DE112008002649T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend:
ein erstes Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob sich eine Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet oder nicht;
ein zweites Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob, falls beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle im trockenen Zustand befindet, die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht, bei welcher die der Brennstoffzelle zuzuführende Reaktansgasmenge im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung gering ist und bei der ein Leistungsverlust im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung groß ist; und
ein der Leistungserzeugung zugeordnetes Steuermittel zur Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad in einem Falle, in welchem beurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Bei einem Brennstoffzellensystem ist eine Brennstoffzelle des Festpolymertyps eingebaut, bei welchem eine Festpolymermembran mit Protonenleitfähigkeit auf eine Elektrolytschicht aufgebracht ist. Die Festpolymermembran dieser Brennstoffzelle weist eine hohe Protonenleitfähigkeit im feuchten Zustand auf, weshalb es wichtig ist, die Festpolymermembran in einem feuchten Zustand zu halten, um Leistung mit hohem Wirkungsgrad erzeugen zu können.
  • Angesichts einer solchen Situation wird ein Verfahren einer Ablaufsteuerung (nachfolgend als Brennstoffzellen-Temperatursenkungssteuerung bezeichnet) vorgeschlagen, um die Temperatur der Brennstoffzelle in einem Falle abzusenken, in dem auf der Basis der Leerlaufspannung der Wasserzustand der Brennstoffzelle diagnostiziert wird und festgestellt wird, daß sich die Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet (siehe beispielsweise das Patentdokument 1). Dabei führt, verglichen mit Luft höherer Temperatur, Luft mit niedriger Temperatur eine geringere Wassermenge ab. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle, wie oben beschrieben, abgesenkt wird, sinkt auch die Temperatur der aus der Brennstoffzelle abgeführten Luft, und deshalb kann der Wassergehalt der trockenen Brennstoffzelle in einen optimalen Zustand gesteuert werden.
    • Patentdokument 1: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2005-32587
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Wenn sich jedoch eine Brennstoffzelle im Bereich einer niedrigen Temperatur (z. B. während eines Niedrigtemperaturstarts oder dergleichen) und in einem trockenen Zustand befindet, ist es erforderlich, eine Ablaufsteuerung (nachfolgend als Aufheizsteuerung bezeichnet) durchzuführen, um einmal die Temperatur der Brennstoffzelle weiter abzusenken, um den Wassergehalt der Brennstoffzelle in einen optimalen Zustand zu bringen, und dann die Brennstoffzelle aufzuheizen, um die Temperatur der Brennstoffzelle nahe an eine Zieltemperatur heranzuführen. Somit ist es bei einer konventionellen Technologie, wenn sich die Brennstoffzelle im Bereich der niedrigen Temperatur und wenn sich die Brennstoffzelle im trockenen Zustand befindet, erforderlich, eine umständliche Ablaufsteuerung durchzuführen, wie eine Steuerung zur Senkung der Brennstoffzellentemperatur → eine Aufheizsteuerung, und es gab das Problem, daß es schwierig ist, einer Forderung nach einer Beschleunigung der Steuerung zu entsprechen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt im Hinblick auf die oben beschriebene Situation und es ist eine der ihr zugrunde liegenden Aufgaben, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das befähigt ist, schnell und optimal eine Steuerung des Wasserzustands und der Temperatur der Brennstoffzelle durchzuführen, selbst wenn die Brennstoffzelle sich auf einem niedrigen Temperaturniveau und im trockenen Zustand befindet.
  • Mittel zur Lösung des Problems
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: ein erstes Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob sich eine Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet oder nicht; ein zweites Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob, falls beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle im trockenen Zustand befindet, die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht, bei welcher die der Brennstoffzelle zuzuführende Reaktansgasmenge im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung gering ist und bei der ein Leistungsverlust im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung groß ist; und ein der Leistungserzeugung zugeordnetes Steuermittel zur Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad in einem Falle, in welchem beurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist.
  • Gemäß einer solchen Gestaltung wird in einem Falle, in dem geurteilt wird, daß die Brennstoffzelle sich in einem trockenen Zustand befindet und dann geurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist, die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt. Wenn die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, kann eine sofortige Aufheizung realisiert werden, und die Kathodenwasserbilanz einer Brennstoffzelle 2 kann in einen positiven (feuchten) Zustand gebracht werden, der Wasserzustand und die Temperatur der Brennstoffzelle kann im Vergleich mit einer konventionellen Technologie, bei der aufwendige Verfahrensweisen, wie ein Verfahren zur Absenkung der Brennstoffzellentemperatur → Aufheizverfahren erforderlich waren, schnell und optimal gesteuert werden.
  • Dabei umfaßt die obige Gestaltung weiterhin vorzugsweise einen Kühlmechanismus, der die Brennstoffzelle in einem Falle kühlt, in welchem beurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad nicht gestattet ist.
  • Überdies umfaßt bei der obigen Gestaltung das erste Beurteilungsmittel vorzugsweise weiter ein Mittel zur Impedanzmessung zur Messung der Impedanz der Brennstoffzelle, und urteilt basierend auf dem Ergebnis der Impedanzmessung ob die Brennstoffzelle sich im trockenen Zustand befindet oder nicht.
  • Des weiteren umfaßt bei der obigen Gestaltung das zweite Beurteilungsmittel vorzugsweise ein zugeordnetes Mittel zur Messung einer der Brenn stoffzelle zugeordneten Temperatur und beurteilt basierend auf dem Meßergebnis der zugeordneten Temperatur, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist oder nicht.
  • Zusätzlich umfaßt die obige Gestaltung vorzugsweise einen Akkumulator, der eine Leistung lädt oder entlädt, und bei welchem das zweite Beurteilungsmittel weiter ein Feststellungsmittel zur Ermittlung des Ladezustands des Akkumulators umfaßt und basierend auf dem Meßergebnis der betroffenen Temperatur und des Ermittlungsergebnisses des Ladezustands beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu gestatten ist oder nicht.
  • Außerdem stellt bei der obigen Gestaltung das Feststellungsmittel den Wert des Ladezustands oder eine Ladeleistung des Akkumulators fest und das zweite Beurteilungsmittel beurteilt basierend auf dem Meßergebnis der betroffenen Temperatur und dem Ermittlungsergebnis des Wertes des Ladezustands oder der Ladeleistung des Akkumulators, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu gestatten ist oder nicht.
  • Wirkung der Erfindung
  • Wie oben beschrieben, können der Wasserzustand und die Temperatur der Brennstoffzelle schnell und optimal gesteuert werden, selbst wenn die Brennstoffzelle sich auf einem niedrigen Temperaturniveau und im trockenen Zustand befindet.
  • Beste Art die Erfindung auszuführen
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird eine Übersicht des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben.
  • A. Erste Ausführungsform
  • Die 1 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 kann in ein Fahrzeug 100, wie ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV), ein Elektroautomobil oder ein Hybridfahrzeug eingebaut sein. Jedoch ist das Brennstoffzellensystem 1 sogar bei verschiedenen anderen beweglichen Körpern (beispielsweise ein Schiff, ein Flugzeug oder ein Roboter) als einem Fahrzeug 100, einer stationären Leistungsquelle oder einem transportablen Brennstoffzellensystem angewandt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfaßt eine Brennstoffzelle 2, ein Rohrleitungssystem 3 für ein Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle Luft als Oxidationsgas zuführt, ein Rohrleitungssystem 4 für ein Brenngas, das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas als Brenngas zuführt, ein Rohrleitungssystem 5 für ein Kühlmittel, das der Brennstoffzelle ein Kühlmittel zuführt, ein Leistungssystem 6, das eine Leistung des Systems 1 lädt oder entlädt, und eine Steuervorrichtung 7, die allgemein die Aktion des Systems 1 steuert. Das Oxidationsgas und das Brenngas können allgemein als Reaktansgas bezeichnet werden.
  • Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Bauform mit Festpolymerelektrolyt und besitzt eine stapelartige Struktur, in der eine große Anzahl von Zelleneinheiten gestapelt ist. In jeder Zelleneinheit ist eine eine Protonenleitfähigkeit aufweisende Festpolymermembran auf eine Elektrolytschicht aufgebracht und die Zelle besitzt einen Luftpol (eine Kathode) auf einer Seite des Elektrolyten, einen Brennstoffpol (eine Anode) auf der anderen Seite und ein Paar von Separatoren, die den Luftpol und den Brennstoffpol sandwichartig von beiden Seiten einschließen. Das Oxidationsgas wird einem Oxidationsgaskanal 2a eines der Separatoren zugeführt und das Brenngas einem Brenngaskanal 2b des anderen Separators. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den zugeführten Gasen, dem Oxidationsgas und dem Brenngas.
  • Das Rohrleitungssystem 3 für das Oxidationsgas besitzt einen Versorgungspfad 11, über den das der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Oxidationsgas strömt, und einen Ableitungspfad 12, über den ein aus der Brennstoffzelle 2 austretendes Oxidationsabgas strömt. Der Versorgungspfad 11 steht mit dem Ableitungspfad 12 über den Oxidationsgaskanal 2a in Verbindung. Das Oxidationsabgas enthält durch die Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 erzeugtes Wasser und weist deshalb einen in hohem Maße feuchten Zustand auf.
  • Der Versorgungspfad 11 ist mit einem Kompressor 14 versehen, der über einen Luftreiniger 13 Außenluft ansaugt, und mit einem Luftbefeuchter 15, der das unter Druck vom Kompressor 14 zur Brennstoffzelle 2 geförderte Oxidationsgas befeuchtet. Der Befeuchter 15 führt einen Wasseraustausch durch zwischen dem über den Versorgungspfad 11 strömenden und einen Zustand mit geringer Feuchtigkeit aufweisenden Oxidationsgas und dem einen Zustand mit hoher Feuchtigkeit aufweisenden, über den Ableitungspfad 12 strömenden Oxidationsabgas, und befeuchtet in geeigneter Weise das der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Oxidationsgas.
  • Der Rückdruck der Brennstoffzelle 2 auf der Seite des Luftpols wird durch ein Rückdruckregelventil 16 geregelt, das im Ableitungspfad 12 nahe einem Kathodenauslaß angeordnet ist. Ein Druckfühler P1, der den Druck im Ableitungspfad 12 ermittelt, ist in der Nähe des Rückdruckregelventils 16 angeordnet. Das Oxidationsabgas wird schließlich über das Rückdruckregelventil 16 und den Befeuchter 15 als Abgas in die Atmosphäre außerhalb des Systems abgeleitet.
  • Das Rohrleitungssystem 4 für ein Brenngas besitzt eine Wasserstoffversorgungsquelle 21; einen Versorgungspfad 22, über den das von der Wasserstoffversorgungsquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Wasserstoffgas strömt; einen Kreislaufpfad 23, der ein von der Brennstoffzelle 2 austretendes Wasserstoffabgas (das Brennstoffabgas) zu einem Verbindungsteil A des Versorgungspfads 22 zurückführt; eine Pumpe 24, die das Wasserstoffabgas unter Druck im Kreislaufpfad 23 zum Versorgungspfad 22 fördert; und einen vom Kreislaufpfad 23 abzweigenden und mit diesem verbundenen Ablaßpfad 25. Das aus der Wasserstoffversorgungsquelle 21 durch Öffnung des Abgabeventils 26 in den Versorgungspfad 22 ausgegebene Wasserstoffgas wird der Brennstoffzelle 2 über ein Druckregelventil 27 sowie ein weiteres Druckregelventil und Absperrventil 28 zugeführt. Der Ablaßpfad 25 ist mit einem Ablaßventil 33 zum Ableiten des Wasserstoffabgases zu einem (nicht gezeigten) Wasserstoffverdünner versehen.
  • Ein Rohrleitungssystem 5 für ein Kühlmittel (ein Kühlmechanismus) besitzt einen Kühlmittelkanal 41, der mit einem Kühlkanal 2c in der Brennstoffzelle 2 in Verbindung steht; eine im Kühlmittelkanal 41 vorgesehene Kühlpumpe 42; einen Kühler 43 zur Kühlung des aus der Brennstoffzelle 2 austretenden Kühlmittels; einen den Kühler 43 umgehenden Bypasskanal 44; und ein Umschaltventil 45, das das Durchströmen des Kühlwassers durch den Kühler 43 und den Bypasskanal 44 einstellt. Der Kühlmittelkanal 41 besitzt einen in der Nähe des Kühlmitteleinlasses der Brennstoffzelle 2 angeordneten Temperaturfühler 46 und einen in der Nähe eines Kühlmittelauslasses der Brennstoffzelle 2 vorgesehenen Temperaturfühler 47. Die vom Temperaturfühler 47 ermittelte Kühlmitteltemperatur (die betroffene Temperatur der Brennstoffzelle) stellt die Innentemperatur der Brennstoffzelle 2 dar (nachfolgend als Innentemperatur der Brennstoffzelle bezeichnet). Es ist anzumerken, daß der Temperaturfühler 47 eine Baukomponententemperatur um die Brennstoffzelle feststellen kann (die betroffene Temperatur der Brennstoffzelle) oder die Außenlufttemperatur um die Brennstoffzelle (die betroffene Temperatur der Brennstoffzelle) anstatt (oder zusätzlich zu) der Kühlmitteltemperatur. Überdies wird die Kühlpumpe 42 der Brennstoffzelle durch einen Motor angetrieben, um das Kühlmittel in Umlauf zu versetzen und es über den Kühlmittelkanal 41 der Brennstoffzelle 2 zuzuführen.
  • Das Leistungssystem 6 schließt einen Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61 (kurz: HDD) ein, einen Antriebsumrichter (Inverter) 63, einen Fahrmotor 64 und verschiedene Wandler (Inverter) 65, 66 und 67 für Hilfsvorrichtungen. Der Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (Inverter) 61 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler und besitzt die Funktion zur Regelung eines Gleichspannungseingangs von einer Batterie 62, um die Spannung in Richtung auf den Antriebsumrichter 63 auszugeben, und eine Funktion zur Regelung eines Gleichspannungseingangs von der Brennstoffzelle 2 oder dem Fahrmotor 64, um die Spannung an die Batterie 62 auszugeben. Das Laden/Entladend der Batterie 62 wird durch diese Funktionen des Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 61 realisiert. Überdies wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 durch den Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61 gesteuert.
  • Die Batterie (der Akkumulator) 62 ist ein ladbarer/entladbarer Sammler bzw. Sekundärakku, und ist beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder dergleichen. Alternativ sind verschiedene Arten von Sammlern anwendbar. Überdies kann anstelle der Batterie 62 ein ladbarer/entladbarer Akkumulator anders als der Sammler, beispielsweise ein Kondensator, eingesetzt werden.
  • Der Antriebsumrichter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom in den Fahrmotor 64 einzuspeisen. Der Fahrmotor 64 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor. Der Fahrmotor 64 ist beispielsweise die Hauptleistungsquelle des Fahrzeugs 100, in das das Brennstoffzellensystem 1 eingebaut ist, und ist mit Rädern 101L, 101R des Fahrzeugs 100 verbunden. Die Wandler 65, 66 und 67 für die Hilfsvorrichtungen steuern jeweils den Betrieb der Motoren für den Kompressor 14, die Pumpe 24 und die Kühlpumpe 42.
  • Die Steuervorrichtung 7 ist ein Mikrocomputer, der eine CPU, ein ROM und ein RAM einschließt. Die CPU führt die gewünschte Berechnung gemäß einem Steuerprogramm durch und führt verschiedene Arten von Verfahrensweisen und Steuerungen durch, wie etwa die Steuerung einer normalen Aktion und die Steuerung einer Aufheizaktion. Das ROM speichert ein Steuerprogramm und Steuerungsdaten für die Verarbeitung durch die CPU. Das RAM wird hauptsächlich benutzt für verschiedene Aktionsbereiche der Steuerungsverfahren.
  • Ein Zeitglied 70, ein Spannungsfühler 72 und ein Stromfühler 73 sind mit der Steuervorrichtung 7 verbunden. Das Zeitglied 70 mißt die verschiedenen Zeittypen, die für die Steuerung der Brennstoffzellensystems 1 erforderlich sind. Der Spannungsfühler 72 ermittelt die Ausgangsspannung (die Brennstoffzellenspannung) der Brennstoffzelle 2. Insbesondere ermittelt der Spannungssensor 72 die von jeder einer großen Zahl von Zelleneinheiten der Brennstoffzelle 2 erzeugte Spannung (nachfolgend als „Zellenspannung” bezeichnet). Demgemäß wird der Zustand jeder Zelleneinheit abgegriffen. Der Stromfühler 73 ermittelt den Ausgangsstrom (den Brennstoffzellenstrom) der Brennstoffzelle 2.
  • In die Steuervorrichtung 7 werden die Ermittlungssignale von den verschiedenen Fühlern eingegeben, wie dem Druckfühler P1, den Temperaturfühlern 46, 47 und einem Fühler für den Öffnungsgrad eines Fahrpedals des Fahrzeugs 100, und sie gibt Steuersignale an Bauelemente aus, (den Kompressor 14, das Rückdruckregelventil 16, usw.).
  • Überdies führt die Steuervorrichtung 7 zu einem gegebenen Zeitpunkt oder dergleichen die Diagnose des Wasserzustands der Brennstoffzelle 2 durch und steuert das Wasser der Brennstoffzelle 2 auf der Basis des Diagnoseergebnisses. Einzelheiten werden später beschrieben, aber die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß, falls beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle 2 in trockenem Zustand befindet und beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle 2 im unteren Temperaturbereich befindet, die Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad durchgeführt wird. um sowohl die geeignete Temperatursteuerung als auch die geeignete Wassersteuerung der Brennstoffzelle 2 durchzuführen.
  • Somit kann bei der vorliegenden Ausführungsform eine einzige Verfahrensweise zur Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad die Optimierung des Wasserzustands und die Optimierung der Brennstoffzellentemperatur in der Brennstoffzelle 2 realisieren. Deshalb kann im Vergleich mit einer konventionellen Technologie, bei der ein umständliches Verfahren zur Absenkung der Brennstoffzellentemperatur → Aufheizverfahren erforderlich ist, das Verfahren beschleunigt werden. Nachfolgend wird der Unterschied zwischen der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad und der üblichen Leistungserzeugung beschrieben.
  • <Unterschied zwischen der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad und der üblichen Leistungserzeugung>
  • Die 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom (der Brennstoffzellenstrom) und der Ausgangsspannung (die Brennstoffzellenspannung) zeigt. Eine durchgehende Linie zeigt den Fall, in welchem eine übliche Leistungserzeugung ausgeführt wird, und eine unterbrochene Linie zeigt den Fall, in dem eine Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad ausgeführt wird. Es ist anzumerken, daß die Abszisse den Brennstoffzellenstrom und die Ordinate die Brennstoffzellenspannung anzeigt.
  • Dabei ist die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad eine Leistungserzeugung, bei der die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Reaktansgases (bei dieser Ausführungsform das Oxidationsgas) gering ist und im Vergleich mit der üblichen Leistungserzeugung der Leistungsverlust groß ist und die Brennstoffzelle 2 in einem Zustand betrieben wird, in dem das stöchiometrische Luftverhältnis auf beispielsweise die Nähe von 1,0 (ein theoretischer Wert) beschränkt ist (siehe in 2 den Teil mit der unterbrochenen Linie). Wenn der Leistungsverlust auf einen so großen Wert gesetzt wird, kann die Brennstoffzelle 2 sofort aufgeheizt werden. Andererseits wird während der üblichen Leistungserzeugung zur Unterdrückung des Leistungsverlusts und zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads der Leistungserzeugung die Brennstoffzelle 2 betrieben, während das stöchiometrische Luftverhältnis auf beispielsweise 2,0 oder mehr (ein theoretischer Wert) eingestellt ist (siehe den Teil der 2 mit durchgehender Linie).
  • Die 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Brennstoffzellenstrom und der Wasserbilanz der Kathode während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad und der üblichen Leistungserzeugung darstellt. Eine unterbrochene Linie zeigt den Betriebspunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad und eine durchgehende Linie den Betriebspunkt der üblichen Leistungserzeugung. Es ist anzumerken, daß sowohl bei dem Betriebspunkt während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, wie auch beim Betriebspunkt während der üblichen Leistungserzeugung, wie sie in 3 gezeigt sind, der Fall angenommen ist, daß die Brennstoffzellentemperatur gleich ist (z. B. 70°C).
  • Wie oben beschrieben, ist das stöchiometrische Luftverhältnis während der üblichen Leistungserzeugung 2,0 oder mehr, während das stöchiometrische Luftverhältnis während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad bei etwa 1,0 liegt. Deshalb nimmt die im Oxidationsabgas eingeschlossene und nach außerhalb des Systems abgeführte Wassermenge ab. Ein in 3 gezeigtes Beispiel wird nun beschrieben. Wenn die Brennstoffzellentemperatur gleich ist und der Brennstoffzellenstrom gleich ist, wird die Kathodenwasserbilanz während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad größer als jene während der üblichen Leistungserzeugung (siehe Betriebspunkte α1, α2). Wie in 3 gezeigt, bewegt sich die Kathodenwasserbilanz von der trockenen Seite zur feuchten Seite, wenn sich der Betriebspunkt α1 (der üblichen Leistungserzeugung) zum Betriebspunkt α2 (der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad) verschiebt.
  • Wie aus Obigem offensichtlich ist, kann eine sofortige Aufheizung der Brennstoffzelle 2 realisiert werden, wenn die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt wird, und die Kathodenwasserbilanz der Brennstoffzelle 2 kann in einen positiven (feuchten) Zustand gebracht werden. Deshalb kann die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur schnellen und optimalen Steuerung des Wasserzustands der Brennstoffzelle 2 und der Temperatur der Brennstoffelle 2 durchgeführt werden, selbst wenn beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle 2 sich im trockenen Zustand und in einem niedrigen Temperaturbereich befindet. Nachfolgend wird das Verfahren zur Wassersteuerung der Brennstoffzelle 2 beschrieben.
  • Die 4 ist ein Ablaufdiagramm, das die von der Steuervorrichtung 7 durchgeführte Verfahrensweise zur Wassersteuerung der Brennstoffzelle 2 darstellt.
  • Zunächst wird beim Schritt S110 von der Steuervorrichtung 7 ermittelt, ob ein Zeitpunkt (nachfolgend als Diagnosezeitpunkt bezeichnet) zur Diagnose des Wasserzustands der Brennstoffzelle 2 erreicht ist oder nicht. Es ist anzumerken, daß beim folgenden Beispiel ein Zeitpunkt des Systemstarts als Diagnosezeitpunkt angenommen wird, aber entsprechend der Systemgestaltung oder dergleichen der Zeitpunkt während einer Aktion des Systems, ein Systemstopp, eine intermittierende Aktion, oder dergleichen, beliebig eingestellt oder verändert werden kann.
  • In einem Falle, in welchem beurteilt wird, daß der Diagnosezeitpunkt nicht erreicht ist (Schritt S110: NEIN), beendet die Steuervorrichtung 7 das Verfahren, ohne die folgenden Schritte durchzuführen. Andererseits stellt in einem Falle, in welchem die Steuervorrichtung 7 feststellt, daß der Startbefehl für das System, beispielsweise durch die EIN-Betätigung eines Zündschalters durch einen Führer des Fahrzeugs 100 oder dergleichen, eingegeben wurde, die Steuervorrichtung fest, daß der Diagnosezeitpunkt erreicht ist (Schritt S110: JA), wodurch zum Schritt S120 fortgeschritten wird.
  • Wenn die Steuervorrichtung (erstes Beurteilungsmittel) 7 zum Schritt S120 fortschreitet, mißt die Steuervorrichtung 7 die Impedanz der Brennstoffzelle 2, diagnostiziert den Wasserzustand der Brennstoffzelle 2 auf der Basis des Meßergebnisses und beurteilt, ob sich die Brennstoffzelle 2 in einem trockenen Zustand befindet oder nicht. Dies wird nun im Detail beschrieben. Zunächst fragt die Steuervorrichtung (Impedanzmeßmittel) 7 die vom Spannungsfühler 72 festgestellte Brennstoffzellenspannung und den von Stromfühler 73 festgestellten Brennstoffzellenstrom mit einer vorgegebenen Abfragefrequenz ab und führt ein Verfahren zur Fourier-Transformation (FET-Berechnungsverfahren oder DFT-Berechnungsverfahren) oder dergleichen durch. Überdies mißt die Steuervorrichtung (das Impedanzmeßmittel) 7 die Impedanz der der Brennstoffzelle 2 durch Division des der Fourier-Transformation unterzogenen Signals zur Brennstoffzellenspannung durch ein der Fourier-Transformation unterzogenes Signal zum Brennstoffzellenstrom oder dergleichen.
  • Dann liest die Steuervorrichtung 7 eine in einem Speicher 92 für die Bezugsimpedanz gespeicherte Bezugsimpedanz IPth und vergleicht die gelesene Bezugsimpedanz IPth mit einer gemessenen Impedanz (nachfolgend als die gemessene Impedanz bezeichnet).
  • Dabei ist die Bezugsimpedanz IPth ein Bezugswert zur Beurteilung, ob die Brennstoffzelle 2 sich im trockenen Zustand befindet oder nicht, und wird vorab durch einen Versuch oder dergleichen erhalten. Insbesondere wird die Impedanz zur Beurteilung, ob sich die Brennstoffzelle 2 im trockenen Zustand befindet oder nicht, durch einen Versuch oder dergleichen erhalten, in eine Tafel eingetragen und im Speicher 92 für die Bezugsimpedanz gespeichert.
  • Falls die gemessene Impedanz unter der Bezugsimpedanz IPth liegt und die Steuervorrichtung 7 urteilt, daß die Brennstoffzelle 2 nicht trocken ist (in anderen Worten sich die Brennstoffzelle im feuchten Zustand befindet), beendet die Steuervorrichtung das Verfahren ohne die folgenden Schritte auszuführen. Andererseits schreitet das Verfahren zum Schritt S130 fort, falls die gemessene Impedanz gleich der Bezugsimpedanz IPth oder größer ist und die Steuervorrichtung (zweites Beurteilungsmittel) 7 urteilt, daß die Brennstoffzelle 2 sich im trockenen Zustand befindet, um zu beurteilen, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht.
  • Dieser Schritt wird im Detail beschrieben. Die Steuervorrichtung 7 vergleicht die vom Temperaturfühler 47 festgestellte Brennstoffzellentemperatur (nachfolgend als die ermittelte Brennstoffzellentemperatur bezeichnet) mit einer Bezugstemperatur der Brennstoffzelle, die in einem Speicher 91 für diese Bezugstemperatur gespeichert ist, und urteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht. Dabei ist einen Bezugstemperatur Tth der Brennstoffzelle ein Bezugswert (z. B. 70°C) für die Beurteilung, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 2 gestattet werden soll oder nicht, und wird vorab durch einen Versuch oder dergleichen erhalten. Insbesondere wird die Brennstoffzellentemperatur für die Beurteilung, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht, durch einen Versuch oder dergleichen erhalten, in eine Tafel eingetragen und im Speicher 91 für die Bezugstemperatur der Brennstoffzelle gespeichert.
  • Falls die festgestellte Brennstoffzellentemperatur die Bezugstemperatur Tth der Brennstoffzelle überschreitet und die Steuervorrichtung 7 urteilt, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad nicht gestattet wird (mit anderen Worten verhindert wird), schreitet die Steuervorrichtung zum Schritt S150 fort, um das Verfahren zur Absenkung der Brennstoffzellentemperatur durchzuführen, wodurch das Verfahren beendet wird. Insbesondere steuert die Steuervorrichtung den Betrieb eines Kühlmechanismus, wie der Kühlpumpe 42 oder des Kühlers 43, um das Verfahren zur Absenkung der Brennstoffzellentemperatur auf eine an der Steuervorrichtung 7 oder dergleichen eingestellte zulässige Temperatur durchzuführen, um das Wasser der Brennstoffzelle 2 in einen optimalen Zustand zu bringen und dadurch das Verfahren zu beenden.
  • Andererseits schreitet die Steuervorrichtung 7 zum Schritt S140 fort und beendet dadurch das Verfahren, falls die ermittelte Brennstoffzellentemperatur gleich der Vergleichstemperatur Tth der Brennstoffzelle oder geringer ist und die Steuervorrichtung (Steuermittel für die Leistungserzeugung) 7 urteilt, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird. wie oben unter Bezugname auf 3 beschrieben wurde, kann die sofortige Aufheizung der Brennstoffzelle 2 realisiert werden, wenn die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, und die Wasserbilanz der Kathode der Brennstoffzelle 2 kann in den positiven (feuchten) Zustand verbracht werden. Folglich kann die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt werden, um eine schnelle und optimale Steuerung des Wasserzustands der Brennstoffzelle 2 und der Temperatur der Brennstoffzelle 2 durchzuführen, selbst falls geurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle 2 in einem trockenen Zustand befindet (beim Schritt S120: JA) und daß die Brennstoffzelle 2 sich im niedrigen Temperaturbereich befindet (beim Schritt S130: JA).
  • Wie oben beschrieben, kann die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zur schnellen und optimalen Steuerung des Wasserzustands und der Temperatur der Brennstoffzelle 2 durchgeführt werden, selbst falls geurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle 2 in einem trockenem Zustand und im unteren Temperaturbereich befindet.
  • B. Zweite Ausführungsform
  • Bei der obigen ersten Ausführungsform wird nur auf der Basis einer ermittelten Brennstoffzellentemperatur beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird oder nicht, aber zusätzlich kann basierend auf dem Ladezustand der Batterie (ein Akkumulator) 62 beurteilt werden, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird oder nicht. Die 5 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Es ist anzumerken, daß jenen der 1 gleichende Teile mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind, und deren detaillierte Beschreibung entfällt.
  • Ein Ladezustandsfühler (Feststellungsmittel) 74 ermittelt den Wert des Ladezustands der Batterie 62 (Ladezustand der Batterie 62) und informiert die Steuervorrichtung 7 über den Wert als Wert des ermittelten Ladezustands.
  • Ein Speicher 93 für einen Bezugsladezustand speichert einen Bezugswert des Ladezustands (z. B. 75%) für die Beurteilung, ob eine Brennstoffzelle 2 die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet oder nicht. Ein Bezugswert des Ladezustands Sth wird durch einen Versuch oder dergleichen vorab erhalten. Insbesondere wird der Bezugswert Sth des Ladezustands für die Beurteilung, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird oder nicht, durch einen Versuch oder dergleichen erhalten, in eine Tafel eingetragen und im Speicher 93 für den Bezugsladezustand gespeichert.
  • Die Steuervorrichtung (zweites Beurteilungsmittel) 7 urteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird oder nicht, auf der Basis einer Brennstoffzellentemperatur und eines Werts des Ladezustands. Dies wird nun im Detail beschrieben. Wenn die festgestellte Brennstoffzellentemperatur gleich dem Bezugswert der Brennstoffzellentemperatur ist oder geringer und der festgestellte Wert des Ladezustands gleich dem Bezugswert Sth des Ladezustands ist oder geringer, urteilt die Steuervorrichtung 7, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist. Andernfalls urteilt die Steuervorrichtung, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad verhindert werden sollte. Somit wird nicht nur auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur, sondern auch des Ladezustands der Batterie 62 beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht, wodurch vorab eine Überladung der Batterie 62 von der Brennstoffzelle 2 aus durch die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad verhindert werden kann.
  • Es ist anzumerken, daß beim obigen Beispiel der Ladungszustand der Batterie 62 durch den Wert des Ladungszustands festgestellt wird, daß aber der Ladungszustand der Batterie 62 anstelle von (zusätzlich zu) diesem Wert auf der Basis der Ladeleistung der Batterie 62 ermittelt werden kann. Insbesondere ist ein Fühler 74' zur Ermittlung der Batterieladeleistung anstelle des Ladezustandsfühlers 74 vorgesehen, und ein Speicher 93' für eine zulässige Bezugsladeleistung für die Batterie ist anstelle des Speichers 93 für einen Bezugsladezustand vorgesehen.
  • Der Fühler 74' zur Ermittlung der Batterieladeleistung (Feststellungsmittel) ermittelt die Ladeleistung der Batterie 62 (den Ladezustand der Batterie 62) und informiert die Steuervorrichtung 7 über die ermittelte Leistung als einer festgestellten Ladeleistung.
  • Der Speicher 93' für eine zulässige Bezugsladeleistung für die Batterie speichert eine zulässige Bezugsladeleistung für die Batterie (z. B. 2,5 kW) zur Beurteilung, ob die Brennstoffzelle 2 die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet. Eine zulässige Bezugsladeleistung Wth für die Batterie wird vorab durch einen Versuch oder dergleichen ermittelt. Insbesondere wird die zulässige Bezugsladeleistung Wth für die Batterie für die Beurteilung, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zugelassen werden soll oder nicht, durch den Versuch oder dergleichen erhalten, in eine Tafel eingetragen und im Speicher 93' für die zulässige Bezugsladeleistung für die Batterie gespeichert.
  • Die Steuervorrichtung (das zweite Beurteilungsmittel) 7 urteilt, ob auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur und der ermittelten Ladeleistung die Leistungser zeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet wird oder nicht. Dies wird nun im Detail beschrieben. Wenn die ermittelte Brennstoffzellentemperatur gleich der Bezugsbrennstoffzellentemperatur Tth ist oder geringer und die ermittelte Ladeleistung gleich der zulässigen Bezugsladeleistung Wth für die Batterie oder geringer ist, urteilt die Steuervorrichtung 7, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist. Andernfalls urteilt die Steuervorrichtung, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad verhindert werden sollte. Selbst gemäß einer solchen Ausgestaltung kann eine Überladung der Batterie 62 aus der Brennstoffzelle 2 durch die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad vorab verhindert werden. Es ist anzumerken, daß bei den Ausführungsformen als das Reaktansgas, dessen Versorgungsmenge während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad reduziert wird, ein Oxidationsgas dargestellt ist, das der Kathode zugeführt wird, doch ist es unnötig zu sagen, daß die Menge des der Anode zugeführten Brenngases oder die Mengen beider Reaktansgase reduziert werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems nach einer ersten Ausführungsform;
  • 2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Brennstoffzellenstrom und einer Brennstoffzellenspannung gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 3 ist ein Diagramm das eine Beziehung zwischen einem Brennstoffzellenstrom und einer Kathodenwasserbilanz gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Wassersteuerung gemäß der Ausführungsform; und
  • 5 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Beschreibung der Bezugszahlen
    • 1, 1' ... Brennstoffzellensystem, 2 ... Brennstoffzelle, 7 ... Steuervorrichtung, 42 ... Kühlpumpe, 43 ... Kühler, 47 ... Temperaturfühler, 70 ... Zeitglied, 72 ... Spannungsfühler, 73 ... Stromfühler, 74 ... Ladezustandsfühler, 74' ... Fühler zur Ermittlung der Batterieladeleistung, 91 ... Speicher für die Brennstoffzellenbezugstemperatur, 92 ... Speicher für die Bezugsimpedanz, 93 ... Speicher für einen Bezugsladezustand und 93' ... Speicher für eine zulässige Bezugsladeleistung für die Batterie.
  • Zusammenfassung
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
  • Um schnell und optimal den Wasserzustand und die Temperatur einer Brennstoffzelle zu steuern, selbst wenn sich die Brennstoffzelle in einem niedrigen Temperaturbereich und in einem trockenen Zustand befindet: Wird festgestellt, daß sich die Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet (JA beim Schritt S1209 und festgestellt wird, daß sich die Brennstoffzelle in einem niedrigen Temperaturbereich befindet (JA beim Schritt S130), führt eine Steuervorrichtung eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durch (Schritt S140). Die Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad ermöglicht es, die Brennstoffzelle schnell aufzuheizen und die Kathodenwasserbilanz der Brennstoffzelle (2) in einen positiven (feuchten) Zustand zu bringen, so daß der Wasserzustand und die Temperatur der Brennstoffzelle schnell und optimal gesteuert werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-32587 [0003]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem umfassend: ein erstes Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob sich eine Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet oder nicht; ein zweites Beurteilungsmittel zur Beurteilung, ob, falls beurteilt wird, daß sich die Brennstoffzelle im trockenen Zustand befindet, die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet werden soll oder nicht, bei welcher die der Brennstoffzelle zuzuführende Reaktansgasmenge im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung gering ist und bei der ein Leistungsverlust im Vergleich zur üblichen Leistungserzeugung groß ist; und ein der Leistungserzeugung zugeordnetes Steuermittel zur Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad in einem Falle, in welchem beurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Kühlmechanismus, der die Brennstoffzelle in einem Falle kühlt, in welchem beurteilt wird, daß die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad nicht gestattet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem das erste Beurteilungsmittel weiter ein Mittel zur Impedanzmessung umfaßt zur Messung der Impedanz der Brennstoffzelle, und basierend auf dem Ergebnis der Impedanzmessung beurteilt, ob die Brennstoffzelle sich im trockenen Zustand befindet oder nicht.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei welchem das zweite Beurteilungsmittel weiter ein zugeordnetes Mittel zur Messung einer der Brennstoffzelle zugeordneten Temperatur umfaßt und basierend auf dem Meßergebnis der zugeordneten Temperatur beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestattet ist oder nicht.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, das weiter einen Akkumulator umfaßt, der eine Leistung lädt oder entlädt, und bei welchem das zweite Beurteilungsmittel weiter ein Feststellungsmittel zur Ermittlung des Ladezustands des Akkumulators umfaßt und basierend auf dem Meßergebnis der betroffenen Temperatur und des Ermittlungsergebnisses des Ladezustands beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu gestatten ist oder nicht.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei welchem das Feststellungsmittel den Wert des Ladezustands oder eine Ladeleistung des Akkumulators feststellt und das zweite Beurteilungsmittel basierend auf dem Meßergebnis der betroffenen Temperatur und dem Ermittlungsergebnis des Wertes des Ladezustands oder der Ladeleistung des Akkumulators beurteilt, ob die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad zu gestatten ist oder nicht.
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