DE112008001579B4

DE112008001579B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008001579B4
Application number: DE112008001579.1T
Authority: DE
Inventors: Kota Manabe; Ayako Kawase
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP2008311080A; DE112008001579T5; US8530105B2; US20100151341A1; CN101682064B; CN101682064A; WO2008152950A1; JP5083709B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle; einer ersten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, an einem aktuellen Betriebspunkt in der Brennstoffzelle einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung zu ermitteln; einer zweiten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, eine Impedanz der Brennstoffzelle zu messen und den Betrag einer Spannungsverringerung, die durch einen Widerstand in der Brennstoffzelle verursacht wird, basierend auf dem Messergebnis der Impedanz und dem Ausgangsstrom zu messen; einer dritten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, den Betrag einer Spannungsverringerung festzustellen, die durch eine Polarisation in der Brennstoffzelle verursacht wird; einer vierten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, den Betrag einer Verringerung einer elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle festzustellen; einer Abschätzeinheit, die ausgebildet ist, die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle basierend auf den durch jede der Ermittlungseinheiten gewonnenen Ermittlungsergebnissen abzuschätzen; eine Einheit zur Feststellung eines Stöchiometrieverhältnisses, die ausgebildet ist, ein Stöchiometrieverhältnis eines der Brennstoffzelle zugeführten Oxidansgases festzustellen; und eine Beurteilungseinheit, die ausgebildet ist, basierend auf dem Stöchiometrieverhältnis des Oxidansgases zu beurteilen, ob ein Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung, ausschließlich des Betrags der durch den Widerstand aus der Differenz zwischen der elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle und der Ausgangsspannung am aktuellen Betriebspunkt verursachten Spannungsverringerung, zur Gänze aus dem Betrag der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung besteht oder die Kombination des Betrags der ...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das die Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand einer Brennstoffzelle steuert.
Stand der Technik
In diesen Tagen und Zeiten, in denen die Abhängigkeit der künftigen motorisierten Gesellschaft vom Öl große Bedeutung erlangt hat, erwarten die Leute, daß mit Brennstoffzellen bestückte Kraftfahrzeuge, die Wasserstoff als Brennstoff benützen, populär werden. Eine Brennstoffzelle hat eine stapelartige Struktur, bei der Zellen in Reihen gestapelt sind und unter Anwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Wasserstoff enthaltenden und einer Anode zugeführten Brenngas und einem Sauerstoff enthaltenden und einer Kathode zugeführten Oxidansgas elektrische Leistung erzeugt.
Im Vergleich mit anderen Arten von Leistungsquellen unterliegen Brennstoffzellen bezüglich des Starts verschiedenen Beschränkungen. Der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle nimmt durch eine Temperaturabsenkung oder eine Vergiftung eines Elektrodenkatalysators ab und kann deshalb ungeeignet werden, eine gewünschte Spannung/einen gewünschten Strom zu liefern oder gar die Einrichtung zu starten.
Im Lichte dieser Umstände wurde eine Aktion durchgeführt, bei der eine Brennstoffzelle mit einer knappen Versorgungsmenge wenigstens eines der beiden Gase, des der Anode zugeführten Brenngases und des der Kathode zugeführten Oxidansgases, gestartet wird, so daß eine Überspannung in einem Teil der Elektroden zunimmt und mehr Wärme erzeugt wird und dadurch die Temperatur der Brennstoffzelle zunimmt und der Elektrodenkatalysator im Bezug auf die Vergiftung wiederhergestellt wird, usw. (nachfolgend als Auffrischaktion bezeichnet) (siehe beispielsweise das unten genannte Patentdokument 1).
Patentdokument 1: JP 2003-504 807 A
Offenbarung der Erfindung
Die Strom-Spannungs-Charakteristika von Brennstoffzellen sind nicht konstant, sondern in großem Maße veränderlich, abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle (ob die Brennstoffzelle sich im Normalbetriebszustand oder im Zustand der Auffrischaktion befindet), von Umgebungsbedingungen (beispielsweise die Außentemperatur), etc. Falls die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gesteuert wird, ohne diese Bedingungen in Betracht zu ziehen, können Probleme auftreten, wie eine Überladung einer Sekundärbatterie.
In diesem Zusammenhang offenbart die JP 2005-050742 A etc. eine Technologie zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika einer Brennstoffzelle und zur Steuerung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle auf der Basis der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika. Jedoch zielt diese Technologie nicht darauf ab, den Spannungsabfall der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle für jeden Faktor abzuschätzen, und deshalb liegt ein Problem dieser Technologie in ihrer unzureichenden Genauigkeit bei der Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der vorstehend genannten Umstände und eine ihr zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das zur genauen Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika einer Brennstoffzelle befähigt ist.
Um der obigen Aufgabe gerecht zu werden, umfaßt ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle; eine erste Ermittlungseinheit, die an einem aktuellen Betriebspunkt in der Brennstoffzelle einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung ermittelt; eine zweite Ermittlungseinheit, die den Betrag einer Spannungsverringerung feststellt, die durch einen Widerstand in der Brennstoffzelle verursacht wird; eine dritte Ermittlungseinheit, die den Betrag einer Spannungsverringerung feststellt, die durch eine Polarisation in der Brennstoffzelle verursacht wird; eine vierte Ermittlungseinheit, die den Betrag einer Verringerung einer elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle feststellt, und eine Abschätzeinheit, die die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle basierend auf den durch jede der Ermittlungseinheiten gewonnenen Ermittlungsergebnissen abschätzt.
Mit einer solchen Gestaltung wird der als Ergebnis des Betriebs bewirkte Spannungsabfall nach den folgenden drei Typen kategorisiert: ein durch eine Polarisierung verursachter und nicht zum Strom proportionaler Spannungsabfall, ein durch einen Widerstand verursachter und zum Strom proportionaler Spannungsabfall, und ein einer Änderung einer elektromotorischen Spannung entsprechender Spannungsabfall, und die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle werden auf der Basis dieser Typen abgeschätzt. Als Ergebnis können im Vergleich zum Stand der Technik die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle genau abgeschätzt werden und folglich kann eine Abweichung zwischen den aktuellen Strom-Spannungs-Charakteristika und den geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika minimiert werden.
Bei der obigen Gestaltung mißt vorzugsweise die zweite Ermittlungseinheit eine Impedanz der Brennstoffzelle und den Betrag der durch den Widerstand verursachten Spannungsverringerung basierend auf dem Meßergebnis der Impedanz und dem Ausgangsstrom.
Auch wird es bei der obigen Gestaltung bevorzugt, daß das Brennstoffzellensystem weiter umfaßt: eine Einheit zur Feststellung eines Stöchiometrieverhältnisses, die ein Stöchiometrieverhältnis eines der Brennstoffzelle zugeführten Oxidansgases feststellt; und eine Beurteilungseinheit, die beurteilt, ob ein Betrag der Spannungsverringerung, ausschließlich des Betrags der Spannungsverringerung, verursacht durch den Widerstand aus der Differenz zwischen der elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle und der Ausgangsspannung am aktuellen Betriebspunkt, zur Gänze aus dem Betrag der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung besteht oder die Kombination des Betrags der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung und des Betrags der Verringerung der elektromotorischen Spannung einschließt, basierend auf dem Stöchiometrieverhältnis des Oxidansgases.
Weiter wird es bei der obigen Gestaltung bevorzugt, daß die durch die Polarisation verursachte Spannungsverringerung eine Einschaltüberspannung einschließt und das Brennstoffzellensystem weiter eine Korrektureinheit umfaßt, die für jeden vorbestimmten Strombereich eine Spannungsabweichung feststellt, die zwischen den durch die Abschätzeinheit geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und der durch die erste Ermittlungseinheit ermittelten Ausgangsspannung am aktuellen Betriebspunkt entstanden ist, und auf der Basis der festgestellten Spannungsabweichung zumindest die Einschaltüberspannung korrigiert.
Weiter wird bei der obigen Gestaltung unter der Annahme, daß ein Strombereich, in dem zwischen dem Systemstart und dem gegenwärtigen Zeitpunkt eine Korrektur durchgeführt wurde, als korrigierter Strombereich bezeichnet wird, während ein Strombereich, in dem bisher keine Korrektur erfolgt ist, als unkorrigierter Strombereich bezeichnet wird, die Korrektureinheit die Einschaltüberspannung im unkorrigierten Strombereich unter Benutzung eines Korrekturbetrags für die Einschaltüberspannung im korrigierten Strombereich korrigiert.
Des weiteren wird bei der obigen Gestaltung bevorzugt, daß die Abschätzeinheit verschiedene Strom-Spannungs-Charakteristika abhängig von den Änderungsrichtungen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle abschätzt und die Korrektureinheit die Einschaltüberspannung unter Verwendung der den Veränderungsrichtungen entsprechenden Strom-Spannungs-Charakteristika korrigiert.
Außerdem wird bei der obigen Gestaltung bevorzugt, daß das Brennstoffzellensystem weiter eine Beurteilungseinheit umfaßt, die durch Vergleich des Betrags der durch die Polarisation verursachten und durch die dritte Ermittlungseinheit festgestellten Spannungsverminderung mit einem festgesetzten Betrag der Verringerung der elektromotorischen Spannung beurteilt, ob sich ein Katalysator in der Brennstoffzelle verschlechtert hat oder nicht.
Wie oben beschrieben schafft die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle genau abzuschätzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Blockschaltbild, das die grundlegende Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika nach dem Stand der Technik erläutert.
3 ist ein Diagramm, das das Verfahren zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika nach dem Stand der Technik erläutert.
4 ist ein Diagramm das jeden Spannungsabfall erläutert, der als Ergebnis einer Aktion auftritt.
5 ist ein Funktionsdiagramm einer Funktion zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Impedanzkurve zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Herbeiführung eines Spannungsabfalls erläutert, der durch einen Gleichstromwiderstand verursacht wird.
8 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung einer Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristik erläutert, wenn ein stöchiometrisches Luftverhältnis 1 ist oder höher.
9 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung einer Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristik erläutert, wenn ein stöchiometrisches Luftverhältnis unter 1 liegt.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensweise zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika zeigt.
11 ist ein Funktionsdiagramm, das sich auf die Funktion zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika gemäß der Anwendung 1 bezieht.
12 ist ein Diagramm, das eine Verfahrensweise zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika gemäß der Anwendung 2 erläutert.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Abschwächung eines Katalysators und der Aktivierung einer Überspannung in einer Brennstoffzelle erläutert.
14 ist eine Tabelle, die die Rückkopplungssteuerung zur Aktivierung der Überspannung gemäß der Anwendung 3 erläutert.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Beziehung zwischen der Änderungsrichtung eines Stroms und den Strom-Spannungs-Charakteristika zeigt.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
A. Ausführungsform
A.1 Gestaltung
Die 1 zeigt eine schematische Konfiguration eines Fahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist. Obwohl die folgende Beschreibung ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) als Beispiel für Fahrzeuge annimmt, ist doch zu beachten, daß das Brennstoffzellensystem auch bei Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen angewandt werden kann. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem nicht nur bei Fahrzeugen, sondern auch bei verschiedenen mobilen Objekten (z. B. Schiffen, Flugzeugen und Robotern), stationären Leistungsquellen und mobilen Brennstoffzellensystemen angewandt werden.
Eine Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidansgas), und es können verschiedene Bauformen von Brennstoffzellen, wie Polymerelektrolyt-Zellen, Phosphorsäurezellen und Schmelzkarbonatzellen verwendet werden. Die Brennstoffzelle 40 hat eine Stapelstruktur, bei der mehrere Einzelzellen, deren jede eine MEA (Membran/Elektroden-Anordnung) etc. aufweist, in Reihen gestapelt sind. Eine Ausgangsspannung (nachfolgend als Brennstoffzellenspannung bezeichnet) und ein Ausgangsstrom (nachfolgend als Brennstoffzellenstrom bezeichnet) an einem aktuellen Betriebspunkt der Brennstoffzelle 40 werden jeweils durch einen Spannungsfühler (erste Ermittlungseinheit) 140 und einen Stromfühler (erste Ermittlungseinheit) 150 ermittelt. Ein Brenngas, wie ein Wasserstoffgas, wird von einer Brenngasquelle 10 einer Brennstoffelektrode (Anode) in der Brennstoffzelle 40 zugeleitet, während ein Oxidansgas, wie Luft, von einer Oxidansgasquelle 70 einer Luftelektrode (Kathode) zugeleitet wird.
Die Brenngasquelle 10 wird beispielsweise von einem Wasserstofftank und verschiedenen Ventilbauarten gebildet und steuert die der Brennstoffzelle 40 zugeführte Menge des Brenngases durch Einstellung des Öffnungsgrades der Ventile oder deren EIN/AUS-Schaltzeitpunkte.
Die Oxidansgasquelle 70 wird beispielsweise von einem Luftkompressor, einem Motor zum Antrieb des Luftkompressors und einem Inverter bzw. Wechselrichter gebildet und stellt die Menge des der Brennstoffzelle 40 zuzuführenden Oxidansgases durch Einstellung der Drehzahl des Motors etc. ein.
Eine Batterie 60 ist eine entladbare/ladbare Sekundärbatterie, die beispielsweise von einer Nickel-Wasserstoff-Batterie gebildet wird. Offensichtlich kann statt der Batterie 60 auch eine andere entladbare/ladbare Leistungsspeichervorrichtung als die Sekundärbatterie (beispielsweise ein Kondensator) verwendet werden. Die Batterie 60 und die Brennstoffzelle 40 sind in Parallelschaltung mit einem Inverter 110 für einen Fahrmotor verbunden, und ein Gleichstrom/Gleichstromwandler 130 ist zwischen der Batterie 60 und dem Inverter 110 vorgesehen.
Der Inverter 110 ist beispielsweise ein Inverter von der Bauart eines Pulsbreitenmodulators (PWM), der die von der Brennstoffzelle 40 ausgegebene Gleichstromleistung gemäß einem durch eine Steuervorrichtung 80 erteilten Steuerbefehl in eine Dreiphasenwechselstromleistung umwandelt und dann die umgewandelte Leistung einem Fahrmotor 115 zuführt. Der Fahrmotor 115 ist ein Motor zum Antrieb der Antriebsräder 116R und 116L und die Drehzahl des Motors wird durch den Inverter 110 gesteuert.
Der Gleichstrom/Gleichstromwandler 130 ist ein Vollbrückenwandler der beispielsweise vier Leistungstransistoren umfaßt und einen zugeordneten Steuerkreis (die alle nicht dargestellt sind). Der Gleichstrom/Gleichstromwandler 130 hat die Funktion, den Gleichspannungseingang von der Batterie 60 zu erhöhen oder zu senken und dann die Gleichspannung an die Brennstoffzelle 40 auszugeben, und die Funktion, den Gleichspannungseingang von der Brennstoffzelle 40 zu erhöhen oder zu senken und dann die Gleichspannung an die Batterie 60 auszugeben. Diese Funktionen des Gleichstrom/Gleichstromwandlers 130 laden und entladen die Batterie 60.
Zwischen der Batterie 60 und dem Gleichstrom/Gleichstromwandler 130 sind Hilfsvorrichtungen 120 vorgesehen, wie Fahrzeughilfsvorrichtungen und Brennstoffzellenhilfsvorrichtungen. Die Batterie 60 dient als Leistungsquelle dieser Hilfsvorrichtungen 120. Es ist zu beachten, daß sich Fahrzeughilfsvorrichtungen auf verschiedene Arten elektrischer Einrichtungen bezieht, die während des Betriebs des Fahrzeugs benutzt werden (z. B. Beleuchtungseinrichtungen, eine Klimatisierungseinrichtung und eine Hydraulikpumpe), während Brennstoffzellenhilfsvorrichtungen sich auf verschiedene Arten elektrischer Einrichtungen bezieht, die während des Betriebs der Brennstoffzelle 40 benutzt werden (z. B. Pumpen für die Versorgung mit Brenngas und Oxidansgas).
Die Steuervorrichtung 80 wird von einer CPU, einem RAM, einem ROM, etc. gebildet und steuert zentral jeden Abschnitt des Systems basierend auf Sensor- bzw. Fühlersignalen, eingegeben vom Spannungsfühler 140 zur Ermittlung der Brennstoffzellenspannung, dem Stromfühler 150 zur Ermittlung des Brennstoffzellenstroms, einem Temperaturfühler 50 zur Ermittlung der Temperatur der Brennstoffzelle 40, einem Fühler zur Ermittlung des Ladungszustands der Batterie 60, einem dem Fahrpedal zugeordneten Fühler zur Ermittlung des Öffnungsgrades eines Fahrpedals, etc. Auch führt die Steuervorrichtung 80 eine Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika mit im Vergleich zum Stand der Technik größerer Genauigkeit aus durch Abschätzung eines Spannungsabfalls in der Brennstoffzelle 40 bezüglich eines jeden Faktors.
Verfahren zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika
Die 2 und 3 sind Diagramme, die die Verfahrensweise zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika gemäß dem Stand der Technik erläutern. Die 2 und 3 zeigen Informationen, die zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika benutzt werden, wobei die strichpunktierte Linie einen geschätzten Verlauf des Spannungsabfalls zeigt, der durch Aktivierungspolarisation (Einschaltüberspannung) verursacht wird, die durchgehende Linie zeigt den Verlauf der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und die strichpunktierte Linie mit zwei Punkten zeigt den geschätzten Verlauf eines durch einen Gleichstromwiderstands verursachten Spannungsabfalls. Es ist zu beachten, daß die vertikale Achse und die horizontale Achse in den 2 und 3 eine Brennstoffzellenspannung bzw. einen Brennstoffzellenstrom zeigen und der Schnittpunkt mit der vertikalen Achse eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Spannung) Ve anzeigt.
Wie in 2 gezeigt, wurden beim Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik die elektromotorische Kraft Ve der Brennstoffzelle und die Einschaltüberspannung als feste Werte dargestellt. Somit wurde der gesamte Unterschied zwischen der Brennstoffzellenspannung am aktuellen Betriebspunkt und der Einschaltüberspannung als ein durch den Gleichstromwiderstand verursachter Spannungsabfall bestimmt (siehe 3), wenn eine Brennstoffzellenspannung und ein Brennstoffzellenstrom durch einen Spannungsfühler und einen Stromfühler und am aktuellen Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) erfaßt wurden.
Jedoch wird, wenn, wie oben beschrieben, die gesamte Differenz zwischen der Brennstoffzellenspannung am aktuellen Betriebspunkt und der Einschaltüberspannung als ein durch den Gleichstromwiderstand verursachter Spannungsabfall bestimmt wird und der durch den Gleichstromwiderstand verursachte, geschätzte Wert des Spannungsabfalls unter Anwendung einer Zeitkonstante verschoben wird, eine große Abweichung zwischen der Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und dem aktuellen Betriebspunkt auftreten.
Im Lichte der obigen Umstände sahen sich die Erfinder veranlaßt, diese Abweichung zu studieren und ermittelten Faktoren der Abweichung wie folgt. Insbesondere stellten die Erfinder die folgenden Punkte als die Hauptfaktoren der Abweichung fest – die elektromotorische Kraft Ve einer Brennstoffzelle wurde als konstant behandelt, auch wenn sie sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand (Normalbetrieb oder Auffrischaktion) verändert, und die Einschaltüberspannung wurde als konstant behandelt, auch wenn sie sich durch Einflüsse, wie mit der Zeit stattfindende Verschlechterung und Temperatur, verändert.
Angesichts des Obigen wird bei dieser Ausführungsform der Spannungsabfall, der als Ergebnis der Aktion auftritt, in drei Typen eingeteilt: (1) durch Polarisation verursachter, nicht zum Strom proportionaler Spannungsabfall; (2) Spannungsabfall proportional zum Strom (durch den Gleichstromwiderstand verursachter Spannungsabfall); (3) Spannungsabfall entsprechend einer Änderung der elektromotorischen Spannung, und die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle werden basierend auf diesen Spannungsabfall-Typen abgeschätzt (siehe 4). In 4 wird der der Änderung der elektromotorischen Spannung entsprechende Spannungsabfall durch die fett gestrichelte Kurve dargestellt. Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform der durch die Polarisation verursachte Spannungsabfall sich auf einen Spannungsabfall bezieht, der durch die Aktivierungspolarisation und Konzentrationspolarisation verursacht ist. Jedoch wird zur Vereinfachung der Erläuterung bei der folgenden Beschreibung die Einschaltüberspannung (ein durch Aktivierungspolarisation verursachter Spannungsabfall) als der Spannungsabfall betrachtet, der durch die Polarisation verursacht und nicht proportional zum Strom ist.
Gegenmaßnahmen
Zunächst wird, was den durch den oben bei (2) erwähnten Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall betrifft, die Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle 40 während der Aktion des Systems intermittierend oder kontinuierlich gemessen, um einen geschätzten Gleichstromwiderstandswert zu erzeugen, und der durch den Gleichstromwiderstand verursachte Spannungsabfall wird unter Benutzung dieses geschätzten Gleichstromwiderstandswertes abgeschätzt.
Die 5 ist ein Funktionsdiagramm einer Funktion der Steuervorrichtung 80 zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika.
Die Steuervorrichtung 80 schließt einen Impedanzmeßabschnitt 81, einen Abschnitt 82 zur Messung der Luftstöchiometrie und einen Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika ein. Die 6 ist ein Diagramm, das auf einer komplexen Fläche das Ergebnis einer Impedanzmessung unter Anwendung eines Wechselstromimpedanzverfahrens zeigt, wobei die vertikale Achse einen imaginären Teil zeigt, während die horizontale Achse einen realen Teil zeigt.
Wenn die Impedanz der Brennstoffzelle 40 unter einer vorgegebenen Bedingung gemessen wird, und die Trajektorie der Impedanz zusammen mit einer Frequenzänderung auf der komplexen Fläche aufgezeichnet wird (Cole-Cole-Diagramm), kann die in 6 gezeigte Impedanzkurve erhalten werden. Bei dieser Ausführungsform mißt der Impedanzmeßabschnitt (zweite Ermittlungseinheit) 81 der Steuervorrichtung 80 intermittierend oder kontinuierlich die Impedanz der Brennstoffzelle 40 während der Aktion des Systems. Der Impedanzmeßabschnitt 81 benutzt dann den realen Teil der Impedanz, die gemessen wurde (gemessene Impedanz), als einen geschätzten Gleichstromwiderstandswert Re, multipliziert den geschätzten Gleichstromwiderstandswert Re mit dem vom Stromfühler 150 ermittelten Brennstoffzellenstrom und stellt damit den durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall fest (siehe 6). Der Impedanzmeßabschnitt 81 informiert den Abschnitt 82 zur Messung der Luftstöchiometrie in der Steuervorrichtung 80 über den auf diese Weise ermittelten, durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall.
Nach Empfang der Information, die den durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall enthält, beurteilt der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie (Einheit zur Ermittlung des stöchiometrischen Verhältnisses), ob das stöchiometrische Luftverhältnis zum aktuellen Zeitpunkt 1 oder höher ist oder nicht, durch Ermittlung der der Brennstoffzelle 40 zugeführten Oxidansgasmenge (der pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge), und informiert dann den Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika der Steuervorrichtung 80 über das Ergebnis der Beurteilung. Dabei wird das stöchiometrische Luftverhältnis benutzt, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle 40 zu identifizieren, wobei der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie feststellt, daß der Betriebszustand der normale Betriebszustand ist, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis auf 1 oder höher gesetzt wird, während der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie entscheidet, daß der Betriebszustand die Auffrischaktion ist, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis auf unter 1 eingestellt ist.
Der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika (Beurteilungseinheit, Abschätzeinheit) stellt eine Spannungsabfallkomponente fest, die den Spannungsabfall ausschließt, der durch den Gleichstromwiderstand verursacht wird (nachfolgend als „verbleibende Spannungsabfallkomponente” bezeichnet), basierend auf dem stöchiometrischen Luftverhältnis, das vom Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie mitgeteilt wurde.
Zunächst erhält der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika einen aktuellen Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) der Brennstoffzelle 40 zum gegenwärtigen Zeitpunkt (siehe 7). Der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika bezieht sich auf das vom Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie mitgeteilte stöchiometrische Luftverhältnis und beurteilt, ob das stöchiometrische Luftverhältnis 1 oder höher ist oder nicht. Falls das mitgeteilte stöchiometrische Luftverhältnis 1 oder höher ist, stellt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika (dritte Ermittlungseinheit) fest, daß die verbleibende Spannungskomponente zur Gänze aus den Aktivierungsspannungen besteht und erzeugt die in 8 gezeigte, geschätzte Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristika. In 8 zeigt die durchgehende Linie die Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristika, die strichpunktierte Linie zeigt eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung und die strichpunktierte Kurve mit zwei Punkten zeigt eine geschätzte Kurve eines durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfalls.
Andererseits stellt, wenn das mitgeteilte stöchiometrische Luftverhältnis unter 1 liegt, der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika fest, daß die verbleibende Spannungsabfallkomponente die Kombination der Einschaltüberspannung und des der Änderung der elektromotorischen Spannung entsprechenden Spannungsabfalls einschließt (siehe 9). Dabei benutzt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika (dritte Ermittlungseinheit), wenn eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung bereits wie oben beschrieben erzeugt wurde (siehe 8), die erzeugte, geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung, während, wenn eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung noch nicht erzeugt wurde, der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika (dritte Ermittlungseinheit) eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung benutzt, die vor der Auslieferung eines Produkts voreingestellt wurde (die geschätzte Kurve der Einschaltspannung, die durch Versuche etc. voreingestellt wurde). Nach Bestimmung des der Änderung der elektromotorischen Spannung entsprechenden Spannungsabfalls ΔV (= Ve – Ve') durch Verwendung dieser geschätzten Kurven der Einschaltüberspannung erzeugt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika (vierte Ermittlungseinheit) die geschätzte Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristika wie in 9 gezeigt. In 9 zeigt die durchgehende Linie die geschätzte Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristika, die strichpunktierte Linie zeigt die geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung und die strichpunktierte Linie mit zwei Punkten zeigt die geschätzte Kurve des durch den Gleichstromwiderstand erzeugten Spannungsabfalls. Nun wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 10 die vor der Steuervorrichtung 80 ausgeführte Verfahrensweise zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika beschrieben.
A-2. Erläuterung der Aktion
Der Impedanzmeßabschnitt 81 der Steuervorrichtung 80 mißt intermittierend die Impedanz der Brennstoffzelle 40 während der Aktion des Systems. Der Impedanzmeßabschnitt 81 verwendet den realen Teil der gemessenen Impedanz als einen geschätzten Wert Re des Gleichstromwiderstands, multipliziert diesen geschätzten Wert Re des Gleichstromwiderstands mit dem durch den Stromfühler 150 ermittelten Brennstoffzellenstrom und stellt dadurch den durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall fest (Schritt S100 bis Schritt S200). Der Impedanzmeßabschnitt 81 informiert dann den Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie in der Steuervorrichtung 80 über den so ermittelten, durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall.
Nach Empfang der Mitteilung über den durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall beurteilt der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie, ob zum gegenwärtigen Zeitpunkt das stöchiometrische Luftverhältnis 1 oder höher ist oder nicht durch Feststellung der der Brennstoffzelle 40 zugeführten Oxidansgasmenge (Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Gases)(Schritt 300), und teilt dann dem Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika in der Steuervorrichtung 80 das Beurteilungsergebnis mit. Dabei wird das stöchiometrische Luftverhältnis benutzt, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle 40 zu identifizieren, wobei der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie feststellt, daß die Betriebsweise normal ist, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis auf 1 oder höher eingestellt ist, während der Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie feststellt, daß die Betriebsweise die Auffrischaktion ist, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis unter 1 eingestellt ist.
Der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika stellt beispielsweise auf der Basis des durch den Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie festgestellten stöchiometrischen Luftverhältnisses eine den durch den Gleichstromwiderstand verursachten Spannungsabfall ausschließende Spannungsabfallkomponente fest (nachfolgend als „verbleibende Spannungsabfallkomponente” bezeichnet). Mit anderen Worten, der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika entscheidet, ob die Spannungsabfallkomponente, welche den Spannungsabfall ausschließt, der durch den Gleichstromwiderstand aus der Differenz zwischen der elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle und dem aktuellen Betriebspunkt verursacht wird (Ifc1, Vfc1), zur Gänze aus der Einschaltüberspannung (dem Betrag der durch die Polarisation verursachten Spannungsreduzierung) besteht oder die Kombination aus der Einschaltüberspannung und dem der Änderung der elektromotorischen Spannung (der Reduzierung der elektromotorischen Spannung) entsprechenden Spannungsabfall einschließt.
Insbesondere erhält der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika zunächst den aktuellen Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) der Brennstoffzelle 40 zum gegenwärtigen Zeitpunkt (7). Der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika stellt fest, daß die verbleibende Spannungskomponente zur Gänze aus der Einschaltspannung besteht, wenn das vom Abschnitt 82 zur Beurteilung der Luftstöchiometrie mitgeteilte stöchiometrische. Luftverhältnis 1 ist oder höher (Schritt S400), erzeugt die Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika wie in 8 gezeigt (Schritt S500) und beendet das Verfahren.
Andererseits stellt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika fest, daß die verbleibende Spannungsabfallkomponente die Kombination der Einschaltüberspannung und des durch die Änderung der elektromotorischen Spannung verursachten Spannungsabfalls einschließt, wenn das mitgeteilte stöchiometrische Luftverhältnis unter 1 liegt (Schritt S450). Bei diesem Schritt nützt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika, wenn die geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung bereits wie oben beschrieben erzeugt wurde (siehe 8), die erzeugte geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung. Wenn eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung noch nicht erzeugt wurde, benutzt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika eine geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung, die beim Versand des Produkts voreingestellt wurde (die geschätzte Kurve der Einschaltspannung, die durch Versuche etc. voreingestellt wurde). Nach Feststellung des der Änderung der elektromotorischen Spannung entsprechenden Spannungsabfalls ΔV (= Ve – Ve') unter Verwendung dieser geschätzten Kurven der Einschaltüberspannung erzeugt der Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika die Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika wie in 9 gezeigt (Schritt S500) und beendet das Verfahren.
Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform der Spannungsabfall, der als Ergebnis der Aktion aufritt, in drei Typen kategorisiert: (1) ein Spannungsabfall verursacht durch Polarisation und nicht proportional zum Strom, (2) ein zum Strom proportionaler Spannungsabfall (Spannungsabfall verursacht durch den Gleichstrom widerstand), (3) ein Spannungsabfall entsprechend der Änderung der elektromotorischen Spannung, und die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle werden basierend auf diesen Typen des Spannungsabfalls geschätzt. Demzufolge können die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle mit im Vergleich zum Stand der Technik höherer Genauigkeit geschätzt werden, wodurch die Abweichung zwischen den aktuellen Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle und der geschätzten Kurve der Strom-Spannungs-Charakteristika minimiert wird.
B. Anwendungen
Anwendung 1
11 ist ein Funktionsdiagramm in Blockdarstellung, das sich auf die Funktion zur Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika einer Steuervorrichtung 80a gemäß der Anwendung 1 bezieht.
Die Steuervorrichtung 80a ist die gleiche wie die in 5 gezeigte Steuervorrichtung 80, mit der Ausnahme, daß ein zusätzlicher Lernabschnitt 84 vorgesehen ist. Demgemäß sind übereinstimmende Bezugszahlen übereinstimmenden Teilen zugeordnet und eine detaillierte Beschreibung für sie entfällt.
Der Lernabschnitt (Korrektureinheit) 84 erhält die Differenz zwischen der vom Abschnitt 83 zur Erzeugung einer Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika erzeugten Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und einem aktuellen Betriebspunkt im gegenwärtigen Zeitpunkt und führt eine Rückkopplung der erhaltenen Differenz (d. h. die Spannungsabweichung) zu einer Einschaltüberspannung in einem Spannungsbereich durch, zu dem der aktuelle Betriebspunkt gehört. Insbesondere erhält der Lernabschnitt 84 die Differenz zwischen dem aktuellen Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) zum gegenwärtigen Zeitpunkt und der Kurve der geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und korrigiert den Strombereich (nachfolgend als „der Bereich” bezeichnet), zu dem der aktuelle Betriebspunkt gehört, auf der Basis der erhaltenen Differenz und korrigiert die geschätzte Kurve der Einschaltüberspannung. Es ist anzumerken, daß die Anwendung 1 ein Beispiel der Einschaltüberspannung (durch die Einschaltpolarisation verursachter Spannungsabfall) bietet, als ein durch die Polarisation verursachter Spannungsabfall und nicht proportional zum Strom, und den Fall beschreibt, bei dem die Einschaltüberspannung rückkopplungsgesteuert (feedback-controlled) ist. Jedoch kann zusätzlich zur Einschaltüberspannung oder anstelle dieser eine Konzentrationsüberspannung rückkopplungsgesteuert sein. Gleiches gilt für die unten beschriebenen Anwendungen.
Anwendung 2
Ob die Brennstoffzelle 40 beeinträchtigt wurde oder nicht, kann durch die Feststellung des durch die Polarisation verursachten und nicht zum Strom proportionalen Spannungsabfall bestimmt werden. Insbesondere bei der Feststellung des durch die Polarisation verursachten und nicht zum Strom proportionalen Spannungsabfalls vergleicht die Steuervorrichtung (Beurteilungseinheit) 80 zunächst das Ausmaß des festgestellten Spannungsabfalls und einen in einem (nicht gezeigten) Speicher gespeicherten Bezugswert für die Beurteilung der Verschlechterung des Stapels (das Ausmaß der Verringerung der elektromotorischen Spannung). Es ist zu beachten, daß als Bezugswert für die Beurteilung der Verschlechterung des Stapels ein Wert benutzt werden kann, der vorab durch Versuche bestimmt wurde. Die Steuervorrichtung (Beurteilungseinheit) 80 stellt fest, daß die Wirkung des Katalysators der Brennstoffzelle 40 abgenommen hat (d. h. der Katalysator geschwächt wurde), wenn das Ausmaß des festgestellten Spannungsabfalls den Bezugswert für die Beurteilung der Verschlechterung des Stapels übersteigt, und führt eine Steuerung durch, um die Außenseite des Systems, etc., mit einer Nachricht zu versorgen, die eine Auffrischungssteuerung oder den Ersatz der Brennstoffzelle 40 veranlaßt.
Es gibt einen Strombereich, in welchem sich der durch die Polarisation und nicht zum Strom proportionale Spannungsabfall, insbesondere die Einschaltüberspannung, in großem Ausmaß verändert, wenn die Wirkung des Katalysators der Brennstoffzelle 40 abnimmt (siehe den schraffierten Teil in 13). Demgemäß kann durch Ermittlung des Ausmaßes des Spannungsabfalls in diesem Strombereich A1 entschieden werden, ob die Wirkung des Katalysators der Brennstoffzelle 40 abgenommen hat oder nicht. Insbesondere ermittelt die Steuervorrichtung 80 das Ausmaß des Spannungsabfalls im Bereich A1 und beurteilt, ob das Ausmaß des ermittelten Spannungsabfalls den Bezugswert für die Beurteilung der Verschlechterung des Stapels überschreitet oder nicht. Falls das Ausmaß des ermittelten Spannungsabfalls den Bezugswert für die Beurteilung der Verschlechterung des Stapels überschreitet, stellt die Steuervorrichtung 80 fest, daß die Wirkung des Katalysators der Brennstoffzelle 40 abgenommen hat und führt eine Steuerung durch, um die Außenseite des Systems, etc., mit einer Nachricht zu versorgen, die eine Auffrischungssteuerung oder den Ersatz der Brennstoffzelle 40 veranlaßt. Mit einer solchen Gestaltung kann die Feststellung schnell bzw. exakt erfolgen, ob die Brennstoffzelle 40 sich verschlechtert hat oder nicht.
Anwendung 3
Obwohl oben das Beispiel beschrieben wurde, bei welchem eine Rückkopplungssteuerung die Einschaltüberspannung erfolgt, kann unter einer bestimmten Betriebsbedingung der Brennstoffzelle 40 ein Strombereich existieren, in welchem nach dem Einschalten eines Zündschlüssels die Rückkopplungssteuerung überhaupt nicht durchgeführt wurde.
Bei der Anwendung 3 wird der Betrag einer Rückkopplung in dem Bereich, in dem die Rückkopplungssteuerung bereits durchgeführt wurde (korrigierter Strombereich) in dem Strombereich reflektiert, in dem niemals eine Rückkopplungssteuerung stattgefunden hat (unkorrigierter Strombereich). Beispielsweise schätzt in der in 14 gezeigten Situation, in der die Rückkopplungssteuerung niemals für den Strombereich A1 durchgeführt wurde und die Rückkopplungssteuerung für den Strombereich An als den gegenwärtigen Zeitpunkt (Rückkopplungsbetrag Vn; Korrekturbetrag) durchgeführt wurde, die Steuervorrichtung 80 eine Einschaltüberspannung im Strombereich An-2 durch beispielsweise Addition des Rückkopplungsbetrags Vn des aktuellen Zeitpunkts zum Spannungswert im Strombereich An-2. Durch eine solche Gestaltung können selbst Strom-Spannungs-Charakteristika für einen unbenutzten Strombereich geschätzt und somit ein effektives Lernen realisiert werden. Theoretisch tritt die Situation, daß der Spannungswert in jedem Strombereich höher wird als der Spannungswert in niedrigen Strombereichen, niemals auf. Deshalb kann, um eine solche Situation bei einer Rückkopplungssteuerung zu verhindern, eine bestimmte Regel für die Rückkopplungssteuerung (es existiert kein Wendepunkt) vorab eingestellt werden.
Anwendung 4
Wenn die Einschaltüberspannung einer Rückkopplungssteuerung unterzogen wird, kann die Steuervorrichtung (Abschätzeinheit) 80 die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle 40 individuell für die Strom-Spannungs-Charakteristika abschätzen, die sich mit der Stromzunahme verändern, und für die Strom-Spannungs-Charakteristika, die sich mit der Verringerung des Stroms verändern. Die 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderungsrichtung eines Stroms und den Strom-Spannungs-Charakteristika zeigt, wobei die fette durchgehende Linie die sich bei der Stromzunahme verändernden Strom-Spannungs-Charakteristika zeigt, während die dünne durchgehende Linie die Strom-Spannungs-Charakteristika zeigt, die sich mit der Abnahme des Stroms verändern. Wie in 15 gezeigt, unterscheidet sich die Hysterese zwischen den Strom-Spannungs-Charakteristika, die sich mit der Stromzunahme ändern, und den Strom-Spannungs-Charakteristika, die sich mit der Abnahme des Stroms verändern. Die Steuervorrichtung 80 ermittelt die Änderungsrichtung des Ausgangsstroms (Zunahme oder Abnahme) der Brennstoffzelle 40 und schätzt die Strom-Spannungs-Charakteristika entsprechend der festgestellten Änderungsrichtung. Zusätzlich wird bei der Anwendung 4 der absolute Wert des Ausmaßes der Stromänderung bei der Durchführung der Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung festgestellt, wenn der absolute Wert unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, während zwei Typen der Strom-Spannungs-Charakteristika für eine Leistungssteuerung des Systems benutzt werden, ohne die Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung durchzuführen, wenn der absolute Wert gleich oder größer ist als der Schwellenwert.

(1) Wenn der absolute Wert des Ausmaßes der Stromänderung unter einem Schwellenwert liegt.

Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung, ob das Ausmaß der Stromänderung ein positiver oder ein negativer Wert ist. Wenn festgestellt wird, daß das Ausmaß der Stromänderung ein positiver Wert ist, führt die Steuervorrichtung 80 die Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung auf der Basis der Strom-Spannungs-Charakteristika mit dem zunehmenden Strom (die fette durchgehende Linie in 15) durch. Andererseits führt die Steuervorrichtung 80 die Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung auf der Basis der Strom-Spannungs-Charakteristika mit dem abnehmenden Strom (die dünne durchgehende Linie in 15) durch, wenn festgestellt wird, daß das Ausmaß der Stromänderung ein negativer Wert ist.

(2) Wenn der absolute Wert des Ausmaßes der Stromänderung gleich einem Schwellenwert ist oder ihn übersteigt.

In ähnlicher Weise beurteilt die Steuervorrichtung zunächst, ob das Ausmaß der Stromänderung ein positiver oder ein negativer Wert ist. Wenn festgestellt wird, daß das Ausmaß der Stromänderung ein positiver Wert ist, führt die Steuervorrichtung 80 die Leistungssteuerung für das System unter Anwendung der Strom-Spannungs-Charakteristika mit dem zunehmenden Strom (die fette durchgehende Linie in 15) durch, ohne die Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung durchzuführen. Andererseits führt die Steuervorrichtung 80 die Leistungssteuerung für das System unter Verwendung der Strom-Spannungs-Charakteristika mit dem abnehmenden Strom (die dünne durchgehende Linie in 15) durch, ohne die Rückkopplungssteuerung für die Einschaltüberspannung durchzuführen, wenn festgestellt wird, daß der Betrag der Stromänderung ein negativer Wert ist. Mit einer solchen Gestaltung kann die Genauigkeit der Abschätzung der Strom-Spannungs-Charakteristika verbessert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle; einer ersten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, an einem aktuellen Betriebspunkt in der Brennstoffzelle einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung zu ermitteln; einer zweiten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, eine Impedanz der Brennstoffzelle zu messen und den Betrag einer Spannungsverringerung, die durch einen Widerstand in der Brennstoffzelle verursacht wird, basierend auf dem Messergebnis der Impedanz und dem Ausgangsstrom zu messen; einer dritten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, den Betrag einer Spannungsverringerung festzustellen, die durch eine Polarisation in der Brennstoffzelle verursacht wird; einer vierten Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, den Betrag einer Verringerung einer elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle festzustellen; einer Abschätzeinheit, die ausgebildet ist, die Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle basierend auf den durch jede der Ermittlungseinheiten gewonnenen Ermittlungsergebnissen abzuschätzen; eine Einheit zur Feststellung eines Stöchiometrieverhältnisses, die ausgebildet ist, ein Stöchiometrieverhältnis eines der Brennstoffzelle zugeführten Oxidansgases festzustellen; und eine Beurteilungseinheit, die ausgebildet ist, basierend auf dem Stöchiometrieverhältnis des Oxidansgases zu beurteilen, ob ein Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung, ausschließlich des Betrags der durch den Widerstand aus der Differenz zwischen der elektromotorischen Spannung der Brennstoffzelle und der Ausgangsspannung am aktuellen Betriebspunkt verursachten Spannungsverringerung, zur Gänze aus dem Betrag der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung besteht oder die Kombination des Betrags der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung und des Betrags der Verringerung der elektromotorischen Spannung einschließt; wobei die dritte Ermittlungseinheit ausgebildet ist, den Betrag der Spannungsverringerung, die durch die Polarisation verursacht wird, basierend auf dem Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung zu ermitteln, wenn der Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung als zur Gänze aus dem Betrag der durch die Polarisation verursachte Spannungsverringerung bestehend bestimmt wurde; und wobei die vierte Ermittlungseinheit ausgebildet ist, den Betrag der Verringerung der elektromotorischen Spannung basierend auf dem Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung zu ermitteln, wenn der Betrag der verbleibenden Spannungsverringerung als die Kombination des Betrags der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung und des Betrags der Verringerung der elektromotorischen Spannung einschließend bestimmt wurde, und basierend auf dem festgestellten Betrag der durch die Polarisation verursachten Spannungsverringerung.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem die durch die Polarisation verursachte Spannungsverringerung eine Einschaltüberspannung einschließt, und das Brennstoffzellensystem weiter eine Korrektureinheit enthält, die ausgebildet ist, für jeden vorbestimmten Strombereich eine Spannungsabweichung festzustellen, die zwischen den durch die Abschätzeinheit geschätzten Strom-Spannungs-Charakteristika und der durch die erste Ermittlungseinheit ermittelten Ausgangsspannung am aktuellen Betriebspunkt entstanden ist, und auf der Basis der festgestellten Spannungsabweichung zumindest die Einschaltüberspannung zu korrigieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei welchem unter der Annahme, daß ein Strombereich, in dem zwischen dem Systemstart und dem gegenwärtigen Zeitpunkt eine Korrektur durchgeführt wurde, als korrigierter Strombereich bezeichnet wird, während ein Strombereich, in dem bisher keine Korrektur erfolgt ist, als unkorrigierter Strombereich bezeichnet wird, die Korrektureinheit ausgebildet ist, die Einschaltüberspannung im unkorrigierten Strombereich unter Benutzung eines Korrekturbetrags für die Einschaltüberspannung im korrigierten Strombereich zu korrigieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei welchem die Abschätzeinheit ausgebildet ist, verschiedene Strom-Spannungs-Charakteristika abhängig von den Änderungsrichtungen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle abzuschätzen, und die Korrektureinheit ausgebildet ist, die Einschaltüberspannung unter Verwendung der den Veränderungsrichtungen entsprechenden Strom-Spannungs-Charakteristika zu korrigieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Beurteilungseinheit, die ausgebildet ist, durch Vergleich des Betrags der durch die Polarisation verursachten und durch die dritte Ermittlungseinheit festgestellten Spannungsverminderung mit einem festgesetzten Betrag der Verringerung der elektromotorischen Spannung zu beurteilen, ob sich ein Katalysator in der Brennstoffzelle verschlechtert hat oder nicht.