DE112008001827B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Steuerung - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfaßt eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung und einen Kondensator zur Zuführung von Leistung zu verschiedenen Vorrichtungen, wenn die Brennstoffzelle in einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung ist. Das Brennstoffzellensystem betreibt die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts, um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch die Leistung zu erzeugen. Ein solches Brennstoffzellensystem umfaßt eine Steuervorrichtung, die beurteilt, ob der Strombefehlswert unter einem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist. Wenn eine bejahende Beurteilung erhalten wird, schaltet die Steuervorrichtung den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung um.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für das System.
  • Stand der Technik
  • Bisher wurde praktisch ein Brennstoffzellensystem angewandt, das eine Brennstoffzelle zum Empfang eines Reaktionsgases (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) zur Leistungserzeugung einschließt. Wenn das Brennstoffzellensystem die Leistung erzeugt, wird in der Brennstoffzelle durch eine elektrochemische Reaktion Wasser erzeugt. Falls die Brennstoffzelle bei einer Umgebung mit niedriger Temperatur, unterhalb des Gefrierpunktes oder derart, gestoppt wird und im Stillstand verharrt, während das Wasser in der Brennstoffzelle verbleibt, wird die Startdurchführung beim nächsten Start wegen des gelegentlichen Gefrierens des Wassers beeinträchtigt. Deshalb wurden bisher verschiedene Technologien zur Verringerung des Wasserinhalts vorgeschlagen.
  • Andererseits muß zur wirkungsvollen Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle der Feuchtigkeitszustand eines die Brennstoffzelle bildenden Elektrolytfilms erhalten bleiben. Deshalb wurde in vergangenen Jahren eine Technologie vorgeschlagen, bei der die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zwangsweise fortgesetzt wird, während der Wassergehalt der Brennstoffzelle gesteuert wird, um den Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle aufrecht zu erhalten (siehe beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung JP 2005-026 054 A ).
  • Die DE 100 07 973 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, in dem ein Zustand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen bestimmt wird und eine Regulierung durchgeführt wird, so daß der Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen innerhalb eines geeigneten Bereichs bleibt.
  • Die WO 2005/ 004 269 A2 beschreibt eine Leistungsversorgungsvorrichtung, die einen Brennstoffzellenstapel und eine Sekundärbatterie umfasst, wobei unter einer voreingestellten Bedingung ein intermittierender Antriebsmodus ausgewählt wird, um eine Leistungsversorgung ausschließlich aus der Sekundärbatterie zu beziehen.
  • Die US 2006 / 0 003 205 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das den Brennstoffzellenstapel mit Luft oder Wasserstoff vorab nachfüllt, basierend auf einer Erwartung einer Beschleunigung durch einen Signaleingang von einem Bremssensor, einem Schalthebel oder dergleichen.
  • Die DE 100 65 460 A1 beschreibt ein System und eine Steuerung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau, wobei das Feuchtigkeitsniveau aus einem Widerstand der Brennstoffzelle bestimmt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Indessen ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Reaktionsgasversorgungsvorrichtung vorgesehen (beispielsweise ein Luftkompressor zur Zuführung von Luft als Oxidationsgas) zur Zuführung eines Reaktionsgases zur Brennstoffzelle. Bisher wurde eine solche Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswertes betätigt und gesteuert, um das Reaktionsgas der Brennstoffzelle zuzuführen und dadurch Leistung zu erzeugen.
  • Jedoch wird bei einem herkömmlichen, in der oben beschriebenen offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2005-026 054 A offenbarten Brennstoffzellensystem in einem Leistungserzeugungsbereich mit niedrigem Strom, in welchem sich der Strombefehlswert unter einem dem Wasserüberschuß Null zugeordneten Stromwert (ein Stromwert, wenn der Wasserüberschuß in der Brennstoffzelle Null wird) befindet, aufgrund einer mechanischen Drosselstelle bei der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung die konstante Menge des Reaktionsgases der Brennstoffzelle zugeführt, so daß die Brennstoffzelle einen übermäßig trockenen Zustand aufweisen kann.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine solche Situation entwickelt und eine Aufgabe für diese ist es, das übermäßige Austrocknen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem zu unterbinden, das eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung, wie einen Kompressor, betreibt, um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen, wodurch Leistung erzeugt wird.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, umfaßt das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung und einen Kondensator zur Zuführung von Leistung zu verschiedenen Vorrichtungen, wenn die Brennstoffzelle in einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung ist, wobei das Brennstoffzellensystem derart gestaltet ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts betrieben wird, um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch die Leistung zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem weiter umfaßt: eine Steuervorrichtung, die beurteilt, ob der Strombefehlswert unter einem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist, und die den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung schaltet, wenn eine bejahende Beurteilung erhalten wird.
  • Außerdem ist ein Steuerverfahren gemäß der vorliegende Erfindung ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung und einen Kondensator für die Leistungsversorgung verschiedener Vorrichtungen bei einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung einschließt, wobei das Brennstoffzellensystem derart gestaltet ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts betrieben wird, um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch Leistung zu erzeugen, wobei das Steuerverfahren umfaßt: einen ersten Schritt zur Beurteilung, ob der Strombefehlswert unter einem einem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist; und einen zweiten Schritt, in welchem der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung geschaltet wird, wenn beim ersten Schritt eine bejahende Beurteilung erhalten wird.
  • Gemäß einer solchen Konstruktion und Verfahrensweise kann, wenn die Brennstoffzelle trocken ist (der Wassergehalt unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt), die gespeicherte Ladung des Kondensators vergleichsweise groß ist (der vorgegebene Schwellenwert oder höher) und der Strombefehlswert klein ist (unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert), der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung geschaltet werden. Deshalb kann, selbst wenn der Durchfluß des von der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung zuzuführenden Reaktionsgases aufgrund einer mechanischen Drosselstelle nicht auf einen vorgegebenen niedrigen Durchflußgrenzwert oder weniger eingestellt werden kann, unter das Austrocknen der Brennstoffzelle betreffenden Bedingungen die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung automatisch gestoppt werden und die Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle kann zeitweilig gestoppt werden. Demzufolge kann das übermäßige Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden werden. Es ist anzumerken, daß „der Leistungserzeugungszustand“ ein Zustand ist, in welchem die Brennstoffzelle kontinuierlich Leistung erzeugt, und „der zeitweilige Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung“ ein Zustand ist, in welchem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle zeitweilig gestoppt ist.
  • Im Brennstoffzellensystem ist es möglich, die Steuervorrichtung einzusetzen, die den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle aufrecht erhält, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert oder mehr eingestellt ist, in einem Falle, in dem der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
  • Außerdem kann das Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem einen dritten Schritt umfassen, bei dem der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle beibehalten wird, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert oder höher engestellt wird, falls der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
  • In einem Falle, in dem eine solche Konstruktion und ein solches Verfahren eingesetzt werden und wenn die Brennstoffzelle trocken ist (der Wassergehalt liegt unter dem vorgegebenen Schwellenwert) und die Ladungsmenge des Kondensators klein ist (unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts), kann der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle beibehalten werden, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert oder mehr eingestellt ist. Deshalb wird das übermäßige Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden und die Ladung des Kondensators kann realisiert werden.
  • Außerdem kann beim Brennstoffzellensystem ein Luftkompressor zur Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle als die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung eingesetzt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann beim Brennstoffzellensystem, das eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung, wie einen Luftkompressor, zur Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle betätigt, um dadurch Leistung zu erzeugen, das übermäßige Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockschaltbild eines der vorliegenden Ausführungsform entsprechenden Brennstoffzellensystems;
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle und dem von einem Kompressor erzeugten Luftdurchfluß zeigt;
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle und dem Wasserüberschuß in der Brennstoffzelle zeigt, und
    • 4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beste Weise die Erfindung auszuführen
  • Nachfolgend wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Mit der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem bordeigenen Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs angewandt wird.
  • Wie in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 2 ein, welche ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Oxidationsgas und ein Brenngas) zur Leistungserzeugung empfängt; ein Rohrleitungssystem 3 für das Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle 2 Luft als Oxidationsgas zuführt; ein Rohrleitungssystem 4 für das Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas als Brenngas zuführt; ein Leistungssystem 5, das die Leistung des Systems lädt oder entlädt, und eine Steuervorrichtung 6, die allgemein das ganze System steuert.
  • Die Brennstoffzelle 2 wird beispielsweise durch eine Bauform mit einem festen Polymerelektrolyt gebildet und umfaßt eine stapelförmige Struktur, in welcher eine große Anzahl von Einzelzellen gestapelt ist. Jede Einzelzelle der Brennstoffzelle 2 besitzt einen Luftpol auf einer Oberfläche eines von einer Elektronenaustauschmembran gebildeten Elektrolyten und einen Brennstoffpol auf der anderen Oberfläche des Elektrolyten, sowie weiter ein Paar von Separatoren, die von beiden Seiten den Elektrolyten sandwichartig einschließen. Das Brenngas wird einem Brenngaskanal in einem Separator zugeführt und das Oxidationsgas einem Oxidationsgaskanal im anderen Separator, und die Brennstoffzelle 2 erzeugt eine Leistung ausgehend von den zugeführten Gasen. An der Brennstoffzelle 2 ist ein Wassergehaltssensor 2a zur Feststellung der Wassermenge (der Wassergehalt) angebracht, die in den die Einzelzellen bildenden Elektrolyten eingeschlossen ist. Die Information über den vom Wassergehaltssensor 2a festgestellten Wassergehalt wird in die Steuervorrichtung 6 eingegeben und für die Steuerung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 2 benutzt.
  • Das Rohrleitungssystem 3 für das Oxidationsgas besitzt einen Luftversorgungskanal 11, durch den der Brennstoffzelle 2 zuzuführendes Oxidationsgas strömt, und einen Abgaskanal 12, durch den ein aus der Brennstoffzelle 2 austretendes Oxidationsabgas strömt. Der Luftversorgungskanal 11 ist mit einem Luftkompressor 14 versehen, der das Oxidationsgas über einen Filter 13 aufnimmt, und einen Befeuchter 15, der das unter Druck durch den Luftkompressor 14 beförderte Oxidationsgas befeuchtet. Das durch den Abgaskanal 12 strömende Oxidationsabgas durchquert ein Rückdruckregelventil 16, wird im Befeuchter 15 einem Wasseraustausch unterzogen, vermischt sich in einer (nicht gezeigten) Verdünnungseinheit mit Wasserstoffabgas, um das Wasserstoffabgas zu verdünnen und wird schließlich als Abgas aus dem System in die Atmosphäre entlassen. Der Luftkompressor 14 entspricht einer Ausführungsform einer Reaktionsgasversorgungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform betätigt und steuert die Steuervorrichtung 6 den Luftkompressor 14 auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts, um den Durchfluß (Luftdurchfluß) der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft zu regeln. In diesem Falle kann, wie in 2 gezeigt, aufgrund einer mechanischen Drosselstelle am Luftkompressor 14 der Durchfluß der vom Luftkompressor 14 der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Luft nicht auf einen unteren Durchflußgrenzwert Qu oder weniger eingestellt werden. Wenn der Strombefehlswert abnimmt und, wie in 3 gezeigt, der Durchfluß der vom Luftkompressor 14 zuzuführenden Luft den unteren Durchflußgrenzwert Qu erreicht, wird der Wasserüberschuß in der Brennstoffzelle 2 gleich Null oder Negativ. Deshalb schreitet das Austrocknen der Brennstoffzelle2 voran, wenn eine solche Leistungserzeugung mit niedrigem Strom während längerer Zeit anhält. Es ist zu beachten, daß der maximale Stromwert, wenn der Durchfluß der vom Luftkompressor 14 zugeführten Luft der unteren Durchflußgrenzwert Qu ist, ein Stromwert (der dem Wasserüberschuß Null entsprechende Stromwert I0) ist, bei dem der Wasserüberschuß der Brennstoffzelle 2 Null wird.
  • Das Rohrleitungssystem 4 für das Wasserstoffgas besitzt eine Wasserstoffquelle 21; einen Wasserstoffversorgungskanal 22, durch den das von der Wasserstoffquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Wasserstoffgas strömt; einen Kreislaufkanal 23, durch den das aus der Brennstoffzelle 2 austretende Wasserstoffabgas (ein Brennstoffabgas) zu einem Verbindungsstück A1 des Wasserstoffversorgungskanals 22 zurückgeführt wird; eine Wasserstoffpumpe 24, die das unter Druck stehende Wasserstoffgas im Kreislaufkanal 23 dem Wasserstoffversorgungskanal 22 zuführt, und einen Gas/Wasser-Abführkanal 25, der vom Kreislaufkanal 23 abzweigt und mit diesem verbunden ist.
  • Die Wasserstoffquelle 21 besteht beispielsweise aus einem Hochdrucktank, einer Wasserstoff enthaltenden Legierung oder dergleichen und kann das Wasserstoffgas mit einem vorgegebenen Druck (z.B. 35 MPa oder 70 MPa) aufnehmen. Es ist anzumerken, daß die Wasserstoffquelle 21 von einem Reformer gebildet werden kann, der aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis ein wasserstoffreiches Reformgas bildet, und aus einem Hochdruck-Gastank, der das im Reformer gebildete Reformgas in einen Hochdruckzustand bringt, um den Druck zu speichern. Außerdem kann der Tank mit einer Wasserstoff enthaltenden Legierung als die Wasserstoffquelle eingesetzt werden.
  • Der Wasserstoffversorgungskanal 22 ist mit einem Absperrventil 26 versehen, das die Versorgung mit dem Wasserstoffgas aus der Wasserstoffquelle 21 sperrt oder zuläßt, einem Druckregler 27, der den Druck des Wasserstoffgases regelt, und ein EIN/AUS-Ventil 28 der elektromagnetisch betätigten Bauart, das den Druck, den Durchfluß oder dergleichen des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffgases regelt. Wenn das Absperrventil 26 geöffnet wird, strömt das Wasserstoffgas von der Wasserstoffquelle 21 zum Wasserstoffversorgungskanal 22. Der Druck des Wasserstoffgases wird schließlich durch den Regulator 27 oder das EIN/AUS-Ventil 28 auf beispielsweise etwa 200kPa gesenkt und das Gas wird der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Betätigung des Absperrventils 26 und des EIN/AUS-Ventils 28 wird durch die Steuervorrichtung 6 gesteuert.
  • Der Kreislaufkanal 23 ist über eine Gas/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 und ein Gas/Wasser-Ablaßventil 31 mit dem Gas/Wasser-Abführkanal 25 verbunden. Die Gas /Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 /Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 sammelt Wasser aus dem Wasserstoffabgas. Das Gas/Wasser-Ablaßventil 31 arbeitet in Übereinstimmung mit einem Befehl von der Steuervorrichtung 6, um das von der Gas/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelte Wasser nach außen abzuführen (auszuscheiden) und das Wasserstoffabgas (das Brennstoffabgas) einschließlich Verunreinigungen in den Zirkulationskanal 23. Das durch das Gas/Wasser-Ablaßventil 31 und den Gas/Wasser-Abführkanal 25 abgeleitete Wasserstoffabgas verbindet sich mit dem Oxidationsabgas (Luft) des Abgaskanals 12 in einer (nicht gezeigten) Verdünnungseinheit, um verdünnt zu werden. Überdies ist der Zirkulationskanal 23 mit der Wasserstoffpumpe 24 versehen, die das Wasserstoffabgas in den Kreislaufkanal 23 drückt, um das Gas in Richtung auf den Wasserstoffversorgungskanal 22 zu fördern. Die Wasserstoffpumpe 24 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben, um das Wasserstoffgas im Kreislauf zu halten und aus einem Kreislaufsystem der Brennstoffzelle 2 zuzuführen.
  • Das Leistungssystem 5 schließt einen Hochspannungs-Gleichstromwandler 61, eine Batterie 62, einen Antriebsumrichter 63, einen Antriebsmotor 64, einen (nicht gezeigten) Wandler für verschiedene Hilfsvorrichtungen und dergleichen ein. Der Hochspannungs-Gleichstromwandler 61 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler und besitzt eine Funktion zur Regelung der Eingangsspannung eines Gleichstroms von der Batterie 62, um die Spannung in Richtung auf den Antriebsumrichter 63 auszugeben, sowie eine Funktion zur Regelung der Eingangsspannung eines Gleichstroms von der Brennstoffzelle 2 oder dem Antriebsmotor 64 zur Ausgabe der Spannung an die Batterie 62. Diese Funktionen des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 61 realisieren das Laden/Entladen der Batterie 62. Zudem steuert der Hochspannungs-Gleichstromwandler 61 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
  • Die Batterie 62 wird durch einen (nicht gezeigten) Batteriecomputer gesteuert, um eine Zusatzleistung zu laden und den Antriebsmotor 64 und die Hilfsvorrichtungen mit der Leistung zu versorgen und ist bei der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform eines Kondensators. Die Batterie 62 führt eine Leistungsverstärkung aus (versorgt die verschiedenen Vorrichtungen mit Leistung) während einer unmittelbar erfolgenden Beschleunigung oder bei einer intermittierenden Betriebsweise. Es ist anzumerken, daß die intermittierende Betriebsweise eine Betriebsweise ist, bei der die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 2 zeitweilig während eines Betriebs mit geringer Last angehalten wird, wie beim Leerlauf, einer Fahrt mit geringer Geschwindigkeit oder beim regenerativen Bremsen, wobei die Leistung von der Batterie 62 einer Lastvorrichtung, wie dem Antriebsmotor 64, zugeführt wird und das Wasserstoffgas und Luft derart intermittierend der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden, daß eine Leerlaufspannung aufrecht erhalten werden kann. Die intermittierende Betriebsweise entspricht einem Zustand des zeitweiligen Stopps der Leistungserzeugung der vorliegenden Erfindung. Als Batterie 62 kann beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie benutzt werden.
  • Überdies kann bei der vorliegenden Ausführungsform ein SOC-Sensor 62a zur Feststellung des Ladezustands (state of charge = SOC) der Batterie 62 vorgesehen sein. Eine Information vom SOC-Sensor 62a über die Ladungshöhe der Batterie 62 wird in die Steuervorrichtung 6 eingegeben und für die Steuerung der Leistungserzeugung durch das Brennstoffzellensystem 1 benutzt.
  • Der Antriebsinverter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom dem Antriebsmotor 64 zuzuführen. Der Antriebsmotor 64 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor und bildet eine Hauptleistungsquelle eines Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem 1 eingebaut ist. Der Wandler für die Hilfsvorrichtungen ist ein Motorsteuerungsabschnitt, der den Betrieb eines jeden Motors steuert und den Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandelt, um den Strom jedem Motor zuzuführen. Der Wandler für die Hilfsvorrichtungen ist beispielsweise von einer Bauart für Pulsbreitenmodulation (Pulsbreitenmodulator), der entsprechend einem Steuerbefehl von der Steuervorrichtung 6 die Gleichstrom-Spannungsausgabe aus der Brennstoffzelle 2 oder der Batterie 62 in die Dreiphasen-Wechselstromspannung umwandelt und das von jedem Motor erzeugte Drehmoment steuert.
  • Die Steuervorrichtung 6 stellt das Ausmaß der Betätigung eines im Fahrzeug vorgesehenen Beschleunigungsaktivierungselements (ein Fahrpedal oder dergleichen) fest und empfängt eine Steuerinformation, wie einen geforderten Beschleunigungswert (beispielsweise das Ausmaß einer von einer Last, wie dem Antriebsmotor 64 geforderten Leistungserzeugung) zur Steuerung der Aktion verschiedener Vorrichtungen im System. Es ist anzumerken, daß zusätzlich zum Antriebsmotor 64 die Lastvorrichtung allgemein eine leistungsverbrauchende Vorrichtung bezeichnet, die für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 erforderlich ist (beispielsweise ein Motor für den Luftkompressor 14 oder die Wasserstoffpumpe 24 oder dergleichen), ein Betätigungselement für verschiedene Vorrichtungen (eine Gangschaltung, eine Radsteuervorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängevorrichtung, usw.) die für den Betrieb des Fahrzeugs in Verbindung stehen, und eine Luftaufbereitung (Klimaanlage), Licht, Audio und dergleichen für den Insassenbereich.
  • Die Steuervorrichtung 6 wird von einem (nicht gezeigten) Computersystem gebildet. Ein solches Computersystem umfaßt eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein Festplattenlaufwerk, eine Ein- und Ausgabeschnittstelle, ein Display und dergleichen, und verschiedene, im ROM aufgezeichnete Steuerprogramme werden durch die CPU gelesen und ausgeführt, um verschiedene Steueraktionen auszuführen.
  • Insbesondere berechnet die Steuervorrichtung 6 den Strombefehlswert (den Zielstromwert) der Brennstoffzelle auf der Basis eines von einem (nicht gezeigten) Fahrpedalsensor festgestellten Ausmaßes der Betätigung des Fahrpedals. Dann betätigt und steuert die Steuervorrichtung 6 den Luftkompressor 14 oder das EIN/AUS-Ventil 28 auf der Basis des berechneten Strombefehlswerts, um den Durchfluß des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Reaktionsgases (die Luft als Oxidationsgas und das Wasserstoffgas als Brenngas) zu regeln. Demzufolge erzeugt die Steuervorrichtung 6 die Leistung gemäß dem Ausmaß der von der Last geforderten Leistungserzeugung. Es wird deshalb eine Betriebsweise, bei der die Brennstoffzelle 2 kontinuierlich die Leistungserzeugung für die Leistungsversorgung der Last durchführt, als eine normale Betriebsweise bezeichnet. Die normale Betriebsweise entspricht dem Leistungserzeugungszustand bei der vorliegenden Erfindung.
  • Überdies hält die Steuervorrichtung 6 die normale Betriebsweise bei, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 (2 und 3) oder mehr eingestellt wird in einem Falle, in dem durch Gebrauch des Wassergehaltssensors 2a festgestellt wird, daß der Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und durch den SOC-Sensor 62a festgestellt wird, daß die gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Demzufolge kann eine übermäßige Austrockung der Brennstoffzelle 2 unterdrückt werden.
  • Andererseits beurteilt die Steuervorrichtung 6, ob der Strombefehlswert unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 liegt oder nicht, wenn der durch Gebrauch des Wassergehaltssensors 2a ermittelte Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die durch den Gebrauch des SOC-Sensors 62a ermittelte, gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 der vorgegebene Schwellenwert oder größer ist. Dann schaltet die Steuervorrichtung 6 die Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 von der normalen Betriebsweise zur intermittierenden Betriebsweise um, falls die Steuervorrichtung feststellt, daß der Strombefehlswert unter dem Stromwert I0 liegt, der dem Wasserüberschuß Null zugewiesen ist. Folglich kann die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Luft durch Betrieb des Luftkompressors 14 zeitweilig gestoppt werden und deshalb kann das übermäßige Austrocknen der Brennstoffzelle 2 unterbunden werden.
  • Als nächstes wird das Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 4 beschrieben.
  • Bei der normalen Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 wird das Wasserstoffgas dem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 2 von der Wasserstoffquelle 21 über den Wasserstoffversorgungskanal 22 zugeführt und die befeuchtete und geregelte Luft wird einem Oxidationspol der Brennstoffzelle 2 über den Luftversorgungskanal 11 zugeführt, wodurch die Leistung erzeugt wird. In diesem Falle wird die von der Brennstoffzelle 2 abzugebende Leistung (das geforderte Ausmaß der Leistungserzeugung) von der Steuervorrichtung 6 berechnet, so daß die dem geforderten Ausmaß der Leistungserzeugung entsprechende Menge des Wasserstoffgases und der Luft der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das übermäßige Austrocknen der Brennstoffzelle 2 während einer solchen normalen Betriebsweise unterbunden.
  • Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 6 des Brennstoffzellensystems 1, ob der durch Anwendung des Wassergehaltssensors 2a ermittelte Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt oder nicht. (ein Schritt zur Beurteilung des Wassergehalts: S1). Falls eine bestätigende Beurteilung erhalten wird, prüft die Steuervorrichtung, ob die durch Gebrauch des SOC-Sensors 62a ermittelte elektrische Ladung der Batterie 62 unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt oder nicht (Schritt zur Beurteilung der gespeicherten elektrischen Ladung: S2). Dann erhält die Steuervorrichtung 6 die normale Betriebsweise aufrecht, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 oder mehr eingestellt wird, falls die Steuervorrichtung beim Schritt S2 zur Beurteilung der gespeicherten elektrischen Ladung feststellt, daß die gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt (Schritt zur Leistungserzeugungsmengenregelung S3).
  • Andererseits, falls die Steuervorrichtung 6 beim Schritt S2 zur Beurteilung der gespeicherten elektrischen Ladung feststellt, daß die gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 beim vorgegebenen Schwellenwert oder darüber liegt, prüft die Steuervorrichtung, ob der Strombefehlswert unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 liegt oder nicht (ein Schritt zur Strombeurteilung: S4). Dann, falls die Steuervorrichtung 6 beim Schritt S4 zur Strombeurteilung feststellt, daß der Strombefehlswert unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 liegt, schaltet die Steuervorrichtung die Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 von der normalen Betriebsweise auf die intermittierende Betriebsweise um (ein Schritt zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise: S5). Andererseits, falls die Steuervorrichtung beim Schritt S4 zur Strombeurteilung feststellt, daß der Strombefehlswert gleich dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 ist oder höher, erhält die Steuervorrichtung die normale Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 so wie sie ist (ein Schritt zum Ausschalten der intermittierenden Betriebsweise. S6).
  • Es ist anzumerken, daß der Schritt S4 zur Strombeurteilung einem ersten Schritt der vorliegenden Erfindung entspricht und der Schritt S5 zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise einem zweiten Schritt der vorliegenden Erfindung. Überdies entspricht der Schritt S3 zur Leistungserzeugungsmengenregelung einem dritten Schritt der vorliegenden Erfindung.
  • Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben erwähnten Ausführungsform kann, wenn die Brennstoffzelle 2 trocken ist (der Wassergehalt liegt unter dem vorgegebenen Schwellenwert), die Ladungsmenge der Batterie 62 vergleichsweise groß ist (gleich dem vorgegebenen Schwellenwert oder größer) und der Strombefehlswert klein ist (unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0), die Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 von der normalen Betriebsweise auf die intermittierende Betriebsweise umgeschaltet werden. Deshalb kann selbst in einem System, in welchem der Durchfluß der Luft, die vom Luftkompressor 14 zugeführt werden soll, wegen der mechanischen Drosselstelle nicht auf einen vorgegebenen unteren Durchflußgrenzwert oder niedriger eingestellt werden kann, unter Bedingungen, die die Brennstoffzelle 2 austrocknen, der Luftkompressor 14 automatisch gestoppt werden und die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 2 kann zeitweilig gestoppt werden. Demzufolge kann übermäßiges Austrocknen der Brennstoffzelle 2 unterbunden werden.
  • Überdies kann beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß der obigen Ausführungsform in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle 2 trocken ist, (der Wassergehalt liegt unter dem vorgegebenen Schwellenwert) und die Ladungsmenge der Batterie 62 klein ist (unter dem vorgegebenen Schwellenwert), während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 oder höher eingestellt ist, die normale Betriebsweise beibehalten werden. Deshalb kann eine übermäßige Austrocknung der Brennstoffzelle 2 unterbunden und die Ladung der Batterie realisiert werden.
  • Es ist anzumerken; daß mit der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle trocken und die Ladungsmenge der Batterie gering ist, die normale Betriebsweise beibehalten wird, während der Strombefehlswert auf den „dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert I0 oder höher“ eingestellt ist. Jedoch kann die normale Betriebsweise beibehalten werden, während der Strombefehlswert auf „einen Strombefehlswert beim maximalen Leistungspunkt des Brennstoffzellensystems“ eingestellt ist: In diesem Falle kann die Austrocknung der Brennstoffzelle zuverlässiger unterbunden werden.
  • Zudem wird bei der obigen Ausführungsform der Wassergehaltssensor zur Feststellung des Wassergehalts der Brennstoffzelle eingesetzt, jedoch gibt es keinerlei spezielle Beschränkung der Konstruktion des Wassergehaltssensors oder ein Verfahren zur Beurteilung des Schwellenwerts des Wassergehalts. Beispielsweise kann eine Konstruktion (ein Verfahren) angewandt werden, bei welchem ein Widerstandssensor zur Ermittlung des Widerstandswerts (die Impedanz) der Brennstoffzelle vorgesehen ist, und es wird festgestellt, daß der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wenn der durch diesen Widerstandssensor ermittelte Widerstandswert oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie bei der obigen Ausführungsform beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in ein Brennstoffzellenfahrzeug und in verschiedenen anderen beweglichen Körpern (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug, usw.) eingebaut werden. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem stationären Leistungserzeugungssystem zur Nutzung als Leistungserzeugungseinrichtung in Baukonstruktionen (eine Behausung, ein Gebäude, oder dergleichen) angewandt werden.

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem (1) umfassend eine Brennstoffzelle (2), eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) und einen Kondensator (62) zur Zuführung von Leistung zu verschiedenen Vorrichtungen, wenn die Brennstoffzelle (2) in einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung ist, wobei das Brennstoffzellensystem (1) derart gestaltet ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) auf der Basis eines Strombefehlswerts, der anhand eines Ausmaßes einer Betätigung eines Fahrpedals eingestellt wird, betrieben wird, um der Brennstoffzelle (2) ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch Leistung zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem (1) weiter umfaßt: eine Steuervorrichtung (6), die beurteilt, ob der Strombefehlswert unter einem Stromwert (I0) liegt, bei welchem der Wasserüberschuss der Brennstoffzelle (2) Null wird, oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle (2) unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators (62) gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist, und die den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle (2) auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung schaltet, wenn eine bejahende Beurteilung erhalten wird, wodurch die Zufuhr des Reaktionsgases von der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) zu der Brennstoffzelle (2) zeitweilig gestoppt wird.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Steuervorrichtung (6) den Leistungserzeugungszustand beibehält, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuss Null entsprechenden Stromwert (I0) oder höher eingestellt wird, falls der Wassergehalt der Brennstoffzelle (2) unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators (62) unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) ein Luftkompressor (14) ist, der der Brennstoffzelle (2) ein Oxidationsgas zuführt.
  4. Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (1), das eine Brennstoffzelle (2), eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) und einen Kondensator (62) für die Leistungsversorgung verschiedener Vorrichtungen bei einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung einschließt, wobei das Brennstoffzellensystem (1) derart gestaltet ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) auf der Basis eines Strombefehlswerts, der anhand eines Ausmaßes einer Betätigung eines Fahrpedals eingestellt wird, betrieben wird, um der Brennstoffzelle (2) ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch Leistung zu erzeugen, wobei das Steuerverfahren umfaßt: einen ersten Schritt (S4) zur Beurteilung, ob der Strombefehlswert unter einem Stromwert (I0) liegt, bei welchem der Wasserüberschuss der Brennstoffzelle (2) Null wird, oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle (2) unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators (62) gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist; und einen zweiten Schritt (S5), in welchem der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle (2) auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung geschaltet wird, wenn beim ersten Schritt (S4) eine bejahende Beurteilung erhalten wird, wodurch die Zufuhr des Reaktionsgases von der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung (3, 4) zu der Brennstoffzelle (2) zeitweilig gestoppt wird.
  5. Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, weiter umfassend: einen dritten Schritt (S6), bei dem der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle (2) beibehalten wird, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuss Null entsprechenden Stromwert (I0) oder höher eingestellt wird, falls der Wassergehalt der Brennstoffzelle (2) unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators (62) unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
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