DE112008002094T5

DE112008002094T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008002094T5
Application number: DE112008002094T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Toyota Imanishi; Kota Toyota Manabe; Tomoya Toyota Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-08-23
Also published as: US20100291452A1; KR20100034053A; JP2009054465A; KR101099739B1; JP4329043B2; CN101796679B; US8460835B2; DE112008002094B4; WO2009028637A1; CN101796679A

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle, welche die Zufuhr eines Reaktionsgases empfängt, um elektrische Leistung zu erzeugen;
eine Aufwärmvorrichtung, welche die Brennstoffzelle durch einen Niedereffizienzbetrieb aufwärmt, in dem der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, niedriger ist als in einem Normalbetrieb; und
eine Steuereinrichtung, die eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, falls ein Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich sinkt, um dadurch überschüssige elektrische Leistung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, in einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle zu speichern.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das dafür ausgelegt ist, eine Brennstoffzelle durch einen Niedereffizienzbetrieb aufzuwärmen.
Technischer Hintergrund
Eine Brennstoffzelle ist ein System, das elektrische Leistung erzeugt und das einen Brennstoff anhand eines elektrochemischen Prozesses oxidiert, um die Energie, die aufgrund einer Oxidierungsreaktion ausgegeben wird, direkt in elektrische Energie umzuwandeln, und das eine Stapelstruktur aufweist, die aus einer Vielzahl von übereinander gelegten Membran/Elektroden-Anordnungen besteht, die dadurch gebildet werden, dass an beiden Seiten einer Elektrolytmembran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, jeweils eine Elektrode angelegt wird, die aus einem porösen Material besteht. Insbesondere ist zu erwarten, dass eine Festpolyelektrolyt-Brennstoffzelle, in der eine feste Polymermembran als Elektrolyt verwendet wird, als Onboard-Quelle für elektrische Leistung in Fahrzeugen Anwendung finden wird, weil sie kostengünstig ist, leicht verkleinert werden kann und eine hohe Leistungsdichte hat.
Es ist allgemein bekannt, dass der Bereich von 70 bis 80°C ein optimaler Temperaturbereich für die elektrische Leistungserzeugung in dieser Art von Brennstoffzellen ist. In Umgebungen in einer kalten Gegend oder dergleichen kann es vorkommen, dass es länger dauert, bis nach dem Starten der optimale Temperaturbereich erreicht wird, und daher werden verschiedene Arten von Aufwärmsystemen erforscht. Beispielsweise offenbart die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-313388 ein Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle bei fahrendem Fahrzeug durch Steuern des Selbsterwärmungsgrades der Brennstoffzelle aufgrund der Durchführung eines Niedereffizienzbetriebs, in dem der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, niedriger ist als in einem Normalbetrieb. Gemäß diesem Verfahren wird eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so eingestellt, dass ihr Spannungswert niedriger ist als ein Spannungswert, der auf ihrer I/V-Kennline (Strom/Spannung-Kennlinie) beruht, um durch Erhöhen des Wärmeverlusts der Brennstoffzelle eine Aufwärmung durch Selbsterwärmen durchzuführen. Dadurch entfällt bequemerweise die Notwendigkeit zum Anbringen einer Aufwärmvorrichtung.

[Patentdokument 1] Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-313388

Offenbarung der Erfindung
Für den Niedereffizienzbetrieb, der bei fahrendem Fahrzeug durchgeführt wird, ist es zwischenzeitlich jedoch ideal, die Strömungsrate einer Oxidationsgaszufuhr für eine Brennstoffzelle gemäß einer benötigten elektrischen Leistung zu steuern, wobei die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen bestimmten Spannungswert festgelegt wird, der niedriger ist als ein Spannungswert, der auf ihrer I/V-Kennlinie beruht. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wird dabei auf einen bestimmten Spannungswert eingestellt, mit dem eine rasche Aufwärmung erreicht und eine zum Fahren des Fahrzeugs notwendige minimale Motorleistung erhalten werden kann. Der Grund für die Festlegung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen bestimmten Spannungswert ist, dass in dem Fall, wo eine Betriebssteuerung durchgeführt wird, bei der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine Spannung eingestellt ist, die niedriger ist als eine Spannung, die auf ihrer I/V-Kennlinie beruht, um dadurch den Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, während eines Aufwärmbetriebs zu senken, eine Änderung (eine Erhöhung oder Senkung) der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ungünstigerweise bewirken würde, dass elektrische Leistung in einer kapazitiven Komponente, die in der Brennstoffzelle parasitisch gebildet wird, gespeichert oder von dieser abgegeben wird, was dazu führen würde, dass von der Brennstoffzelle zu viel oder zu wenig elektrische Leistung zu einem externen Verbraucher (einem Fahrmotor, einer in dem Fahrzeug eingebauten Zubehör- bzw. Hilfsvorrichtung oder dergleichen) geliefert wird.
Gemäß dem in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-313388 offenbarten Verfahren wird jedoch als Ausgleich für die Senkung des Wirkungsgrads, mit dem die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle während des Aufwärmbetriebs ungünstigerweise gesenkt, wodurch es unmöglich ist, eine Ausgangsleistungssteuerung auf der Basis einer benötigten elektrischen Leistung durchzuführen. Um dieses Problem zu lösen, kann während des Niedereffizienzbetriebs bei fahrendem Fahrzeug die Strömungsrate eines Oxidierungsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, gemäß der benötigten elektrischen Leistung variabel gesteuert werden, während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen bestimmten Spannungswert festgelegt ist, der niedriger ist als ein Spannungswert, der auf ihrer I/V-Kennlinie beruht.
In manchen Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeugen, die Brennstoffzellensysteme als Onboard-Quellen für elektrische Leistung verwenden, werden Oxidierungsgase jedoch durch Luftkompressoren zu den Brennstoffzellen geliefert. Antriebsmotoren mit ausgezeichneter Ansprechempfindlichkeit sind in den Luftkompressoren installiert, so dass die Luftkompressoren eine gute Ansprechempfindlichkeit zeigen, falls der Öffnungsgrad eines Gaspedals plötzlich vergrößert wird. Viele Luftkompressoren sind jedoch nicht mit Drehzahlminderern, wie Bremsen, versehen, weswegen sie schlecht auf eine plötzliche Verkleinerung des Gaspedal-Öffnungsgrads ansprechen. Tatsächlich wird deswegen eine Verringerung der trägheitsbedingten Drehzahl abgewartet.
Selbst wenn der Öffnungsgrad des Gaspedals während des Niedereffizienzbetriebs bei fahrendem Fahrzeug plötzlich verkleinert wird, kann somit die Rate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle strömt, nicht plötzlich gesenkt werden, was ungünstigerweise dazu führt, dass überschüssige elektrische Leistung erzeugt wird, die einen Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet. Zwar wird die überschüssige elektrische Leistung in einer Batterie gespeichert, aber die Batterie kann überladen werden, wenn die Ladungskapazität der Batterie in einer Niedertemperaturumgebung gesunken ist.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das in der Lage ist, eine Steuerung durchzuführen, mit der keine überschüssige elektrische Leistung zu einem externen Verbraucher geliefert wird, wenn die elektrische Leistung, die von einer Brennstoffzelle gefordert wird, während eines Niedereffizienzbetriebs plötzlich gesenkt wird.
Zu diesem Zweck weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle, der eine Reaktionsgaszufuhr empfängt, um elektrische Leistung zu erzeugen; eine Aufwärmvorrichtung, welche die Brennstoffzelle durch einen Niedereffizienzbetrieb aufwärmt, in dem der Wirkungsgrad, mit dem Leistung erzeugt wird, niedriger ist als in einem Normalbetrieb; und eine Steuereinrichtung, die eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, wenn ein Befehlswert für eine elektrische Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich sinkt, wodurch überschüssige elektrische Leistung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, in einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle gespeichert wird.
Mit dieser Anordnung kann überschüssige elektrische Leistung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, in der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle gespeichert werden, wenn der Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung während des Niedereffizienzbetriebs plötzlich sinkt, wodurch die Zufuhr von überschüssiger elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle zu einem externen Verbraucher verhindert werden kann.
Hierbei ist mit der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle eine kapazitive Scheinkomponente gemeint, die auf die Oxidations-/Reduktions-Reaktion zwischen einer kapazitiven Komponente einer elektrischen Doppelschicht und einem Katalysator auf einem Katalysatorträger der Brennstoffzelle zurückgeführt werden kann. Ferner ist mit Niedereffizienzbetrieb gemeint, dass eine Batterie an einem Betriebspunkt mit einem Spannungswert betrieben wird, der niedriger ist als ein Spannungswert, der von einer Strom/Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle bestimmt wird.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Kennfeld aufweisen, das Kapazitanzwerte in Relation zu Spannungen der kapazitiven Komponente angibt, sowie ein Korrekturmittel, welches das genannte Kennfeld auf der Basis eines aktuellen Messwerts der genannten kapazitiven Komponente korrigiert, der durch Teilen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle durch die Änderung einer Brennstoffzellen-Ausgangsspannung pro Zeiteinheit erhalten wird.
Eine kapazitive Komponente einer Brennstoffzelle wird bekanntlich im Lauf der Zeit durch katalytische Oxidation oder dergleichen nach längerem Gebrauch schlechter. Überschüssige elektrische Leistung kann durch Korrigieren des Kennfelds, das Kapazitanzwerte in Relation zur Spannung der kapazitiven Komponente angibt, auf der Basis von aktuellen Messwerten der kapazitiven Komponente korrekt in der kapazitiven Komponente gespeichert werden.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Befehlsvorrichtung für die elektrische Leistungserzeugung aufweisen, die einen Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung allmählich senkt, so dass ein Unterschied zwischen der Höhe der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle und dem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung gesteuert bzw. beschränkt wird, falls eine Betriebslast der Brennstoffzelle mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich gesenkt wird.
Überschüssige elektrische Leistung kann minimiert werden, und der Unterschied zwischen der Menge bzw. Höhe einer erzeugten Leistung, die einem externen Verbraucher der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung kann durch allmähliches Senken des Befehlswerts für die elektrische Leistungserzeugung verringert werden, so dass der Unterschied zwischen der Höhe der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle und einem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung gesteuert bzw. beschränkt wird.
Falls ein Betriebspunkt, der vorgegeben wird, um überschüssige elektrische Leistung in der kapazitiven Komponente zu speichern, einen Spannungswert aufweist, der höher ist als ein Spannungswert, der von der Strom/Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle im Normalbetrieb bestimmt wird, bedeutet dies, dass der Betriebspunkt außerhalb eines Niedereffizienzbetriebsbereichs liegt. Daher schaltet die Steuereinrichtung einen Betriebsmodus vorzugsweise aus dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb um.
Vorzugsweise erzeugt die Steuereinrichtung dadurch, dass sie mehr Reaktionsgas zur Brennstoffzelle liefert als einer Reaktionsgas-Zufuhrmenge entsprechen würde, die einem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung entspricht, zwangsweise überschüssige elektrische Leistung, wenn sie aus dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umschaltet, und erhöht eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, um die überschüssige elektrische Leistung in der kapazitiven Komponente zu speichern.
Das Umschalten aus dem Niedereffizienzbetriebs auf den Normalbetrieb verlangt, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelle aus dem Niedereffizienzbetriebsbereich auf einen Betriebspunkt verschoben wird, der von der Strom/Spannung-Kennlinie bestimmt wird (dass der Spannungswert des Betriebspunkts erhöht wird). Dabei kann durch die erzwungene Erzeugung überschüssiger elektrischer Leistung aufgrund einer übermäßigen Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle und durch Erhöhen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, um die überschüssige elektrische Leistung in der kapazitiven Komponente zu speichern, der Betriebsmodus vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden, ohne eine Änderung der elektrischen Leistung, die einem externen Verbraucher der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu bewirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Systemblockschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vorliegenden Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Zelle.
3 ist ein C-V-Kennfeld eines Brennstoffzellenstapels.
4 ist ein Ersatzschaltplan eines Brennstoffzellenstapels.
5 ist eine graphische Darstellung eines Betriebspunkts eines Brennstoffzellenstapels.
6 ist ein Zeitschema, das einen Steuerprozess einer ΔV-Steuerung darstellt.
7 ist ein Zeitschema, das einen Steuerprozess einer ΔV-Steuerung darstellt.
8 ist ein Zeitschema, das einen Steuerprozess für das Umschalten aus einem Niedereffizienzbetrieb auf einen Normalbetrieb darstellt.
9 ist ein Funktionsblockschema zur Berechnung eines Spannungsbefehlswerts für einen Brennstoffzellenstapel, wenn die ΔV-Steuerung durchgeführt wird.
10 ist ein Kennfeld einer kapazitiven Komponente, die parasitisch in dem Brennstoffzellenstapel existiert.
11 ist ein Blockschema für die Korrektur des Kennfelds einer kapazitiven Komponente, die parasitisch in dem Brennstoffzellenstapel existiert.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
1 ist ein Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Brennstoffzellensystem 10 dient als Onboard-Quelle für elektrische Leistung, die in einem Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug eingebaut ist, und weist einen Brennstoffzellenstapel 20 auf, der zugeführtes Reaktionsgas (Brenngas und Oxidierungsgas) empfängt, um elektrische Leistung zu erzeugen, ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30, das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 20 liefert, ein Brenngas-Zufuhrsystem 40, das Wasserstoffgas als Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert, ein elektrisches Leistungssystem 50, das die Ladung/Entladung von elektrischer Leistung steuert, ein Kühlsystem 60, das den Brennstoffzellenstapel kühlt, und eine Steuereinrichtung (ECU) 70, die das gesamte System steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Festpolymerelektrolyt-Zellenstapel, der aus einer Vielzahl übereinander geschichteter Zellen besteht. In dem Brennstoffzellenstapel 20 läuft eine von einem Ausdruck (1) dargestellte Oxidationsreaktion an einer Anodenelektrode ab, während eine von einem Ausdruck (2) dargestellte Reduktionsreaktion an einer Kathodenelektrode abläuft. Im Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt läuft eine elektromotorische Reaktion ab, die durch den Ausdruck (3) dargestellt wird. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Ein Spannungssensor 71, der eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 erfasst, und ein Stromsensor 72, der einen elektrischen Leistungserzeugungsstrom erfasst, sind am Brennstoffzellenstapel 20 angebracht.
Das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30 weist einen Oxidierungsgas-Strömungsweg 34 auf, auf dem ein Oxidierungsgas, das der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, strömt, und einen Oxidierungsabgas-Strömungsweg 36, auf dem ein Oxidierungsabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegeben wird, strömt. Der Oxidierungsgas-Strömungsweg 34 ist mit einem Luftkompressor 32, der ein Oxidierungsgas aus der Atmosphäre durch einen Filter 31 ansaugt, mit einem Befeuchter 33, der das Oxidierungsgas, das zur Kathodenelektrode des Brennstoffzel lenstapels 20 geliefert werden soll, befeuchtet, und mit einer Drosselklappe 35, die eine Oxidierungsgas-Zufuhrmenge anpasst, versehen. Der Oxidierungsabgas-Strömungsweg 36 ist mit einem Gegendruck-Anpassungsventil 37, das einen Oxidierungsgas-Zufuhrdruck anpasst, und mit dem Befeuchter 33, der Feuchtigkeit zwischen dem Oxidierungsgas (einem trockenen Gas) und dem Oxidierungsabgas (einem nassen Gas) austauscht, versehen.
Das Brenngas-Zufuhrsystem 40 weist auf: eine Brenngas-Zufuhrquelle 41, einen Brenngas-Strömungsweg 45, auf dem das Brenngas strömt, das der Anodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 von der Brenngas-Zufuhrquelle 41 zugeführt werden soll, einen Umwälzweg 46, der das Brennstoffabgas bzw. das verbrauchte Brenngas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegeben wird, in den Brenngas-Strömungsweg 45 zurückführt, eine Umwälzpumpe 47, die das verbrauchte Brenngas im Umwälzweg 46 unter Druck in den Brenngas-Strömungsweg 45 zurückführt, und einen Abgas/Ablass-Strömungsweg 48, der vom Umwälzweg 46 abzweigt und sich mit diesem vereinigt.
Die Brenngas-Zufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoff speichernden Legierung oder dergleichen und speichert ein unter hohem Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa) stehendes Wasserstoffgas. Wenn ein Sperrventil 42 geöffnet wird, strömt das Brenngas aus der Brenngas-Zufuhrquelle 41 in den Brenngas-Strömungsweg 45. Der Druck des Brenngases wird von einem Regler 43 oder einem Injektor 44 beispielsweise auf etwa 200 kPa gesenkt, bevor das Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert wird.
Die Brenngas-Zufuhrquelle 41 kann alternativ dazu aus einem Reformer, der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoff-Basis erzeugt, und einem Hochdruck-Gastank bestehen, der das reformierte Gas, das unter Verwendung des Reformers erzeugt worden ist, unter hohen Druck setzt und das unter hohem Druck stehende Gas speichert.
Der Regler 43 ist eine Vorrichtung, die den Druck, der auf ihrer stromaufwärtigen Seite herrscht (einen Primärdruck), auf einen voreingestellten Sekundärdruck einstellt, und besteht beispielsweise aus einem mechanischen Druckentlastungsventil, das den Primärdruck senkt. Das mechanische Druckentlastungsventil weist ein Gehäuse auf, in dem eine Gegendruckkammer und eine Druckregulierungskammer ausgebildet sind, zwischen denen eine Membran vorgesehen ist. Der Primärdruck in der Druckregulierungskammer wird durch einen Gegendruck in der Gegendruckkammer auf einen vorgegebenen Druck gesenkt, wodurch der Sekundärdruck erzeugt wird.
Der Injektor 44 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Ein/Aus-Ventil, das in der Lage ist, durch direktes Antreiben eines Ventilkörpers, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz weg zu bewegen, durch eine elektromagnetische Antriebskraft in einem vorgegebenen Antriebszyklus eine Gasströmungsrate oder einen Gasdruck einzustellen. Der Injektor 44 ist mit einem Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung, durch die ein gasförmiger Brennstoff, wie ein Brenngas, eingespritzt wird, einem Düsenkörper, der den gasförmigen Brennstoff zu einer Einspritzöffnung lenkt, und dem Ventilkörper versehen, der beweglich untergebracht ist und relativ zum Düsenkörper in einer axialen Richtung (einer Richtung, in der das Gas strömt) gehalten wird, und der die Einspritzöffnung öffnet und schließt.
Der Abgas/Auslass-Strömungsweg 48 weist ein Abgas/Auslass-Ventil 49 auf. Das Abgas/Auslass-Ventil 49 wird durch einen Befehl von der Steuereinrichtung 70 betätigt, um ein verbrauchtes Brenngas, das Verunreinigungen und Feuchtigkeit enthält, aus dem Umwälzweg 46 nach außen abzuführen. Durch Öffnen des Abgas/Auslass-Ventils 49 wird die Konzentration der Verunreinigungen im verbrauchten Brenngas im Umwälzweg 46 gesenkt, wodurch die Konzentration des Wasserstoffs im verbrauchten Brenngas, das im Umwälzsystem zirkuliert, erhöht werden kann.
Das durch das Abgas/Auslass-Ventil 49 ausgeführte verbrauchte Brenngas wird mit Oxidierungsabgas, das auf dem Oxidierungsabgas-Strömungsweg 34 strömt, gemischt und dann unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Verdünners verdünnt. Durch Antreiben eines Motors liefert die Umwälzpumpe 47 das verbrauchte Brenngas im Umwälzsystem in einem Kreislauf zum Brennstoffzellenstapel 20.
Das elektrische Leistungssystem 50 weist einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionswechselrichter 53, einen Fahrmotor 45 und Zubehör bzw. Hilfsausrüstung 55 auf. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wechselrichter 51 hat eine Funktion, eine Gleichspannung, die von der Batterie 52 geliefert wird, zu erhöhen und die erhöhte Gleichspannung an den Traktionswechselrichter 53 auszugeben, und eine Funktion, die Spannung einer elektrischen Gleichstromleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder von regenerativer elektrischer Leistung, die vom Fahrmotor 54 durch ein regeneratives Bremsen aufgenommen wird, zu senken, und dann die elektrische Gleichstromleistung oder die regenerative elektrische Leistung mit einer verringerten Spannung in der Batterie 52 zu speichern. Diese Funktionen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 steuern die Ladung/Entladung der Batterie 52. Ferner wird der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Spannungsumwandlungssteuerung, die vom Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 ausgeführt wird, gesteuert.
Die Batterie 52 dient als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung, als Speicherquelle für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsens und als Energiezwischenspeicher während einer Laständerung, die durch eine Beschleunigung oder Verlangsamung des Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeugs bewirkt wird. Die Batterie 52 verwendet idealerweise eine Sekundärbatterie, wie beispielsweise eine Nickel/Cadmium-Batterie, eine Nickel/Hydrid-Batterie oder eine Lithium-Sekundärbatterie.
Der Traktionswechselrichter 53 ist beispielsweise ein PWM-Wechselrichter, der anhand eines Pulsweitenmodulationsverfahrens angesteuert wird, und der Traktionswechselrichter 53 wandelt eine Gleichspannung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 oder von der Batterie 52 ausgegeben wird, in eine Dreiphasen-Wechselspannung um und steuert die Drehzahl des Fahrmotors 54 gemäß einem Steuerbefehl von der Steuereinrichtung 70. Der Fahrmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor und bildet eine Antriebsleistungsquelle für das Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug.
Mit Hilfsausrüstung 55 sind allgemein Motoren bzw. Elektromotoren (z. B. Antriebsleistungsquellen, wie Pumpen oder dergleichen), die in einzelnen Abschnitten im Brennstoffzellensystem 10 angeordnet sind, oder Wechselrichter oder dergleichen zum Antreiben der Motoren gemeint, oder auch verschiedene im Fahrzeug eingebaute Hilfsausrüstungen (z. B. ein Luftkompressor, ein Injektor, eine Kühlwasser-Umwälzpumpe, ein Kühler und dergleichen).
Das Kühlsystem 60 ist mit Kühlmittel-Strömungswegen 61, 62, 63 und 64 zum Durchleiten eines Kühlmittels, das innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 zirkuliert, mit einer Umwälzpumpe 65, die das Kühlmittel unter Druck fördert, mit einem Kühler 66, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und Außenluft durchführt, mit einem Dreiwegeventil 67, das die Umwälzwege des Kühlmittels umschaltet, und mit einem Temperatursensor 74 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels ausgestattet. Nachdem der Aufwärmbetrieb abgeschlossen wurde, wird im Normalbetrieb das Öffnen/Schließen des Dreiwege-Ventils 67 so gesteuert, dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 strömt, die Kühlmittel-Strömungswege 61 und 64 durchströmt, um vom Kühler 66 gekühlt zu werden, und dann durch den Kühlmittel-Strömungsweg 63 zurück in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt. Dagegen wird im Aufwärmbetrieb unmittelbar nach dem Starten des Systems das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 67 so gesteuert, dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 strömt, durch die Kühlmittel-Strömungswege 61, 62 und 63 strömt und zurück in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt.
Die Steuereinrichtung 70 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, einer I/O-Schnittstelle und dergleichen und dient als Steuereinheit zum Steuern der einzelnen Abschnitte (des Oxidierungsgas-Zufuhrsystems 30, des Brenngas-Zufuhrsystems 40, des elektrischen Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) des Brennstoffzellensystems 10. Beispielsweise startet die Steuereinrichtung 70 bei Empfang eines Startsignals IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und bestimmt die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung in erster Linie auf der Basis eines Gaspedalöffnungsgrad-Signals ACC, das von einem Gaspedalsensor ausgegeben wird, und eines Fahrzeuggeschwin digkeits-Signals VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor ausgegeben wird.
Die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung ist der Gesamtwert der elektrischen Leistung für das Fahren des Fahrzeugs und der elektrischen Leistung für die Hilfsausrüstung. Die elektrische Leistung für die Hilfsausrüstung beinhaltet hauptsächlich die elektrische Leistung, die von im Fahrzeug eingebautem Zubehör verbraucht wird (vom Befeuchter, vom Luftkompressor, von der Kühlwasser-Umwälzpumpe und dergleichen), die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die zum Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (von einem Getriebe, einer Radsteuereinheit, einer Lenkvorrichtung, einer Aufhängungsvorrichtung und dergleichen), und die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die in einem Insassenraum des Fahrzeugs angeordnet sind (von einem Klimatisierungssystem, von Beleuchtungseinrichtungen, von einer akustischen Anlage und dergleichen).
Ferner bestimmt die Steuereinrichtung 70 die Aufteilung der ausgegebenen elektrischen Leistung auf den Brennstoffzellenstapel 20 bzw. die Batterie 52, berechnet einen Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung und steuert das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30 und das Brenngas-Zufuhrsystem 40 so, dass die Höhe der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung einer angestrebten elektrischen Leistung gleich kommt. Die Steuereinrichtung 70 steuert ferner den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 einzustellen, um dadurch den Betriebspunkt (eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Die Steuereinrichtung 70 gibt beispielsweise Wechselspannungs-Befehlswerte für eine U-Phase, eine V-Phase bzw. eine W-Phase als Schaltbefehle an den Traktionswechselrichter 53 aus, um das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Fahrmotors 54 zu steuern.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Zelle 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bildet.
Die Zelle 21 besteht aus einer Elektrolytmembran 22, einer Anodenelektrode 23, einer Kathodenelektrode 24 und aus Separatoren 26 und 27. Die Anodenelektrode 23 und die Kathodenelektrode 24 bilden eine Diffusionselektrode, die zu beiden Seiten an der Elektrolytmembran 22 anliegt bzw. eine Sandwichstruktur mit dieser bildet. Die Separatoren 26 und 27, die aus einem gasundurchlässigen, elektrisch leitfähigen Bauteil bestehen, halten die genannte Sandwich-Struktur von beiden Seiten fest, wobei sie einen Strömungsweg für das Brenngas und einen Strömungsweg für das Oxidierungsgas zwischen sich und der Anodenelektrode 23 bzw. der Kathodenelektrode 24 bilden. Im Separator 26 sind Rippen 26a mit konkaven Querschnitten ausgebildet. Wenn die Anodenelektrode 23 an den Rippen 26a anliegt, werden die Öffnungen der Rippen 26a geschlossen, wodurch der Brenngas-Strömungsweg gebildet wird. Im Separator 27 sind Rippen 27a mit konkaven Querschnitten ausgebildet. Wenn die Kathodenelektrode 24 an den Rippen 27a anliegt, werden die Öffnungen der Rippen 27a geschlossen, wodurch der Oxidierungsgas-Strömungsweg gebildet wird.
Die Anodenelektrode 23 verwendet als Hauptbestandteil ein Kohlenstoffpulver, das einen Metallkatalysator auf Platinbasis (Pt, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Ni, Pt/Ru oder dergleichen) trägt, und weist eine Katalysatorschicht 23a auf, die mit der Elektrolytmembran 22 in Kontakt steht, und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf der Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig als auch elektronenleitfähig ist. Ebenso weist die Kathodenelektrode 24 eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b auf. Genauer werden die Katalysatorschichten 23a und 24a durch Dispergieren eines Kohlenstoffpulvers, das Platin oder eine aus Platin und einem anderen Metall zusammengesetzte Legierung trägt, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel und Zugeben einer geeigneten Menge einer Elektrolytlösung, um aus der Mischung eine Paste zu machen, und anschließendes Aufbringen der Paste auf die Elektrolytmembran 22 durch Siebdrucken gebildet. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b werden aus einem Kohletuch, Kohlepapier oder Kohlefilz, das bzw. der unter Verwendung von aus Kohlefasern bestehenden Fäden gewirkt wird, gebildet. Die Elektrolytmembran 22 ist eine protonenleitfähige Ionentauschermembran, die aus einem festen Polymermaterial, wie einem fluorierten Harz, gebildet wird, und zeigt im nassen Zu stand eine gute elektrische Leitfähigkeit. Die Elektrolytmembran 22, die Anodenelektrode 23 und die Kathodenelektrode 24 bilden eine Membran/Elektroden-Anordnung 25.
3 zeigt eine C-V-Kennlinie (ein zyklisches Voltanogramm) des Brennstoffzellenstapels 20.
Die C-V-Kennlinie zeigt die dynamische elektrische Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels 20. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 20 bei einer bestimmten Geschwindigkeit erhöht wird, fließt ein Strom in einer Richtung von außen in den Brennstoffzellenstapel 20 (in der negativen Richtung). Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels bei einer bestimmten Geschwindigkeit sinkt, fließt ein Strom in einer Richtung vom Brennstoffzellenstapel 20 nach außen (in der positiven Richtung). Es hat sich gezeigt, dass eine solche dynamische elektrische Eigenschaft von einer kapazitiven Scheinkomponente bewirkt wird, die auf die Oxidations-/Reduktions-Reaktion zwischen der kapazitiven Komponente der elektrischen Doppelschicht und einem Katalysator eines Katalysatorträgers des Brennstoffzellenstapels 20 zurückzuführen ist.
4 ist ein Ersatzschaltplan, der die dynamische elektrische Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels 20 modelliert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 weist eine Schaltungskonfiguration auf, bei der eine ideale Brennstoffzelle 28 und ein Kondensator 29 parallel geschaltet sind. Die ideale Brennstoffzelle 28 wird durch Modellieren einer wirklichen bzw. virtuellen Brennstoffzelle, welche die genannte C-V-Kennlinie nicht aufweist, erhalten, und verhält sich, was die elektrische Eigenschaft betrifft, äquivalent zu einer variablen Leistungsquelle. Der Kondensator 29 wird durch Modellieren des elektrischen Verhaltens der elektrischen Doppelschicht, die auf der genannten Grenzfläche gebildet wird, in Form eines kapazitiven Elements erhalten. Ein externer Verbraucher 56 ist eine Ersatzschaltung, die das elektrische Leistungssystem 50 modelliert. Wenn der Strom, der aus der idealen Brennstoffzelle 28 fließt, mit Ifc bezeichnet wird, die Ausgangsspannung der idealen Brennstoffzelle 28 (die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20) mit Vfc bezeichnet wird, der Strom, der in den Kondensator 29 fließt, mit Ic bezeichnet wird, der Strom, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 in den externen Verbraucher 56 fließt, mit Is bezeichnet wird, die Kapazitanz des Kondensators 29 mit C bezeichnet wird und die Zeit mit t bezeichnet wird, treffen die nachstehend angegebenen Ausdrücke (4) bis (5) zu. Ifc = Ic + Is (4) Ic = C·ΔVfc/Δt (5)
Wie von den Ausdrücken (4) bis (5) angezeigt, nimmt mit steigender Ausgangsspannung Vfc der Strom Ic, der in den Kondensator 29 fließt, entsprechend dem Änderungsumfang pro Zeiteinheit ΔVfc/Δt zu, so dass der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 in den externen Verbraucher 56 fließt, weniger wird. Wenn dagegen die Ausgangsspannung Vfc abnimmt, wird der Strom Ic, der in den Kondensator 29 fließt, entsprechend dem Änderungsumfang pro Zeiteinheit ΔVfc/Δt weniger, so dass der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 in den externen Verbraucher 56 fließt, zunimmt. Somit kann der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 in den externen Verbraucher 56 fließt, durch Steuern des Zunahme- oder Abnahmeumfangs der Ausgangsspannung Vfc pro Zeiteinheit (im Folgenden der Einfachheit halber als ΔV-Steuerung” bezeichnet) erhöht werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn die Temperatur des Stapels beim Starten des Brennstoffzellensystems 10 unter einer vorgegebenen Temperatur (z. B. 0°C) liegt, ein Niedereffizienzbetrieb durchgeführt, während das Fahrzeug fährt, um den Brennstoffzellenstapel 20 aufzuwärmen. Mit Niedereffizienzbetrieb ist gemeint, dass die Menge des Reaktionsgases, das zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert werden soll, gesteuert wird, wobei das stöchiometrische Verhältnis der Luft auf etwa 1,0 eingestellt ist, um dadurch den Verlust an elektrischer Leistung zu erhöhen und einen Betrieb durchzuführen, bei dem der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, niedrig ist. Stöchiometrisches Luftverhältnis bezeichnet eine Sauerstoff-Überschussrate und zeigt an, wie viel überschüssiger Sauerstoff im Verhältnis zum Sauerstoff, der für eine Reaktion mit Wasserstoff ohne Überschuss oder Mangel benötigt wird, zugeführt wird. Durch die Durchführung des Niedereffizienzbetriebs, bei dem das stöchiometrische Luftverhältnis auf einen niedrigen Wert gesetzt ist, wird bewirkt, dass eine Kon zentrationsüberspannung höher ist als im Normalbetrieb, was zu einem erhöhten Wärmeverlust (weniger erzeugter elektrischer Leistung) der Energie, die aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff gezogen werden kann, führt. Der Niedereffizienzbetrieb wird beispielsweise als Mittel zur raschen Aufwärmung des Brennstoffzellenstapels 20 durch absichtliches Erhöhen des Wärmeverlusts während eines Startens bei einer niedrigen Temperatur in einem Startvorbereitungsstadium durchgeführt, bevor das Fahrzeug fährt, oder während des Aufwärmbetriebs bei fahrendem Fahrzeug.
Im Niedereffizienzbetrieb bei fahrendem Fahrzeug wird die Strömungsrate des Oxidierungsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden soll, entsprechend der benötigten elektrischen Leistung variabel gesteuert, wobei die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf einen bestimmten Spannungswert festgelegt ist, der niedriger ist als ein Spannungswert, der auf ihrer I/V-Kennlinie beruht. Der Grund für das Festlegen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf einen bestimmten Spannungswert ist, dass eine Änderung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 ungünstigerweise bewirkt, dass der Kondensator 29 aufgrund der kapazitiven Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels 20 elektrische Leistung lädt oder entlädt, wie von Ausdrücken (4) bis (5) angegeben, was dazu führt, dass zu viel oder zu wenig elektrische Leistung vom Brennstoffzellenstapel 20 zum externen Verbraucher 56 geliefert wird.
Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 im Niedereffizienzbetrieb implementiert einen raschen Aufwärmbetrieb, und die Ausgangsspannung wird auf einen Spannungswert gesetzt, mit dem eine Motorleistung erhalten werden kann, die mindestens benötigt wird, damit das Fahrzeug fährt. Unter dem Gesichtspunkt einer raschen Aufwärmung wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 vorzugsweise so niedrig wie möglich eingestellt; falls die Ausgangsspannung jedoch zu niedrig eingestellt wird, kann es sein, dass eine Motorleistung, die nötig ist, damit ein Fahrzeug fährt, nicht erhalten wird, so dass die Ausgangsspannung vorzugsweise auf eine Spannung eingestellt wird, mit der eine geeignete Motorleistung zum Fahren des Fahrzeugs erhalten werden kann, während gleichzeitig die Aufwärmleistung erfüllt wird, es sei denn, ein BZ-Ausgangsende ist mit einem Spannungserhöhungswandler ausgestattet.
Somit wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während des Niedereffizienzbetriebs auf eine bestimmte Spannung festgelegt, so dass die Steuereinrichtung 70 die Menge des Oxidierungsgases, das zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert wird, variabel steuert, wodurch eine Steuerung der elektrischen Leistungserzeugung auf der Basis einer benötigten elektrischen Leistung (des Öffnungsgrads des Gaspedals oder dergleichen) durchgeführt wird. Beispielsweise wird die Strömungsrate des Oxidierungsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 während einer hohen Belastung erhöht, während die Strömungsrate des Oxidierungsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 während einer niedrigen Belastung gesenkt wird. Jedoch muss die Brenngaszufuhr zum Brennstoffzellenstapel 20 bei einer bestimmten Strömungsrate gehalten werden.
Der Niedereffizienzbetrieb wird durchgeführt, bis die Temperatur des Stapels auf eine vorgegebene Temperatur (z. B. 0°C) steigt, und wird dann auf den Normalbetrieb umgeschaltet, wenn die Temperatur des Stapels die vorgegebene Temperatur erreicht.
5 zeigt die I/V-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 20.
Während des Normalbetriebs wird der Betrieb so gesteuert, dass der Betriebspunkt (der Ausgangsstrom Ifc und die Ausgangsspannung Vfc) auf einer I/V-Kennlinie (der Strom-zu-Spannung-Kennlinie) 200 liegt, um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu erhöhen. Dagegen wird während des Niedereffizienzbetriebs der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung absichtlich gesenkt, um den Wärmeverlust zu erhöhen, so dass der Betriebspunkt auf einen Spannungspunkt gesetzt wird, der niedriger ist als die I/V-Kennlinie 200, beispielsweise auf eine Ausgangsspannung Vfc = V1. Im Niedereffizienzbetrieb wird die Ausgangsspannung Vfc auf V1 festgelegt, um dadurch die Strömungsrate von Luft, die vom Luftkompressor 32 zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert wird, so zu steuern, dass der Ausgangsstrom Ifc eingestellt wird, wodurch die elektrische Leistungserzeugung gemäß einer Betriebslast (z. B. dem Öffnungsgrad des Gaspedals) gesteuert wird.
Beispielsweise wird der Betriebspunkt während eines Aufwärmbetriebs bei fahrender Fahrzeug im Niedereffizienz-Betriebsmodus mit OP1 (I3 und V1) bezeichnet. Auch wenn der Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 plötzlich gesenkt wird, wenn der Fahrer das Gaspedal auf AUS stellt, kann der Luftkompressor 32 die Drehzahl nicht plötzlich senken und dreht sich daher eine Zeit lang weiter mit einer Drehzahl, die höher ist als die Drehzahl, die dem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. Dies führt dazu, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung entsteht, welcher der Differenz zwischen der Höhe der elektrischen Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 und dem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. Die überschüssige elektrische Leistung kann durch Erhöhen der Ausgangsspannung Vfc von V1 auf V2 (dabei wird der Betriebspunkt von OP1 auf OP2 verschoben) durch die ΔV-Steuerung im Kondensator 29 gespeichert werden, der parasitisch im Brennstoffzellenstapel 20 existiert. Durch diese Anordnung kann der Wert der elektrischen Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 zu einem externen Verbraucher geliefert wird, tatsächlich auf den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung abgestimmt werden.
In 5 bezeichnen Bezugszahlen 300 bzw. 400 Iso-Leistungslinien.
Nun wird die ΔV-Steuerung ausführlich mit Bezug auf 5 bis 6 beschrieben.
Die ΔV-Steuerung wird unter Annahme eines Falls, dass eine benötigte Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt werden soll, abrupt gesenkt wird, wobei ein EIN-Zustand eines Gaspedals im Zeitraum vom Zeitpunkt t10 zum Zeitpunkt t11 beibehalten wird und das Gaspedal zum Zeitpunkt t11 auf AUS gestellt wird, als Beispiel beschrieben.
Wenn das Gaspedal zum Zeitpunkt t11 auf AUS gestellt wird, nimmt die Betriebslast des Brennstoffzellenstapels 20 (genauer die elektrische Leistung, die zum Fahren des Fahrzeugs benötigt wird) ab, so dass die Steuereinrichtung 70 einen Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung so berechnet, dass die elektrische Leistung erzeugt wird, die der gesunkenen Betriebslast entspricht. Dabei nimmt der Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung allmählich ab, da nur elektrische Leistung erzeugt werden muss, die zu im Fahrzeug eingebautem Zubehör oder dergleichen geliefert werden muss. Es wird angenommen, dass der Betriebspunkt unmittelbar vor dem Zeitpunkt t11 auf OP1 (I3, V1) liegt.
Da der Luftkompressor 32 keinen Drehzahlminderer, wie eine Bremse, aufweist, kann er seine Drehung jedoch nicht sofort begrenzen, wenn das Gaspedal zum Zeitpunkt t11 auf AUS gestellt wird, und dreht sich eine Zeit lang trägheitsbedingt weiter, wobei er eine größere Oxidierungsgasmenge zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert als die Oxidierungsgas-Zufuhrmenge, die dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. Daher wird eine Höhe Pmes einer elektrischen Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 größer als der Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung, und ein Unterschied Ws zwischen diesen beiden wird zu einer überschüssigen elektrischen Leistung.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 erhöht die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 um ΔVfc = (V2 – V1) und stellt den Betriebspunkt auf OP2 (I2, V2) ein. Dies bewirkt, dass die überschüssige elektrische Leistung Ws in der kapazitiven Komponente im Brennstoffzellenstapel 20, d. h. im Kondensator 29 gespeichert wird, so dass die elektrische Leistung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben wird (Pmes – Ws) und der Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung tatsächlich zusammenfallen.
Wenn zum Zeitpunkt t12 die Ladung der überschüssigen elektrischen Leistung Ws in den Kondensator 29 abgeschlossen ist, wird die Ausgangsspannung Vfc um ΔVfc = (V2 – V1) gesenkt, und der Betriebspunkt wird von OP2 (I2, V2) auf OP1 (I3, V1) zurückgesetzt.
Ein Betriebspunkt OP3 (I3, V3), der auf der I/V-Kennlinie 200 liegt, zeigt an, dass die maximale Spannung, die theoretisch vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben werden kann, wenn der Ausgangsstrom I3 ist, V3 ist. Selbst wenn OP4' (I3, V4) als Betriebspunkt vorgegeben wird, um die Ausgangsspannung Vfc zu erhöhen, wenn die ΔV-Steuerung ausgeführt wird, um den Kondensator 29 mit der überschüssigen elektrischen Leistung Ws zu laden, kann der Brennstoffzellenstapel 20 nicht am Betriebspunkt OP4' betrieben werden, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 an einem Betriebspunkt OP4 (I1, V4) auf der I/V-Kennlinie betrieben wird, bei dem Vfc = V4.
Wenn die ΔV-Steuerung den Betriebspunkt auf einen Betriebspunkt auf der I/V-Kennlinie 200 verschiebt, ändert die Steuereinrichtung 70 den Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb. Die Entscheidungsbedingung für das Umschalten aus dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb kann eine Bedingung sein, dass beispielsweise die Differenz zwischen der elektrischen Leistung an dem Betriebspunkt, der in der ΔV-Steuerung als Zielpunkt vorgegeben wird, und der elektrischen Leistung beim aktuellen Betriebspunkt nach der ΔV-Steuerung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In dem oben beschriebenen Beispiel ist die elektrische Leistung am Betriebspunkt OP4' (I3, V4), der in der ΔV-Steuerung vorgegeben wird, I3 × V4, und die elektrische Leistung am aktuellen Betriebspunkt OP4 (I1, V4) nach der ΔV-Steuerung ist I1 × V4. Somit kann der Betriebsmodus aus dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden, wenn die Differenz zwischen den beiden oben genannten elektrischen Leistungen (I3 – I1) × V4 den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Entscheidungsbedingung entspricht der Funktion Min-Funktion 910 in 9, die noch zu beschreiben sein wird.
Nun wird mit Bezug auf 7 ein Anwendungsbeispiel für die ΔV-Steuerung beschrieben.
Als Beispiel für eine abrupte Senkung des Bedarfs an elektrischer Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt werden soll, wird ein Beispiel beschrieben, in dem die ΔV-Steuerung unter Annahme eines Falles angewendet wird, dass der EIN-Zustand des Gaspedals über den Zeitraum vom Zeitpunkt t20 zum Zeitpunkt t21 beibehalten wird und das Gaspedal zum Zeitpunkt t21 auf AUS gestellt wird.
Wenn das Gaspedal zum Zeitpunkt t21 auf AUS gestellt wird, sinkt eine Betriebslast des Brennstoffzellenstapels 20 schnell, so dass die Steuereinrichtung 70 den Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung allmählich senkt, um die überschüssige elektrische Leistung Ws zu verringern, die der Differenz zwischen der Höhe Pmes der elektrischen Leistungserzeugung und dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. Allmähliches Senken des Befehlswerts Pref für die elektrische Leistungserzeugung bedeutet anders ausgedrückt, dass die elektrische Leistung, die über der elektrischen Leistung liegt, die einer Betriebslast entspricht, als Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung eingestellt wird. Ein Verfahren zum allmählichen Senken des Befehlswerts Pref für die elektrische Leistungserzeugung innerhalb eines Bereichs, in dem das Fahrverhalten nicht beeinträchtigt wird, wenn das Gaspedal auf AUS gestellt wird, ist das Verfahren, bei dem ein Gaspedal sozusagen langsam losgelassen wird. Durch langsames Loslassen des Gaspedals wird bewirkt, dass das Drehmoment des Fahrmotors 54 allmählich abnimmt, was dazu führt, dass die überschüssige elektrische Leistung Ws, die der Differenz zwischen dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung und der Höhe Pmes der elektrischen Leistungserzeugung entspricht, gering ist.
Durch leichtes Erhöhen der Ausgangsspannung Vfc um ΔVfc = (V2' – V1) (mit der Maßgabe, dass V1 < V2' < V2) während des Zeitraums vom Zeitpunkt t21 zum Zeitpunkt t22 kann die überschüssige elektrische Leistung Ws im Kondensator 29 im Brennstoffzellenstapel 20 gespeichert werden. Auch wenn es während der Erhöhung der Ausgangsspannung Vfc durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 zu einer Verzögerung kommt, ist die Spannung ΔVfc, bei der es sich um eine Spannungszunahme handelt, zum Speichern der überschüssigen elektrischen Leistung Ws klein, wodurch es noch leichter wird, die elektrische Leistung, die zum externen Verbraucher 56 des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert werden soll (Pmes – Ws) an den Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung anzugleichen.
Nun wird ein weiteres Beispiel beschreiben, in dem die ΔV-Steuerung angewendet wird.
Wenn die Betriebslast plötzlich sinkt, wenn der Fahrer von Gaspedal EIN auf Gaspedal AUS wechselt, erhöht die Steuereinrichtung 70 die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 und lädt den Kondensator 29 mit der überschüssigen elektrischen Leistung Ws, wie oben beschrieben. Falls der Fahrer das Gaspedal auf AUS stellt und unmittelbar danach das Gaspedal wieder auf EIN stellt, muss der Brennstoffzellenstapel sofort elektrische Leistung, die dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht, zum externen Verbraucher 56 liefern. Selbst wenn die Menge des Reaktionsgases, das zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert werden soll, erhöht wird, vergeht Zeit, bis die elektrische Leistung erzeugt wird, die dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. In einem solchen Fall wird somit die Ausgangsleistung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 durch die ΔV-Steuerung gesenkt, und die elektrische Leistung wird aus dem Kondensator 29 geholt, wodurch die benötigte elektrische Leistung sofort zum externen Verbraucher 56 geliefert werden kann.
Mit Bezug auf 8 wird nun das Steuerverfahren zum Wechseln aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb beschrieben.
Ein Niedereffizienzbetriebs-Flag liefert Flag-Informationen, die anzeigen, ob gerade der Niedereffizienzbetrieb durchgeführt wird, und das Niedereffizienzbetriebs-Flag ist EIN, wenn der Niedereffizienzbetrieb gerade durchgeführt wird, während das Flag AUS ist, wenn der Niedereffizienzbetrieb gerade nicht durchgeführt wird In einem Zeitraum vor dem Zeitpunkt t32 steuert die Steuereinrichtung 70 einen Zellenbetrieb durch den Niedereffizienzbetrieb und berechnet einen Strombefehlswert auf der Basis des Öffnungsgrads des Gaspedals, um die Drehzahl des Luftkompressors 32 so zu steuern, dass ein Oxidierungsgas, das dem Strombefehlswert entspricht, zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert wird. Beispielsweise wird das Gaspedal zum Zeitpunkt t30 auf EIN gestellt, so dass die Steuereinrichtung 70 den Strombefehlswert auf der Basis des Öffnungsgrads des Gaspedals erhöht und dann die Drehzahl des Luftkompressors 32 erhöht, um mit dem erhöhten Strombefehlswert Schritt zu halten. Dann wird das Gaspedal zum Zeitpunkt t31 auf AUS gestellt, so dass die Steuereinrichtung 70 den Strombefehlswert aufgrund des Öffnungsgrads des Gaspedals senkt und die Drehzahl des Luftkompressors senkt, um dem gesunkenen Strombefehlswert folgen zu können.
Wenn der Aufwärmbetrieb im Niedereffizienzmodus zum Zeitpunkt t32 abgeschlossen ist, schaltet das Niedereffizienzbetriebs-Flag von EIN auf AUS. Dadurch wird eine Spannungszurücksetzungs-Verarbeitungsroutine gestartet, und während des Zeitraums vom Zeitpunkt t32 bis zum Zeitpunkt t33 wird die Spannungszurücksetzungs-Verarbeitungsroutine implementiert. In der Spannungszurücksetzungs-Verarbeitungsroutine treibt die Steuereinrichtung 70 den Luftkompressor 32 mit einer Drehzahl an, die größer ist als die Drehzahl des Luftkompressors 32, die einem Strombefehlswert entspricht, der dem Öffnungsgrad des Gaspedals entspricht, wodurch zwangsweise überschüssige elektrische Leistung erzeugt wird. Wie in 8 dargestellt, ist in der Situation, dass das Gaspedal auf AUS steht, der Strombefehlswert null, aber die Steuereinrichtung 70 treibt den Luftkompressor 32 mit einer Drehzahl an, die etwas höher ist als die Drehzahl des Luftkompressors 32, die dem Strombefehlswert null entspricht. Die Höhe der erzwungenen elektrischen Leistungserzeugung ist vorzugsweise eine Höhe, die zum Verschieben des Betriebspunkts OP1 des Brennstoffzellenstapels 20 auf den Betriebspunkt OP3 auf der I/V-Kennlinie durch die ΔV-Steuerung nötig und angemessen ist.
Falls die Steuereinrichtung 70 erfasst, dass die Höhe der Leistungserzeugung größer sein wird als der Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung (dass überschüssige Leistung erzeugt werden wird), führt die Steuereinrichtung 70 die ΔV-Steuerung aus, um die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 von V1 auf V3 zu erhöhen, um die überschüssige elektrische Leistung im Kondensator 29 zu speichern. Ferner bestimmt die Steuereinrichtung 70, ob die Differenz zwischen der elektrischen Leistung an dem Betriebspunkt, der vom Zielpunkt der ΔV-Steuerung vorgegeben wird, und der elektrischen Leistung bei einem aktuellen Betriebspunkt nach der ΔV-Steuerung einen vorgegeben Schwellenwert überschritten hat, um dadurch zu bestimmen, ob der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 20 auf die I/V-Kennlinie 200 verschoben wurde. Wenn dann zum Zeitpunkt t33 bestimmt wird, dass der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 20 auf die I/V-Kennlinie 200 verschoben wurde, wird die Span nungszurücksetzungs-Verarbeitungsroutine beendet und der Betriebsmodus wird auf den Normalbetrieb umgeschaltet.
Aus der obigen Beschreibung wird klar, dass für ein Umschalten des Betriebspunkts des Brennstoffzellensystems 10 aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb der Betriebspunkt aus einem Niedereffizienzbetriebsbereich auf einen Betriebspunkt auf der I/V-Kennlinie 200 verschoben werden muss (dass der Spannungswert des Betriebspunkts erhöht werden muss). Durch die Zufuhr eines leichten Überschusses an Oxidierungsgas zum Brennstoffzellenstapel 20 wird dabei zwangsweise überschüssige elektrische Energie erzeugt, wodurch die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 erhöht wird, um die überschüssige elektrische Leistung im Kondensator 29 zu speichern. Somit kann aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb gewechselt werden, ohne eine Änderung der elektrischen Leistung, die zum externen Verbraucher 56 des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert wird, zu bewirken.
9 ist ein Funktionsblockschema zur Berechnung eines Spannungsbefehlswerts Vref für den Brennstoffzellenstapel 20 während der ΔV-Steuerung.
Funktionsblöcke 901 bis 910, die in der Zeichnung dargestellt sind, werden durch eine arithmetische Funktion der Steuereinrichtung 70 implementiert. Eine erhöhte Spannung ΔVfc pro Zeiteinheit wird aus einer elektrischen Leistung ΔP, die pro Zeiteinheit im Kondensator 29 gespeichert wird, berechnet, um den Spannungsbefehlswert Vref zu bestimmen.
Eine BZ-Ausgangsleistungs-Schätzfunktion 901 berechnet eine theoretische Höhe Pest der elektrischen Leistungserzeugung gemäß einem vorgegebenen arithmetischen Ausdruck auf der Basis der Strömungsrate Qafm von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 21 zugeführt wird, und der Ausgangsspannung Vfc. Eine MAX-Funktion 902 vergleicht die aktuelle Höhe Pmes der elektrischen Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 mit der theoretischen Höhe Pest der elektrischen Leistungserzeugung und gibt dann jeweils den größeren der beiden Werte der elektrischen Leistung als Ausgangswert aus. Eine Subtraktionsfunktion 903 subtrahiert einen Ausgangswert der MAX-Funktion 902 vom Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung, um einen Fehler ΔP der elektrischen Leistung zu bestimmen.
In einem Kennfeld 904 sind die Kapazitanzwerte des Kondensators 29 festgehalten. Der Kondensator 29 ist ein spannungsabhängiger Kondensator mit variabler Kapazitanz, so dass sein Kapazitanzwert von der Ausgangsspannung Vfc abhängt. Wenn die Ausgangsspannung Vfc sich ändert, ändert sich somit der Kapazitanzwert des Kondensators 29 entsprechend. Eine ΔVfc-Rechenfunktion 905 ermittelt ΔP aus der Subtraktionsfunktion 903 und ermittelt außerdem einen Kapazitanzwert C des Kondensators 29 aus dem Kennfeld 904, um eine erhöhte Spannung ΔVfc gemäß ΔVfc = –Vfc + sqr(Vfc2 + 2ΔPΔt/C) zu berechnen. Hierbei bezeichnet Δt einen Rechenzyklus (Abtastzyklus), ΔP bezeichnet die elektrische Leistung, die im Kondensator 29 pro Zeiteinheit gespeichert wird, und die Funktion sqr bezeichnet eine Funktion mit einer Quadratwurzel eines Arguments als Ausgabewert.
Eine Verzögerungsfunktion 906 speichert den Spannungswert Vref, der bei der vorhergehenden Abtastung erhalten wurde. Eine Subtraktionsfunktion 907 subtrahiert ΔVfc, der anhand der ΔVfc-Rechenfunktion 905 berechnet wurde, vom Spannungsbefehlswert Vref, der bei der vorangehenden Abtastung erhalten wurde und der in der Verzögerungsfunktion 906 gespeichert wurde (das Vorzeichen von ΔVfc ist negativ, so dass ΔVfc eigentlich addiert wird), wodurch der Spannungsbefehlswert berechnet wird.
Ein P/I-Kennfeld 908 ist ein Kennfeld, das eine theoretische Entsprechungsbeziehung zwischen der elektrischen Leistung und dem Strom des Brennstoffzellenstapels 20 anzeigt. Ein V/I-Kennfeld 909 ist ein Kennfeld, das eine theoretische Entsprechungsbeziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Brennstoffzellenstapels 20 anzeigt. Unter Bezugnahme auf diese Kennfelder 908 und 909 kann ein theoretischer Spannungswert erhalten werden, der dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht (ein Spannungswert auf der I/V-Kennlinie 200). Eine Min-Funktion 910 vergleicht den über die ΔVfc-Rechenfunktion 905 berechneten Spannungsbefehlswert und den theoretischen Wert, der dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung, der über die genannten Kennfelder 908 und 909 berechnet wurde, ent spricht, und gibt jeweils den kleineren von ihnen als Spannungsbefehlswert Vref aus. Die Funktion der Min-Funktion entspricht der Verarbeitung zum Bestimmen, ob der Betriebspunkt, der während der ΔV-Steuerung als Zielpunkt vorgegeben wurde, auf einen Betriebspunkt auf der I/V-Kennlinie 200 verschoben wurde.
Die Steuereinrichtung 70 führt während der ΔV-Steuerung die oben beschriebene Berechnung zu jedem Zeitpunkt Δt durch und aktualisiert sequentiell den Spannungsbefehlswert Vref.
Unter Bezugnahme auf 10 bis 11 wird nun die Verarbeitung zum Korrigieren des Kennfelds 904, in dem die Kapazitanzwerte des Kondensators 29 festgehalten werden, beschrieben.
10 zeigt das Kennfeld 904, in dem die Kapazitanzwerte des Kondensators 29 festgehalten werden. Da der Kondensator 29, wie oben beschrieben, ein spannungsabhängiger Kondensator mit variabler Kapazitanz ist, weist der Kondensator 29 die Eigenschaft auf, dass sein Kapazitanzwert von der Ausgangsspannung Vfc abhängt, und der Kapazitanzwert des Kondensators 29 ändert sich gemäß der Ausgangsspannung Vfc. Falls der Brennstoffzellenstapel 20 über längere Zeit fortgesetzt als Oxidationspotential verwendet wird, haften Oxide an den Oberflächen der Katalysatorschichten 23a und 24b, wodurch eine Verschlechterung der C-V-Eigenschaften aufgrund eines Alterungsverschleißes bewirkt wird. Eine Änderung der C-V-Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels 20 bedeutet eine Änderung des Kapazitanzwerts des Kondensators 29 in der in 4 dargestellten Ersatzschaltung, so dass es nötig ist, das Kennfeld 904 gemäß einer Änderung der C-V-Eigenschaft zu korrigieren.
11 zeigt ein Funktionsblockschema für die Korrektur des Kennfeldes 904, in dem die Kapazitanzwerte des Kondensators 29 festgehalten werden.
In der Figur wird eine PI-Steuerfunktion 402 durch die arithmetische Funktion der Steuereinrichtung 70 implementiert.
Die Steuereinrichtung 70 liest die Ausgangsspannung Vfc und den Ausgangsstrom Ifc vom Spannungssensor 71 bzw. vom Stromsensor 72 und berechnet den Wert Ifc/(ΔVfc/Δt) jedes Mal zu jedem vorgegebenen Rechenzyklus, um dadurch einen aktuell gemessenen Kapazitanzwert 401 des Kondensators 29 entsprechend der Ausgangsspannung Vfc zu berechnen. Die PI-Steuerfunktion 402 liest den Kapazitanzwert des Kondensators 29, welcher der Ausgangsspannung Vfc entspricht, aus dem Kennfeld 904 und unterzieht die Differenz zwischen dem ausgelesenen Kapazitanzwert und dem aktuell gemessenen Kapazitanzwert 401 einer PI-Steuerung, um dadurch ein Fehlerkorrektur-Kennfeld 403 zu erzeugen. Eine exakter Kapazitanzwert des Kondensators 29 kann durch Addieren des Kapazitanzwerts, der aus dem Kennfeld 904 ausgelesen wird, und eines Korrekturwerts, der aus dem Fehlerkorrektur-Kennfeld 403 ausgelesen wird, bestimmt werden.
Wenn die oben beschriebene ΔVfc-Rechenfunktion 905 einen Kapazitanzwert des Kondensators 29 aus dem Kennfeld 904 ausliest, wird vorzugsweise ein Kapazitanzwert verwendet, der durch das Fehlerkorrektur-Kennfeld 403 korrigiert wurde.
Wenn ein Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung während des Niedereffizienzbetriebs abrupt sinkt, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die überschüssige elektrische Leistung Ws, die den Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, im Kondensator 29 gespeichert werden, der parasitisch im Brennstoffzellenstapel 20 vorhanden ist, wodurch die Zufuhr von überschüssiger elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zum externen Verbraucher 56 begrenzt bzw. verhindert werden kann.
Ferner weist die vorliegende Ausführungsform das Fehlerkorrektur-Kennfeld 403 als Korrekturmittel auf zum Korrigieren des Kennfelds 904 auf der Basis des Kennfelds 904, das Kapazitanzwerte in Relation zu Spannungen des Kondensators 29 anzeigt, und des aktuell gemessenen Kapazitanzwerts 401, der durch Teilen des Ausgangsstroms Ifc des Brennstoffzellenstapels 20 durch eine Änderung der Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 pro Zeiteinheit erhalten wird, wodurch die überschüssige elektrische Leistung Ws exakt im Kondensator 29 gespeichert werden kann.
Wenn eine Betriebslast des Brennstoffzellenstapels 20 mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich sinkt, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform darüber hinaus der Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung allmählich gesenkt, um die Differenz zwischen der Höhe Pmes der elektrischen Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 und dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung zu beschränken. Durch diese Anordnung kann die überschüssige elektrische Leistung Ws verringert werden und die Differenz zwischen der Menge an erzeugter elektrischer Leistung, die zum externen Verbraucher 56 des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert wird (Pmes – Ws) und dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung kann verringert werden.
Falls ein Betriebspunkt, der vorgegeben wird, um die überschüssige elektrische Leistung Ws im Kondensator 29 zu speichern, einen Spannungswert aufweist, der höher ist als der Spannungswert, der von der I/V-Kennlinie 200 des Brennstoffzellenstapels 20 im Normalbetrieb bestimmt wird, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner bestimmt, dass der Betriebspunkt außerhalb des Niedereffizienzbetriebsbereichs liegt, was das Umschalten vom Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb erlaubt.
Beim Umschalten aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner mehr Oxidierungsgas zum Brennstoffzellenstapel 20 geliefert als die Oxidierungsgas-Zufuhrmenge, die dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht, um zwangsweise die überschüssige Leistung Ws zu erzeugen, und die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 wird erhöht, um die überschüssige elektrische Leistung Ws im Kondensator 29 zu speichern, wodurch der Betriebsmodus aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb umgeschaltet werden kann, ohne Schwankungen der elektrischen Leistung, die zum externen Verbraucher 56 des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert wird, zu bewirken.
In der oben genannten Ausführungsform wurde ein Anwendungsbeispiel beschrieben, in dem das Brennstoffzellensystem 10 als ein in einem Fahrzeug eingebautes System für die Versorgung mit elektrischer Leistung verwendet wird. Jedoch ist die Anwendung des Brennstoffzellensystems 10 nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Quelle für elektrische Leistung für einen mobilen Körper, bei dem es sich nicht um ein Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug handelt (für einen Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen) installiert werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Leistungserzeugungsausrüstung (als feststehendes Leistungserzeugungssystem) für ein Haus, ein Gebäude oder dergleichen verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wenn ein Befehl für eine elektrische Leistungserzeugung während eines Niedereffizienzbetriebs plötzlich sinkt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung überschüssige elektrische Leistung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, in einer kapazitiven Komponente einer Brennstoffzelle gespeichert werden, wodurch die Zufuhr der überschüssigen elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle zum externen Verbraucher begrenzt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Ein Brennstoffzellensystem erhöht eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle, falls ein Befehlswert Pref für die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung abrupt sinkt, während die Brennstoffzelle in einem Niedereffizienzbetrieb aufgewärmt wird, in dem der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, niedriger ist als in einem Normalbetrieb. Somit wird die überschüssige elektrische Leistung Ws, die der Differenz zwischen einer Höhe Pmes der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung und dem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung entspricht, in einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle gespeichert, wodurch die elektrische Leistung, die zu einem externen Verbraucher der Brennstoffzelle geliefert wird (Pmes – Ws) dem Befehlswert Pref für die elektrische Leistungserzeugung entspricht. Dadurch kann eine Steuerung durchgeführt werden, um keine überschüssige elektrische Leistung zum externen Verbraucher zu liefern, wenn die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle gefordert wird, während des Niedereffizienzbetriebs plötzlich sinkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-313388 [0003, 0003, 0005]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, welche die Zufuhr eines Reaktionsgases empfängt, um elektrische Leistung zu erzeugen; eine Aufwärmvorrichtung, welche die Brennstoffzelle durch einen Niedereffizienzbetrieb aufwärmt, in dem der Wirkungsgrad, mit dem elektrische Leistung erzeugt wird, niedriger ist als in einem Normalbetrieb; und eine Steuereinrichtung, die eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, falls ein Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich sinkt, um dadurch überschüssige elektrische Leistung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung überschreitet, in einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle zu speichern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Kennfeld, das Kapazitanzwerte in Relation zu Spannungen der kapazitiven Komponente anzeigt; und eine Korrekturvorrichtung, die das Kennfeld auf der Basis eines aktuell gemessenen Werts der kapazitiven Komponente korrigiert, der durch Teilen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle durch eine Änderung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit erhalten wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Befehlsvorrichtung für die elektrische Leistungserzeugung, die den Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung sanft senkt, so dass eine Differenz zwischen einer Höhe einer elektrischen Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle und einem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung beschränkt wird, falls eine Betriebslast der Brennstoffzelle mitten im Niedereffizienzbetrieb plötzlich gesenkt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung in dem Fall, dass ein Betriebspunkt, der vorgegeben wird, um die überschüssige elektrische Leistung in der kapazitiven Komponente zu speichern, einen Spannungswert aufweist, der höher ist als ein Spannungswert, der von einer Strom-zu-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle im Normalbetrieb bestimmt wird, einen Betriebsmodus aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb umschaltet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung während des Umschaltens aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb durch Zuführen einer Reaktionsgasmenge zur Brennstoffzelle, die größer ist als eine Reaktionsgas-Zufuhrmenge, die dem Befehlswert für die elektrische Leistungserzeugung entspricht, zwangsweise überschüssige elektrische Leistung erzeugt und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, um die überschüssige elektrische Leistung in der kapazitiven Komponente zu speichern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei Niedereffizienzbetrieb bedeutet, dass ein Zellenbetrieb bei einem Betriebspunkt durchgeführt wird, der einen Spannungswert aufweist, der niedriger ist als ein Spannungswert, der von einer Strom-zu-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle bestimmt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die kapazitive Komponente eine kapazitive Scheinkomponente ist, die auf eine Oxidations-/Reduktions-Reaktion zwischen einer kapazitiven Komponente einer elektrischen Doppelschicht und einem Katalysator eines Katalysatorträgers der Brennstoffzelle zurückgeht.