optimierung der Betriebssteuerung der Zelle benutzt.
Die Steuervorrichtung 70 ist ein Computersystem, das eine CPU, ein ROM, ein RAM und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle umfaßt. Die Steuervorrichtung fungiert als eine Steuervorrichtung, die die relevanten Abschnitte (den Oxidationsgasversorgungszweig 30, den Brenngasgasversorgungszweig 40, den Leistungszweig 50 und das Kühlsystem 60) des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Beispielsweise startet die Steuervorrichtung 70 nach dem Empfang eines von einem Zündschalter ausgegebenen Startsignals IG das Brennstoffzellensystem 10. Die Steuervorrichtung 70 stellt dann die Leistungsanforderung für das ganze System fest, basierend auf einem von einem Fahrpedalsensor ausgegebenen Signal ACC, das dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entspricht, und einem die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigenden Signal VC, das von einem Sensor für die Fahrzeuggeschwindigkeit ausgegeben wird.
Die Leistungsanforderung für das ganze System ist die Summe der Leistung für die Fahrzeugbewegung und der Leistung für den Betrieb der Hilfsvorrichtungen. Die Leistung für die Hilfsvorrichtungen schließt die Leistung ein, die von den bordeigenen Hilfsvorrichtungen (der Befeuchter, der Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe, die Kühlwasserumwälzpumpe und dergleichen) verbraucht wird, die Leistung, die von den Vorrichtungen für das Fahren des Fahreugs (einem Gangwechselgetriebe, einer Radsteuerungsvorrichtung, einer Lenkvorrichtung, einem Aufhängesystem und dergleichen) verbraucht wird und die Leistung, die von in einem Insassenraum angeordneten Vorrichtungen (eine Klimaanlage, ein Beleuchtungssystem, ein Audiosystem und dergleichen) verbraucht wird.
Die Steuervorrichtung 70 bestimmt die Bereitstellung von Ausgangsleistung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Ausgangsleistung aus der Batterie 52, um den Oxidationsgasversorgungszweig 30 und den Brenngasgasversorgungszweig 40 derar zu steuern, daß die Menege der vom Brennstoffzellenstapel erzeugten Leistung der Zielleistung gleicht. Die Steuervorrichtung 70 steuert auch den Gleichspannungs wandler 51 zur Regelung der Ausgangsspannung am Brennstoffzellenstapel 20 zur Steuerung des Betriebspunkts (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20. Überdies gibt die Steuervorrichtung 70 beispielsweise Wechselspannungsbefehlswerte für eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase an den Fahrinverter 53 aus als Schaltbefehle zur Steuerung des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl des Fahrmotors 54, um die dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entsprechende Fahrzeugzielgeschwindigkeit zu erhalten.
Die 2 ist eine Explosionsansicht der den Brennstoffzellenstapel 20 bildenden Zellen 21.
Jede der Zellen 21 besteht aus einer elektrolytischen Membran 22, einer Anode 23, einer Kathode 24 und Separatoren 26 und 27. Die Anode 23 und die Kathode. 24 sind Diffusionselektroden, die eine sandwichartige Struktur bilden, in welcher die elektrolytische Membran 22 zwischen der Anode 23 und der Kathode 24 eingefügt ist, die einander gegenüberliegen. Die von nicht luftdurchlässigem, leitendem Material gebildeten Separatoren 26 und 27 schließen weiter sandwichartig die sandwichartige Struktur zwischen sich derart ein, daß zwischen dem Separator 26 und der Anode 23 Kanäle für das Brenngas und zwischen dem Separator 27 und der Kathode 24 Kanäle für das Oxidationsgas gebildet werden. Im Separator 26 sind zwischen sich einen ausgenommenen Querschnitt formende Rippen 26a ausgebildet. Die Anode 23 liegt an den Rippen 26a an, um die Öffnungen zwischen den Rippen 26a zur Bildung von Brenngaskanälen zu schließen. Im Separator 27 sind zwischen sich einen ausgenommenen Querschnitt formende Rippen 27a ausgebildet. Die Kathode 24 liegt an den Rippen 27a an, um die Öffnungen zwischen den Rippen 27a zur Bildung von Oxidationsgaskanälen zu schließen.
Die Anode 23 wird von einem hauptsächlich mit einem platinhaltigen metallischen Katalysator versetzten Kohlenstoffpulver gebildet. Die Anode 23 schließt eine Katalysatorschicht 23a ein, die in Kontakt mit der elektrolytischen Membran 22 steht, und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig als auch elektrisch leitfähig ist. In ähnlicher Weise schließt die Kathode 24 eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b ein. Genauer werden die Katalysatorschichten 23a und 24a dadurch ausgebildet, daß in einem geeigneten organischen Lösungsmittel ein Kohlenstoffpulver dispergiert wird, das Platin oder eine aus Platin und einem anderen Metall bestehende Legierung enthält, wobei dem Lösungsmittel eine geeignete Menge einer elektrolytischen Lösung beigefügt wird, um eine pastenartige Mischung zu erhalten, die auf die elektrolytische Membran aufgetragen wird. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b werden aus einem Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpaier oder einem Kohlenstoffilz gebldet, erhalten durch Verweben von aus Kohlenstoff bestehenden Garnen. Die elektrolytische Membran 22 ist eine Protonen leitende Ionenaustauschmembran, gebildet aus einem festen Polymermaterial, beispelsweise einem Fluor enthaltendem Harz. Die elektrolytische Membran 22 zeigt in feuchtem Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die elektrolytische Mebran 22, die Anorde 23 und die Kathode 24 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 25.
(Ausführungsform 1)
Es wird nun die Handhabung der Zellenspannung gemäß Ausführungsform 1 dargelegt.
Die Steuervorrichtung 70 führt eine Betriebssteuerung durch, während der Betrieb derart beschränkt wird, daß die Zellenspannung daran gehindert wird, unter einen unteren Spannungsgrenzwert Vth abzusinken. Die Steuervorrichtung 70 ändert die Bedingungen für die Begrenzung des Betriebs abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 20. Die Betriebsbedingung ist ein Konzept, das insgesamt auf die physikalischen Größen Bezug nimmt, die den Reduktionsfaktoren (eine Verknappung des zugeführten Reaktionsgases, eine Abnahme der Stapeltemperatur und dergleichen) zugeordnet sind. Die Bedingungen für die Einschränkung der Aktion beziehen sich auf die Bedingungen zur Beschränkung der Zellenaktion (beispielsweise den unteren Spannungsgrenzwert Vth, der die untere Grenze des tolerablen Bereichs der Leistungserzeugung anzeigt). Das Gewicht der Bedingungen für die Beschränkung des Betriebs wird wünschenswerterweise zusammenhängend mit der Stapeltemperatur verringert. Beispielsweise wird der untere Spannungsgrenzwert Vth für den Start bei niedriger Temperatur wünschenswerterweise niedriger festgesetzt als jener bei normalem Betrieb (der normale Betrieb bezieht sich auf eine Zellenaktion innerhalb eines Temperaturbereichs, der für die Zellenaktion geeignet ist, die nach dem Aufwärmbetrieb stattfindet. Der normale Betrieb ist gleichbedeutend mit der normalen Leistungserzeugung. Der Start bei niedriger Temperatur bezieht sich auf einen Start, der einen Aufwärmbetrieb erfordert, weil die Temperatur während des Starts gleich oder niedriger ist eine vorgegebene Temperatur). Der untere Temperaturgrenzwert Vth kann derart mit Temperaturchartakteristika versehen werden, daß er allmählich abnimmt, wenn die Temperatur abnimmt.
Falls der Reduktionsfaktor der Zellenspannung die Verknappung des der Anode 23 zugeführten Brenngases ist, kann eine fortgesetzte Leistungserzeugung mit der ein entgegengesetztes Potential aufweisenden Zelle 21 diese Zelle 21 schwer beschädigen. Deshalb wird der untere Spannungsgrenzwert Vth so eingestellt, daß er höher ist, um mit Sicherheit ein Absinken der Zellenspannung derart zu begrenzen, daß ein mögliches entgegengesetztes Potzential verhindert wird. Der untere Spannungsgrenzwert Vth ist wünschenswerterweise auf einen Wert eingestellt, der durchwegs mit der Fehlmenge des zugeführten Wasserstoffs bezogen auf die Menge des Wasserstoffs zunimmt, die für eine adäquate Reaktion mit Sauerstofferforderlich ist (d. h. ein theoretischer Wert).
Andererseits, falls der Reduktionsfaktor der Zellenspannung die Fehlmenge des der Kathode 24 zugeführten Oxidationsgases ist, beschädigt die fortgesetzte Leistungserzeugung mit der das entgegengesetzte Potential aufweisenden Zelle 21 die Zelle 21 weniger als wenn das Brenngas verknappt wird. Deshalb wird, um die Entstehung des entgegengesetzten Potentials zu ermöglichen, der untere Spannungsgrenzwert Vth für die Oxidationsgasknappheit vorzugsweise so eingestellt, daß er niedriger ist als jener für die Brenngasverknappung, um die Begrenzung der Abnahme der Zellenspannung zu erleichtern. Wenn die Menge des zugeführten Sauerstoffs weit unter der Menge der für eine adäquate Reaktion mit dem Wasserstoff erforderlichen (d. h. dem theoretischen Wert) liegt, wird der untere Spannungsgrenzwert Vth wünschenswerterweise so eingestelltm, daß er höher ist als jener bei einer geringeren Fehlmenge.
Eine Beziehung zwischen dem Faktor der Abnahme der Zellenspannung und dem unteren Spannungsgrenzwert Vth wird zusammengefaßt. Unter der Bedingung, daß die beobachtete Temoperatur, wenn eine Brenngasverknappung auftritt, die gleiche ist wie jene, die beobachtet wird, wenn sich das Oxidationsgas verknappt, kann die Brenngasverknappung einen größeren Schaden am Brennstoffzellenstapel 20 anrichten als die Oxidationsgasverknappung. Deshalb wird der untere Spannungsgrenzwert Vth für die Brenngasverknappung wünschenswerterweise höher eingestellt als jener für die Oxidationsgasverknappung.
Die 3 ist ein Ablaufdiagramm einer Routine für die Handhabung der Zellenspannung bei normalem Betrieb.
Die Routine wird beim normalen Betrieb in gleichen Periodenintervallen aufgerufen und wiederholt von der Steuervorrichtung 70 ausgeführt. Die Routine behandelt den unteren Spannunghsgrenzwert Vth als eine Variabe, Vth0 als eine durch die Temperatur bestimmte Konstante (der untere Spannungsgrenzwert wird vorgesehen, wenn ausreichend Reaktionsgas zugeführt wird), Vh als eine Konstante (die Menge, bei der der untere Spannungsgrenzwert ansteigt), festgelegt entsprechend der Fehlmenge des zugeführten Wasserstoffs in Bezug auf die für eine adäquate Reaktion mit dem Sauerstoff erforderliche Wasserstoffmenge (d. h. den theoretischen Wert), und Va als eine Konstante (der Wert, um den der untere Spannungsgrenzwert erhöht wird) bestimmt entgsprechend der Fehlmenge des zugeführten Sauerstoffs in Bezug auf die für eine adäquate Reaktion mit dem Wasserstoff erforderliche Sauerstoffmenge (d. h. ein theoretischer Wert). Die Routine aktualisiert den Wert des unteren Spannungsgrenzwerts Vth bei jeder arithmetischen Periode.
Die Steuervorrichtung 70 stellt fest, ob das Brenngas verknappt ist oder nicht (Schritt 301). Falls eine Brenngasverknappung vorliegt (Schritt 301: JA), aktualisiert die Steuervorrichtung den Wert des unteren Spannungsgrenzwerts Vth durch Addition von Vh zu Vth0 (Schritt 305). Zu dieser Zeit wird der Wert Vh übereinstimmend mit der Fehlmenge des zugeführten Wasserstoffs in Bezug auf die für eine adäquate Reaktion mit dem Sauerstoff erforderliche Wasserstoffmenge (d. h. den theoretischen Wert) erhöht. Als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine proportionale Steuerung bevorzugt, die den Werft Vh proportional zur Fehlmenge des zugeführten Wasserstoffs erhöht.
In diesem Falle wird der Wert Vh so eingestellt, daß er größer ist als der Wert Va unter der Bedingung, daß die beobachtete Temperatur, wenn das Brenngas verknappt ist, die gleiche ist wie jene, die beobachtet wird, wenn das Oxidationsgas verknappt ist.
Falls das Brenngas nicht verknappt ist (Schritt 301: NEIN), stellt die Steuervorrichtung 70 fest, ob das Oxidationsgas verknappt ist oder nicht (Schritt 302). Falls das Oxidationsgas verknappt ist (Schritt 302: JA), aktualisiert die Steuervorrichtung 70 den Wert des unteren Spannungsgrenzwerts Vth, indem sie Va zu Vth addiert (Schritt 304). Zu dieser Zeit wird der Wert Va übereinstimmend mit der Fehlmenge des zugeführten Sauerstoffs in Bezug auf die für eine adäquate Reaktion mit dem Wasserstoff erforderliche Sauerstoffmenge (d. h. den theoretischen Wert) erhöht. Als bevorzugte Ausführungsform der vorliegende Erfindung wird eine proportionale Steuerung bevorzugt, die den Werft Va proportional zur Fehlmenge des zugeführten Sauerstoffs erhöht.
Falls das Oxidationsgas nicht verknappt ist (Schritt 302: NEIN), aktualisiert die Steuervorrichtung 70 den Wert des unteren Spannungsgrenzwerts Vth auf Vth0 (Schritt 303).
Dann stellt die Steuervorrichtung 70 fest, ob die Zellenspannung niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth oder nicht (Schritt 306). Falls die Zellenspannung gleich oder größer ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritt 306: NEIN), verläßt die Steuervorrichtung 70 die Routine zur Handhabung der Zellenspannung. Falls die Zellenspannungniedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritt 306: JA), führt die Steuervorrichtung 70 ein Rückstellungsverfahren für die Zellenspannung durch (Schritt 307).
Vorzugsweise ist das Rückstellungsverfahren für die Zellenspannung eines der Verfahren zur Kompensation der Reaktionsgasverknappung (um die Brenngasverknappung zu kompensieren, wird beispielsweise ein Verfahren ausgeführt, das den Injektor 44 derart steuert, daß der Versorgungsdruck des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Brenngases erhöht wird oder daß die Drehzahl der Umwälzpumpe 47 so gesteuert wird, daß der Durchfluß des in den Brennstoffzellenstapel 20 einströmenden Brenngases erhöht wird. Um die Verknappung des Oxidationsgases zu kompensieren, wird ein Verfahren durchgeführt, das beispielsweise die Drehzahl des Luftkompressors 32 derart steuert, daß die Versorgungsmenge des in den Brennstoffzellenstapel 20 einströmenden Oxidationsgases zunimmt), ein Verfahren zur Begrenzung des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 (beispielsweise ein Verfahren zur derartigen Steuerung des Gleichspannungswandlers 51, daß ein Strom begrenzt wird, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 erhalten wird) und ein Verfahren zum Stoppen der Leistungserzeugung. Eines dieser Verfahren wird ausgeführt, um zu versuchen, die Zellenspannung wiederherzustellen.
Weil die Leistungsausgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 20 begrenzt ist, kann möglicherweise der Brennstoffzellenstapel 20 die Leistungsanforderung des Systems nicht erfüllen. In diesem Falle wird die Leistungsanforderung durch die Batterie 52 kompensiert.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein Verfahren beschrieben, das entscheidet, ob das Reaktionsgas sich im Verknappungszustand befindet oder nicht. Das Entscheidungsverfahren wird durch die oben beschriebenden Schritte 301 und 302 ausgeführt.
Die 4 zeigt eine I-V-Charakteristik (Strom-Spannungs-Charakteristik) des Brennstoffzellenstapels 20, die beobachtet wird, wenn sich während eines Übergangszustands der Leistungserzeugung mit veränderlicher Last das Reaktionsgas in einem Verknappungszustand befindet. Eine durchgehende Linie zeigt die I-V-Charakteristik, die beobachtet wird, während eine Verknappung des Brenngases vorliegt. Eine unterbrochene Linie zeigt die I-V-Charakteristik, die beobachtet wird, wenn eine Verknappung des Oxidationsgases vorliegt. Wie in diesem Diagramm gezeigt ist, ist |ΔV/ΔI|, beobachtet, wenn eine Brenngasverknappung vorliegt, größer als dann beobachtet, wenn eine Oxidationsgasverknappung vorliegt. Der Grund hierfür kann wie folgt erklärt werden.
Wenn sich das Brenngas verknappt, kann ein Leistungserzeugungsstrom nicht nur durch Protonen aufrechterhalten werden, die aus der Oxidationsreaktion (H₂ → 2H⁺ + 2e^–) in der Anode hervorgehen. Deshalb erzeugt die Zelle 21 Protonen durch Elektrolyse von Wasser, um die Verknappung des Brenngases zu kompensieren. Zu dieser Zeit zerlegt die Zelle 21 das Wasser elektrisch, indem sie von einer anderen Zelle 21 Energie erhält, um das Anodenpotential rasch auf ein Potential zu erhöhen, bei dem die Elektrolyse des Wassers fortschreitet. Als Ergebnis steigt das Anodenpotential rasch über das Kathodenpotential an, um die Zellenspannung rasch negativ zu machen (die Zelle zeigt das entgegengesetzte Potential). Das bedeutet, daß |ΔV/ΔI|, beobachtet, wenn das Brenngas sich im Verknappungszustand befindet, größer ist als wenn es beobachtet wird, wenn sich das Brenngas nicht im Verknappungszustand befindet. Es sollte beachtet werden, daß, falls V abnimmt, ΔV/ΔI einen negativen Wert aufweist.
Eine Spannungsänderung wird vorzugsweise nahe 0 V ermittelt, um festzustellen, ob das entgegengesetzte Potential durch eine Verknappung des Brenngases oder eine Verknappung des Oxidationsgases verursacht ist. Beispielsweise ermöglicht die Feststellung einer Spannungsänderung bei 0,6 V oder weniger die Bestimmung, ob das entgegengesetzte Potential, das einer Spannungsänderung von großem absolutem Wert entspricht, auf eine Verknappung des Brenngases oder des Oxidationsgases zurückzuführen ist.
Wenn das Anodenpotential hoch ist, kann der Platinkatalysator ionisiert und eluiert werden oder der Kohlenstoff tragende Platinkatalysator kann oxidiert werden. Diese Erscheinungen können die Wirkung des Katalysators beeinträchtigen. Deshalb muß das mögliche entgegengesetzte Potential vermieden werden.
Andererseits können, wenn sich das Oxidationsgas im Verknappungszustand befindet, Protonen, die von der Anode 23 durch die Elektrolytmembran 22 zur Kathode 24 wandern, nicht mit Sauerstoff reagieren. Deshalb erzeugen die an Elektronen, die durch einen externen Kreislauf (Leistungszweig 50) fließen, gebundenen Protonen Wasserstoff (2H⁺ + 2e– → H²). In diesem Falle gibt es keinen bemerkenswerten Unterschied zwischen |ΔV/ΔI|, beobachtet, wenn das Oxidationsgas verknappt ist, und |ΔV/ΔI|, beobachtet, wenn das Oxidationsgas nicht verknappt ist, weil der ohmsche Widerstand der elektrolytischen Membran vorherrschend ist.
Die obigen Diskussionen werden zusammengefaßt. Während eines Übergangszustands der Leistungserzeugung mit veränderlicher Last gilt die Formel (4), wenn das Oxidationsgas knapp ist. Dabei ist eine Schwelle X(T) eine Funktion der Temperatur T. |ΔV/ΔI| ≥ X(T) (4) |ΔV/ΔI| < X(T) (5)
Die 5 zeigt eine V-t-Charakteristik (Spannungs-Zeit-Charakteristik) des Brennstoffzellenstapels 20, beobachtet, wenn das Reaktionsgas unter der Bedingung des Beharrungszustands der Leistungserzeugung ohne Laständerung verknappt ist. Selbst mit einer konstanten Last (einem konstantem Laststrom) strömt das Feuchtigkeit enthaltende Gas konstant durch die Gaskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20. Dadurch können beispielsweise große Tröpfchen eine Oberfläche der Elektrode bedecken und eine zufällige Überflutung verursachen, die eine zeitweilige Gasverknappung zur Folge haben kann. Eine durchgehende Linie zeigt die V-t-Charakteristik an, die beobachtet wird, wenn das Brenngas verknappt ist. Eine unterbrochene Linie zeigt die V-t-Charakteristik an, die beobachtet wird, wenn das Oxidationsgas verknappt ist. Wie in diesem Diagramm zu sehen ist, ist |ΔV/Δt|, beobachtet, wenn das Brenngas verknappt ist, größer als jenes, das beobachtet wird, wenn das Oxidationsgas verknappt ist. Der Grund kann so erklärt werden, wie es der Fall ist bei der Veränderung der I-V-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels 20, beobachtet mit einer Laständerung, wenn das Reaktionsgas beim Übergangszustand der Leistungserzeugung verknappt ist. Es sollte beachtet werden, daß, falls V abnimmt, ΔV/Δt einen negativen Wert besitzt.
Die obigen Erörterungen werden zusammengefaßt. Unter der Bedingung des Beharrungszustands der Leistngserzeugung ohne Laständerung gilt die Formel (6), wenn das Brenngas knapp ist, und die Formel (7) gilt, wenn das Oxidationsgas knapp ist. Dabei ist eine Schwelle Y(T) eine Funktion der Temperatur T. |ΔV/Δt| ≥ Y(T) (6) |ΔV/Δt| < Y(T) (7)
Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, fungiert die Steuervorrichtung 70 als eine Feststellungsvorrichtung, die feststellt, ob der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Brenngasverknappung oder die Oxidationsgasverknappung ist, und eine Einstellvorrichtung für den unteren Spannungsgrenzwert, die den unteren Spannungsgrenzwert entsprechend dem Faktor der Abnahme der Zellenspannung einstellt, sowie eine Steuervorrichtung, die die Ausgangsspannung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 so steuert, daß sie die Zellenspannung daran hindert, unter den unteren Spannungsgrenzwert abzusinken.
(Ausführungsform 2)
Es wird nun die Handhabung der Zellenspannung in einer Niedrigtemperaturumgebung gemäß der Ausführungsform 2 beschrieben.
Die 6 ist ein Ablaufdiagramm einer Niedrigtemperatur-Startroutine. Die Routine wird während eines Niedrigtemperaturbetriebs aufgerufen und durch die Steuervorrichtung 70 ausgeführt. Der Niedrigtemperaturbetrieb bezieht sich auf einen Betrieb zur Steuerung der Versorgungsmenge des Reaktionsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis um 1,0 derart zugeführt wird, daß ein Leistungsverlust für den Betrieb bei einem geringen Leistungserzeugungswirkungsgrad erhöht wird. Das stöchiometrische Luftverhältnis bezieht sich auf einen Sauerstoffüberschuß und zeigt an, wie groß der Überschuß des zugeführten Sauerstoffs gegenüber der für eine adäquate Reaktion mit Wasserstoff benötigten Sauerstoffmenge ist. Die Durchführung des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad, bei dem das stöchiometrische Luftverhältnis auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, erhöht die Konzentrationsüberspannung und damit einen Wärmeverlust (Leistungsverlust), der in der durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erhaltenen Energie enthalten ist. Der Betrieb mit geringem Wirkungsgrad wird beispielsweise während des Niedrigtemperaturstarts angewandt, um absichtlich den Wärmeverlust zur schnellen Aufheizung des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhöhen.
Nach dem Empfang eines von einem Zündschalter ausgegebenen Startsignals IG Schritt 601: JA) liest die Steuervorrichtung 70 einen Ermittlungswert eines Temperaturfühlers 74 aus, um zu entscheiden, ob eine Kühlmitteltemperatur T niedriger ist als eine Schwellentemperatur T0 oder nicht (Schritt 602). Die Schwellentemperatur T0 ist eine Temperatur, auf der die Entscheidung basiert, ob die Niedrigtemperaturaktion durchgeführt wird oder nicht. Die Schwellentemperatur T0 wird beispielsweise auf um die 0°C eingestellt.
Falls die Kühlmitteltemperatur nicht niedriger ist als die Schwellentemperatur T0 (Schritt 602: NEIN), muß der Niedrigtemperaturbetrieb nicht ausgeführt werden. Somit verläßt die Steuervorrichtung 70 die Niedrigtemperatur-Startroutine und führt eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Routine für den normalen Startvorgang aus.
Andererseits, falls die Kühlmitteltemperatur T niedriger ist als die Schwellentemperatur T0 (Schritt 602: JA), führt die Steuervorrichtung 70 den Betrieb mit geringem Wirkungsgrad mit einem reduzierten Öffnungsgrad des Drosselventils 35 zur Einstellung des stöchiometrischen Luftverhältnisses auf etwa 1,0 durch (Schritt 603). Der Brennstoffzellenstapel 20 wird dann durch die Verlustwärme (Wärmeenergie) aufgeheizt, die sich durch den Niedrigtemperaturbetrieb ergibt.
Die Steuervorrichtung 70 aktualisiert den unteren Spannungsgrenzwert durch Subtraktion von Va von Vth0 (Schritt 604). Zu dieser Zeit wird der Wert Va mit abnehmender Temperatur erhöht.
Die Steuervorrichtung 70 entscheidet dann, ob die Zellenspannung niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritt 605). Falls die Zellenspannung niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritt 605: JA), führt die Steuervorrichtung 70 das Verfahren zur Wiederherstellung der Zellenspannung durch (Schritt 606). Falls die Zellenspannung gleich oder größer ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritt 605: NEIN), überspringt die Steuervorrichtung 70 das Verfahren zur Wiederherstellung der Zellenspannung.
Die Steuervorrichtung 70 liest den Ermittlungswert aus dem Temperaturfühler 74, um zu entscheiden, ob die Kühlmitteltemperatur T höher ist als die Schwellentemperatur T1 oder nicht (Schritt 607). Die Schwellentemperatur T1 ist eine Temperatur, auf deren Basis entschieden wird, ob die Aufheizaktion vollendet ist oder nicht.
Falls die Kühlmitteltemperatur T nicht höher ist als die Schwellentemperatur T1 (Schritt 607: NEIN), kehrt die Steuervorrichtung 70 zum Verfahren beim Schritt 603 zurück. Falls die Kühlmitteltemperatur T höher ist als die Schwellentemperatur T1 (Schritt 607: JA), verläßt die Steuervorrichtung 70 die Routine für den Niedrigtemperaturstart.
Während des wie oben beschriebenen Betriebs mit geringem Wirkungsgrad zur absichtlichen Verknappung des Oxidationsgases in der Niedrigtemperatur-Umgebung, ist die mögliche Beschädigung der Zelle 21 durch fortgesetzte Leistungserzeugung, wenn die Zelle 21 ein entgegengesetztes Potential aufweist, weniger schwerwiegend als jene bei der Zelle 21 durch die Oxidationsgasknappheit während des normalen Betriebs. Deshalb wird, um die Erzeugung des entgegengesetzten Potentials zu ermöglichen, der untere Spannungsgrenzwert Vth für den Betrieb mit geringem Wirkungsgrad so eingestellt, daß er niedriger ist als jener, der für den normalen Betrieb eingestellt ist, um die Begrenzung der Abnahme der Zellenspannung zu erleichtern.
Bei der Beschreibung der Ausführungsform 1 wird der für die Brenngasknappheit eingestellte untere Spannungsgrenzwert Vth so eingestellt, daß er höher ist als der für die Oxidationsgasknappheit eingestellte untere Spannungsgrenzwert Vth (Schritte 304 und 305). Die beruht auf der Tatsache, daß die bei der Brenngasknappheit beobachtete Temperatur die gleiche ist wie jene, wenn das Oxidationsgas knapp ist. Vorausgesetzt, daß die Temperatur konstant ist, ist die mögliche Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Brenngasverknappung schwerwiegender als jene des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Oxidationsgasverknappung. Deshalb muß der untere Spannungsgrenzwert entsprechend dem Reduktionsfaktor der Zellenspannung eingestellt werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Ausführungsform 2 der untere Spannungsgrenzwert für den Betrieb mit geringem Wirkungsgrad so eingestellt, daß er niedriger ist als jener, der für den normalen Betrieb eingestellt ist (Schritt 604). Der Grund dafür ist, daß während des Betriebs mit geringem Wirkungsgrad die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 niedriger ist als während des normalen Betriebs, wodurch die Aktivität der elektrochemischen Reaktion reduziert wird, was den Brennstoffzellenstapel 20 beschädigen kann.
Damit ist zusätzlich, unter der Voraussetzung, daß die Temperatur, die beobachtet wird, wenn das Brenngas knapp ist, die gleiche ist wie jene, die beobachtet wird, wenn das Oxidationsgas knapp ist, die Einstellung, nach der der für den Betrieb mit geringem Wirkungsgrad bestimmte untere Spannungsgrenzwert Vth niedriger ist als der für den normalen Betrieb (Schritt 604), konsistent mit der Einstellung, nach der der für die Brenngasknappheit bestimmte untere Spannungsgrenzwert Vth höher ist als der für die Oxidationsgasknappheit bestimmte (Schritte 304 und 305).
Bei den Ausführungsformen 1 und 2 kann für die Zellenspannung jeder Zelle 21 oder für die Summe der Zellenspannungen einer Mehrzahl von Zellen 21 festgestellt werden (Schritte 306 und 606), ob die Zellenspannung niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert Vth oder nicht.
Beim Brennstoffzellensystem 10 gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 wird der untere Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit vom Reduktionsfaktor der Zellenspannung verändert. Demzufolge kann der tolerable Bereich der Leistungserzeugung flexibel verändert werden.
(Ausführungsform 3)
Nun wird die Handhabung der Zellenspannung nach der Ausführungsform 3 beschrieben. Die unten beschriebene Handhabung der Zellenspannung ist hauptsächlich für den normalen Betrieb gedacht. Jedoch kann aufgrund der Temperaturbegrenzung die Handhabung der Zellenspannung prinzipiell in der Niedrigtemperatur-Umgebung (beispielsweise während des Betriebs mit geringem Wirkungsgrad) angewandt werden.
(1) Handhabung der Zellenspannung auf der Basis des Zellenelektrodenpotentials
Die 7 zeigt eine Veränderung des Elektrodenpotentials, das heißt, die Elektrodenpotentiale gemssen während des Starts und des normalen Betriebs und wenn das Oxidationsgas verknappt ist und wenn das Brenngas verknappt ist. Während des Starts wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf eine unbegrenzte Spannung (open end voltage) eingestellt, was in einem Null-Ausgangsstrom resultiert. Zu dieser Zeit zeigt das Kathodenpotential CA1 keinen durch eine Gleichstromwiderstandskomponente verursachten Spannungsabfall und wird auf die unbegrenzte Spannung eingestellt. Außerdem bleibt das Anodenpotential AN1 Null. Die Zellenspannung VC1 während des Starts ist gleich einem Spannungswert (unbegrenzte Spannung) der durch Subtraktion des Anodenpotentials AN1 während des Starts vom Kathodenpotential während des Starts erhalten wird. Die Zellenspannung VC1 pro Zelleneinheit ist etwa 1,0 V.
Während des normalen Betriebs nimmt das Anodenpotential AN2 bis zu einem vorgegebenen positiven Wert zu, der durch die elektrochemische Reaktion bestimmt ist. Andererseits zeigt das Kathodenpotential CA2 einen durch die Gleichstromwider standskomponente verursachten Spannungsabfall IR2. Die Zellenspannung VC2 während des normalen Betriebs ist gleich einem Spannungswert VC2, der durch Subtraktion des Anodenpotentials AN2 während des normalen Betriebs vom Kathodenpotential CA2 während des normalen Betriebs erhalten wird. Die Zellenspannung VC2 pro Zelleneinheit liegt bei etwa 0,6 V.
Wenn das Oxidationsgas verknappt ist, zeigt ein Vergleich des Anodenpotentials AN3 mit dem Anodenpotential AN2 während des normalen Betriebs nahezu keine Potentialveränderung. Andererseits ist das Kathodenpotential CA3 niedriger als das Kathodenpotential CA2 während des normalen Betriebs und zeigt einen durch den Gleichspannungswiderstand verursachten Spannungsabfall IR3. Damit ist das Kathodenpotential CA3 niedriger als das Anodenpotential AN3. Die bei Verknappung des Oxidationsgases gemessene Zellenspannung VC3 ist gleich einem Spannungswert VC3, der durch Subtraktion des bei Verknappung des Oxidationsgases gemessenen Anodenpotentials AN3 vom bei Verknappung des Oxidationsgases gemessenen Kathodenpotential CA3 erhalten wird. Weil das Kathodenpotential CA3 niedriger ist als das Anodenpotential AN3, weist die Zellenspannung VC3 einen negativen Wert auf.
Wenn das Brenngas verknappt ist, zeigt das Kathodenpotential CA4 einen durch die Gleichstromwiderstandskomponente verursachten Spannungsabfall IR4. Jedoch zeigt ein Vergleich des Kathodenpotentials CA4 mit dem Kathodenpotential CA2 während des normalen Betriebs nahezu keine Potentialveränderung. Andererseits ist das Anodenpotential AN4 höher als das Anodenpotential AN2 während des normalen Betriebs. Deshalb werden durch die Elektrolyse von Wasser Protonen erzeugt, um die Brenngasverknappung zu kompensieren. Die bei Brenngasknappheit gemessene Zellenspannung VC4 ist gleich dem Spannungswert VC4, der durch Subtraktion des bei Brenngasknappheit gemessenen Anodenpotentials AN4 von dem bei Brenngasknappheit gemessenen Kathodenpotential CA4 erhalten wird. Da das Kathodenpotential CA4 niedriger ist als das Anodenpotential AN4, weist die Zellenspannung VC4 einen negativen Wert auf.
Dabei sollte beachtet werden, daß bei Oxidationsgasknappheit das Anodenpotential AN3 nicht größer ist als ein vorgegebenes Schwellenpotential Van, jedoch bei Brenngasknappheit das Anodenpotential AN4 höher ist als das Schwellenpotential, weil durch die Elektrolyse von Wasser Protonen erzeugt werden. Das Schwellenpotential Van kann auf einen Wert innerhalb eines Potentialbereichs eingestellt werden, der während der Wasserelektrolyse erreicht wird, wobei dieser Wert eng bei einem Potential (z. B. 1,3 V) liegt, bei dem der in der Katalysatorschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 25 enthaltene Platinkatalysator beginnt, ionisiert zu werden. Indem der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer (in den Zeichnungen nicht gezeigten) das Anodenpotential messenden Meßschaltung versehen ist, kann die Steuervorrichtung 70 auf der Basis des Anodenpotentials feststellen, ob das Reaktionsgas knapp ist oder nicht.
Beispielsweise überwacht die Steuervorrichtung 70 ein Ausgangssignal einer Zellenüberwachungseinheit 73 in vorgegebenen arithmetischen Intervallen. Auf die Feststellung, daß die Zellenspannung auf einen negativen Wert abgesunken ist, vergleicht die Steuervorrichtung 70 das Anodepotential mit dem Schwellenpotential Van. Wenn der Vergleich anzeigt, daß das Anodenpotential höher ist als das Schwellenpotential Van, stellt die Steuervorrichtung 70 fest, daß das Brenngas knapp ist. Wenn der Vergleich anzeigt, daß das Anodenpotential niedriger ist als das Schwellenpotential Van, stellt die Steuervorrichtung 70 fest, daß das Oxidationsgas knapp ist. Dieses Feststellungsverfahren ist auf das Verfahren (Schritt 301) zur Feststellung der Brennstoffknappheit bei der Ausführungsform 1 und das Verfahren zur Feststellung der Oxidationsgasknappheit (Schritt 302) anwendbar. Wenn die Steuervorrichtung 70 feststellt, daß das Brenngas knapp ist, wird das Verfahren in den Schritten 305, 306 und 307 der Ausführungsform 1 ausgeführt. Wenn die Steuervorrichtung 70 feststellt, daß das Oxidationsgas knapp ist, wird das Verfahren in den Schritten 304, 306 und 307 der Ausführungsform 1 ausgeführt. Jedoch wird bei Knappheit des Oxidationsgases die Zelle 21 daran gehindert, elektrochemisch beschädigt zu werden. Das Verfahren zur Wiederherstellung der Zellenspannung (Schritt 307), wie etwa das Verfahren zur Begrenzung der Ausgangsleistung, kann entfallen, um es der Zellenspannung zu ermöglichen, einen negativen Wert anzunehmen.
Die oben beschriebene, auf dem Zellenelektrodenpotential basierende Handhabung der Zellenspannung ermöglicht die Feststellung, ob der Faktor der Abnahme der Zellenspannung die Verknappung des Brenngases oder die Verknappung des Oxidationsgases ist. Somit kann, wenn die Steuervorrichtung feststellt, daß eine Knappheit des Oxidationsgases vorliegt, die Einschränkung der Ausgangsleistung vermieden werden, um die Abnahme der Zellenspannung zu ermöglichen. Deshalb kann eine mögliche Verschlechterung des Fahrverhaltens vermieden werden.
(2) Handhabung der Zellenspannung basierend auf dem I-V-Diagramm
Die 8 zeigt ein Diagramm der I-V-Charakteristik. Die Abszissenachse zeigt den Zellenstrom und die Ordinatenachse zeigt die Zellenspannung. Eine Kurve 801 der I-V-Charakteristik zeigt unter der Annahme, daß der Zelle 21 eine angemssene Menge an Reaktionsgas zugeführt wird, die während des normalen Betriebs zu beobachtende I-V–Charakteristik. Eine Kurve 802 zeigt die I-V-Charakteristik, die unter der Annahme zu beobachten ist, daß der Zelle 21 eine unzureichende Menge an Reaktionsgas zugeführt wird und daß eine ausreichende Menge an Feuchtigkeit, die zur Erzeugung von Protonen zur Kompensation der Brenngasknappheit erforderlich ist, innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 gespeichert ist. In einer solchen Situation steht die für die Protonenerzeugung erforderliche Feuchtigkeitsmenge zur Verfügung, wodurch die mögliche Abnahme der Zellenspannung während der Elektrolyse des Wassers minimiert wird. Dabei sollte beachtet werden, daß selbst dann, wenn aus irgendeinem Grunde die Zellenspannung auf einen negativen Wert absinkt, nicht wenigstens sichergestellt ist, daß der Reduktionsfaktor der Zellenspannung die Brenngasknappheit ist, solang die Stromzellenspannung im Toleranzbereich 803 liegt. Dabei ist der Toleranzbereich 803 derart, daß innerhalb des Berreichs die Zellenspannung einen negativen Wert aufweist und einem Bereich oberhalb der I-V-Charateristikkurve 802 entspricht. Jedoch sollte beachtet werden, daß selbst dann, wenn die Zellenspannung unter die I-V-Charakteristikkurve 802 absinkt, dies nicht notwendigerweise anzeigt, daß eine Brenngasverknappung auftritt. Diese Charakteristik kann benutzt werden, um festzustellen, ob eine Brenngasknappheit besteht oder nicht.
Beispielsweise überwacht die Steuervorrichtung 70 das Ausgangssignal aus der Zellenüberwachungseinheit 73 in vorgegebenen arithmetischen Intervallen. Nach der Feststellung, daß die Zellenspannung auf einen negativen Wert abgefallen ist, vergleicht die Steuervorrichtung 70 den Spannungswert der I-V-Charakteristikkurve 802 (die Zellenspannung der I-V-Charakteristikkurve 802, die dem Zellenstrom entspricht, der gemessen wird, wenn die Zellenspannung auf die negative Spannung abfällt) mit der aktuellen Zellenspannung. Falls der Vergleich anzeigt, daß die aktuelle Zellenspannung höher ist als der Spannungswert der I-V-Charakteristikkurve 802 (falls die aktuelle Zellenspannung dem Toleranzbereich 803 angehört), stellt die Steuervorrichtung 70 fest, daß das Brenngas nicht verknappt ist. Dieses Feststellungsverfahren ist zur Anwendung beim Verfahren zur Feststellung einer Brenngasverknappung (Schritt 301) bei der Ausführungsform 1 geeignet. Wenn die Steuervorrichtung 70 feststellt, daß eine Brenngasverknappung vorliegt, wird die Verfahrensweise mit den Schritten 305, 306 und 307 durchgeführt. Wenn das Brenngas nicht verknappt ist, ist die Asenkung der Zellenspannung daran gehindert, die Zelle 21 zu beschädigen und ist deshalb gestattet. Überdies ist die Notwendigkeit beseitigt, die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 zu begrenzen. Die I-V-Charakteristikkurve 802 kann in einem für die Steuervorrichtung 70 zugänglichen Speicher festgehalten werden.
Nun werden Varianten der Handhabung der Zellenspannung basierend auf der I-V-Charakteristik unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 beschrieben.
Die 9 zeigt die I-V-Charakteristikkurve 802, für welche Temperatur Charakteristika in Betracht gezogen werden. Die I-V-Charakteristikkurven 802A, 802B und 802C zeigen I-V-Charakteristika bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen, die unter der Annahme beobachtet wurden, daß der Zelle 21 eine unzureichende Brenngasmenge zugeführt wird und innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 eine ausreichende Feuchtigkeitsmenge vorhanden ist, wie sie zur Erzeugung von Protonen zur Kompensation der Brenngasverknappung erforderlich ist. Der absolute Wert einer Aktivierungsüberspannung nimmt mit fallender Temperatur zu. Das erhöht das Ausmaß der Abnahme der Zellenspannung in einem Bereich mit niedrigem Strom. Außerdem steigt der Widerstand gegen den Protonenbewegung mit sinkender Temperatur. Das erhöht den Neigungswinkel eines linearen Bereichs der I-V-Charakteristik. Deshalb zeigt die I-V-Charaktersistikkurve 802B eine I-V-Charakteristik, die in einer kälteren Umgebung beobachtet wird als jene für die I-V-Charakteristikkurve 802A, und die I-V-Charakteristikkurve 802C zeigt eine I-V-Charakteristik, die in einer kälteren Umgebung beobachtet wird als jene für die I-V-Charakteristikkurve 802B. Wie in den I-V-Charakteristikkurven 802A, 802B und 802C gezeigt, nimmt der tolerierbare Bereich 803 der Abnahme der Zellenspannung allmählich mit sinkender Temperatur zu. Die Benutzung der I-V-Charakteristikkurve 802, deren Temperaturcharakterisik in Betracht gezogen wird, ermöglicht eine genauere Handhabung der Zellenspannung.
Die 10 zeigt eine I-V-Charakteristikkurve 804, die durch Korrekturen erhalten wird, die einen Toleranzbereich 805 berücksichtigen, der durch Umwandlung einer Steuerungsverzögerung in einen Spannungswert erhalten wird. Während Wasser einer Elektrolyse ausgesetzt wird, während das Brenngas knapp ist, nimmt die Zellenspannung relativ schnell ab. Deshalb kann, selbst wenn die Steuervorrichtung feststellt, daß das Brenngas nicht verknappt ist, nachdem die Zellenspannung auf einen Wert innerhalb des Toleranzbereichs 803 und relativ nahe an der I-V-Kurve 802 gesunken ist, falls das Brenngas aktuell verknappt ist, die Zellenspannung danach in kurzer Zeit unter die I-V-Kurve 802 absinken. Die scharfe Reduzierung der Zellenspannung kann das Anodenpotential über das oben beschriebene Schwellenpotential Van anheben, um den Platinkatalysator zu ionisieren, der in der Katalysatorschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 25 enthalten ist. Die mögliche Steuerungsverzögerung kann dadurch vermieden werden, daß die I-V-Charakteristikkurve 802 unter Berücksichtigung des Toleranzbereichs 805 korrigiert wird, der dadurch erhalten wird, daß die Zeit der Steuerungsverzögerung in einen Spannungswert umgewandelt wird, und daß die durch die Korrekturen erhaltene I-V-Charakteristikkurve 804 benutzt wird, um festzustellen, ob das Reaktionsgas knapp ist oder nicht. Die Zeitverzögerung der Steuerung kann die Dauer der verschiedenen Verfahrensschritte sein (Zeit für das Abfragen der Zellenspannung, Zeit für die Feststellung der Reaktionsgasverknappung und dergleichen), die für die Handhabung der Zellenspannung erforderlich ist, eine mechanische Verzögerungszeit der Antworten aus einem Steuerungssystem, oder dergleichen.
Die 11 zeigt eine vereinfachte I-V-Charakteristikkurve 806. Die I-V-Charakteristikkurve 806 zeigt Kurvendaten mit einem konstanten Wert V0 unabängig von der Zellenspannung an. Der konstante Wert V0 kann bestimmt werden als eine Zellenspannung die einem Zellenstrom = 0 auf der I-V-Charakteristikkurve 802 entspricht. Durch Einstellung des höchsten Spannungswerts V0 auf der I-V-Charakteristikkurve 802 als einer Schwellenspannung, darauf basierend, ob das Reaktionsgas verknappt ist oder nicht, kann auf der Basis der Spannung V0 für den gesamten Zellenstrombereich festgestellt werden, ob das Reaktionsgas verknappt ist oder nicht. Damit kann die Handhabung der Zellenspannung vereinfacht werden. In diesem Falle kann der jeder der verschiedenen Temperaturen zugeordnete Spannungswert V0 derart vorberechnet werden, daß die Zellenspannung auf der Basis der I-V-Charakteristikkurve 806 gehandhabt werden kann, für die die Temperaturcharakteristika in Betracht gezogen werden. Alternativ können Spannungswerte, auf deren Basis für den ganzen, für den Zellenbetrieb angenommenen Temperaturbereich vorberechnet werden kann, ob das Brenngas verknappt ist oder nicht, so daß die erhaltenen Spannungswerte die I-V-Charakteristikkurve 806 bilden.
Das Verfahren zur Feststellung, ob das Brenngas verknappt ist oder nicht unter Anwendung des Folgenden ist das gleiche, wie das Verfahren zur Feststellung, ob das Brenngas verknappt ist oder nicht unter Anwendung der I-V-Charakteristikkurve 802 (8): der I-V-Charakteristikkurven 802A, 802B und 802C (9), wobei die Temperaturcharakteristika in Betracht gezogen werden, der I-V-Charakteristikkurve 804 (10), wobei die Zeitverzögerung der Steuerung berücksichtigt wird, oder der vereinfachten I-V-Charakteristikkurve 806 (11). Die in den 9 bis 11 gezeigten I-V-Charakteristikkurven 802 (802A, 802B und 802C), 804 und 806 müssen nicht notwendigerweise unabhängig voneinander benutzt werden, sondern können kombiniert mit jedem beliebigen der Merkmale der I-V-Charakteristikkurven angewandt werden.
Gemäß der oben beschriebenen Handhabung der Zellenspannung auf der Basis der I-V-Charakteristikkurve kann der Toleranzbereich 803 der Zellenspannung, innerhalb welchem sichergestellt ist, daß das Brenngas nicht verknappt ist, unter Anwendung der I-V-Charakteristikkurven 802, 804 und 806 bestimmt werden, mittels derer die Abnahme der Zellenspannung während der Wasserelektrolyse minimiert wird. Wenn festgestellt wird, daß das Brenngas nicht verknappt ist, kann die Abnahme der Zellenspannung zugelassen werden, wodurch die Notwendigkeit zur Begrenzng der Ausgangsleistung beseitigt wird. Deshalb kann eine mögliche Verschlechterung des Fahrverhaltens vermieden werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 3 wird die Konstruktion, in der das Brennstoffzellensystem 10 benutzt wird, als ein in ein Fahrzeug eingebautes Leistungsversorgungssystem dargestellt. Jedoch ist die Gestaltung des Brennstoffzellensystems nicht darauf beschränkt. Beispielssweise kann das Brennstoffzellensystem 10 außer bei einem Brennstoffzellenfahrzeug als Leistungsquelle für ein beliebiges bewegliches Objekt (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug, oder dergleichen) eingebaut werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 10 als Einrichtung zur Leistungserzeugung (stationäres Leistungserzeugungssystem) für ein Haus, ein Gebäude oder dergleichen benutzt werden.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Gemäß der vrliegenden Erfindung kann der Toleranzbereich der Leistungserzeugung durch die Änderung des unteren Spannungsgrenzwerts in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle flexibel verändert werden. Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung in geeigneter Weise entsprechend dem Reduktionsfaktor der Zellenspannung gehandhabt werden durch die Feststellung, ob der Reduktionsfaktor der Zellenspannung die Brenngasverknappung oder die Oxidationsgasverknappung ist.
Zusammenfassung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Ein Brennstoffzellensystem stellt fest, ob eine Betriebsbedingung einer Brennstoffzelle einer Verknappung des Brenngases oder einer Verknappung des Oxidationsgases entspricht (Schritte 301 und 302). Falls festgestellt wird, daß eine Brenngasknappheit vorliegt (Schritt 301: JA), stellt das System einen unteren Spannungsgrenzwert höher ein als er eingestellt ist, wenn das System feststellt, daß eine Oxidationsgasknappheit vorliegt (Schritt 305). Das System steuert außerdem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart, daß ein Absinken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter den unteren Spannungsgrenzwert (Schritte 306 und 307) verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 7-63020 [0003, 0003]

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird; eine Feststellungsvorrichtung, die feststellt, ob ein Betriebszustand der Brennstoffzelle einer Brenngasknappheit oder einer Oxidationsgasknappheit entspricht; eine Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts die, wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Brenngasknappheit besteht, den unteren Spannungsgrenzwert höher einstellt als wenn die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Oxidationsgasknappheit besteht; und eine Steuervorrichtung, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart steuert, daß die Ausgangsspannung gehindert wird, unter den von der Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts eingestellten unteren Spannungsgrenzwert abzusinken.
Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird; eine Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts, die einen unteren Spannungsgrenzwert für einen Betrieb mit geringem Wirkungsgrad niedriger festsetzt als jenen für einen normalen Betrieb; und eine Steuervorrichtung, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart steuert, daß die Ausgangsspannung gehindert wird, unter den von der Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts eingestellten unteren Spannungsgrenzwert abzufallen.
Brennstoffzellensystem nach Ansdpruch 2, bei welchem die Steuervorrichtung den Betrieb mit geringem Wirkungsgrad ausführt, wenn zur Zeit des Starts des Brennstoffzellensystems die Temperatur gleich oder geringer ist als ein vorgegebener Wert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei welchem die Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts den unteren Spannungsgrenzwert dann, wenn eine Brenngasknappheit während des Betriebs mit geringem Wirkungsgrad vorliegt, niedriger einstellt, als wenn eine Brenngasknappheit während des normalen Betriebs vorliegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem die Vorrichtung zur Einstellung eines unteren Spannungsgrenzwerts den unteren Spannungsgrenzwert auf einen niedrigeren Wert einstellt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle abnimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als der untere Spannungsgrenzwert, die Steuervorrichtung ein Verfahren aus der Gruppe ausführt, die ein Verfahren mit einer der Brennstoffzelle zugeführten zunehmenden Brenngasmenge oder Oxidationsgasmenge, ein Verfahren zur Begrenzung des Ausgangsstroms aus der Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Stoppen der Leistungserzeugung umfaßt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem im Übergangszustand der Leistungserzeugung mit einer Änderung der Last, eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle als ΔV und eine Änderung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als ΔI definiert wird, die Feststellungsvorrichtung |ΔV/ΔI| berechnet, und wenn |ΔV/ΔI| gleich oder größer ist als ein erster Schwellenwert, die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß das Oxidationsgas verknappt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem in einem Beharrungszustand der Leistungserzeugung ohne Änderung der Last, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle als ΔV und eine zeitliche Änderung als Δt definiert ist, die Feststellungsvorrichtung |ΔV/Δt| berechnet, und wenn |ΔV/Δt| gleich oder größer ist als ein zweiter Schwellenwert feststellt, das das Brenngas knapp ist, und, wenn |ΔV/Δt| kleiner ist als der zweite Schwellenwert, die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß das Oxidationsgas knapp ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem, wenn das Anodenpotential der Brennstoffzelle höher ist als ein vorgegebener Schwellenwert, die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß das Brenngas knapp ist, und wenn das Anodenpotential der Brennstoffzelle niedriger ist als die vorgegebene Schwellenspannung die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß das Oxidationsgas knapp ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem die Feststellungsvorrichtung die Zellenspannung auf einer Strom-Spannungs-Charakteristikkurve unter einem Zustand berechnet, der die Abnahme des Anodenpotentials der Brennstoffzelle während der Wasserelektrolyse minimiert, und daß, wenn die aktuelle Zellenspannung höher ist als die Zellenspannung auf der Strom-Spannungs-Charakteristikkurve, die Feststellungsvorrichtung feststellt, daß eine Verknappung des Brenngases nicht auftritt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, bei welchem die Strom-Spannungs-Charakteristikkurve Kurvendaten mit Temperaturcharakteristika zeigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, bei welchem die Strom-Spannungs-Charakteristikkurve hinsichtlich der Kurvendaten unter Berücksichtigung der zur Steuerung der Zellenspannung erforderlichen Verzögerungszeit vorkorrigiert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, bei welchem die Strom-Spannungs-Charakteristikkurve einen unabhängig vom Zellenstrom konstanten Spannungswert der Kurvendaten zeigt.