DE112008002750B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das einen Isolationswiderstand auch während einer Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung exakt erfassen kann. Das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle 40, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; eine Isolationswiderstands-Meßeinheit 90, die einen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle 40 und einem äußeren Leiter misst; sowie eine Steuereinheit 10, die einen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 40 steuert, wobei die Steuereinheit 10 eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung ausführt, die verhindert, dass eine Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich oder größer wird als ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung, der niedriger ist als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40, und den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung während einer Erfassung des Isolationswiderstandes durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 ändert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere eine Technik zum Messen eines Isolationswiderstandes einer Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren haben Brennstoffzellensysteme, die als Energiequelle eine Brennstoffzelle verwenden, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion eines Brenngases und eines Oxidationsgases elektrische Leistung erzeugt, an Aufmerksamkeit gewonnen. In derartigen Brennstoffzellen wird, während ein Hochdruck-Brenngas aus einem Brenngastank der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, Luft, die als Oxidationsgas dient, einer Kathode der Brennstoffzelle unter Druck zugeführt, wodurch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas verursacht wird, wodurch eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.
  • Derartige Brennstoffzellensysteme beinhalten ein Brennstoffzellensystem, das, zur Vermeidung eines Fortschreitens der Abnutzung der Brennstoffzelle, eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung gemäß einer vorgegebenen Bedingung durchführt, um zu vermeiden, dass eine Spannung der Brennstoffzelle gleich oder größer wird als ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung (siehe beispielsweise Patent Dokument 1).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösendes Problem
  • Bei einem wassergekühlten Brennstoffzellensystem, bei dem eine Brennstoffzelle mit einem zirkulierenden Kühlmittel gekühlt wird, nimmt die Leitfähigkeit des Kühlmittels aufgrund von Ionen, die sich im Kühlmittel lösen, über die Zeit zu, und wenn die Leitfähigkeit des Kühlmittels hoch wird, fließt ein Strom, der in der Brennstoffzelle erzeugt wird, durch das Kühlmittel, wodurch es unmöglich werden kann, die erzeugte Leistung effektiv zu entnehmen. Ferner erzeugtder durch das Kühlmittel fließende Strom Blasen im Kühlmittelflußpfad, und die erzeugten Blasen unterbrechen den Wärmeübergang von der Zelle auf das Kühlmittel, was zu einer unzureichenden Kühlung der Brennstoffzelle führen kann.
  • Im Lichte derartiger Umstände wurde, zur Vermeidung des Auftretens zahlreicher Fehlfunktionen, die durch einen Anstieg der Leitfähigkeit des Kühlmittels erzeugt werden, der Anstieg der Leitfähigkeit des Kühlmittels als Isolationswiderstand der Brennstoffzelle erfasst, und ein Austausch eines Ionenentfernungsfilters zur Entfernung der Ionen aus dem Kühlmittel, des Kühlmittels, etc. wurde, wenn nötig, durchgeführt.
  • Jedoch ist, während der vorstehend beschriebenen Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, die vermeidet dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle größer oder gleich einem Spannungsgrenzwert (Hochspannung) zur Vermeidung der Hochspannung wird, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nicht stabil und es kam daher vor, dass ein Isolationswiderstand nicht exakt erfasst werden konnte, wenn versucht wurde, den Isolationswiderstand während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung zu erfassen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem ein Isolationswiderstand auch während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung exakt erfasst werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche 1 und 3.
  • Mittel zur Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung stellt hierbei ein Brennstoffzellensystem bereit, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; eine Isolationswiderstands-Meßeinheit, die einen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle und einem äußeren Leiter misst; und eine Steuereinheit, die einen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle steuert, wobei die Steuereinheit eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung ausführt, die verhindert, dass eine Spannung der Brennstoffzelle gleich oder größer wird als ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung, der niedriger ist als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle, und den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung während einer Erfassung des Isolationswiderstandes durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit ändert.
  • Bei einer derartigen Konfiguration wird der Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung geändert, wodurch die Beziehung zwischen der Zeit, bei der eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung ausgeführt wird, und der Zeit, bei welcher der Isolationswiderstand gemessen wird, angepasst wird. Dies ermöglicht, dass der Isolationswiderstand exakt erfasst wird.
  • In diesem Fall kann die Steuereinheit einen Oxidationsgas-Blasbetrieb zum Erhalt der Spannung der Brennstoffzelle (nachfolgend als „Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb“ bezeichnet) ausführen, bei dem ein Oxidationsgas der Brennstoffzelle zugeführt wird, wenn die Spannung der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Untergrenzen-Spannungsgrenzwert abnimmt, der niedriger ist als der Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, und sie kann den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung derart abändern, dass ein Intervall zwischen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben größer ist als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit während der Erfassung des Isolationswiderstandes.
  • Die Steuereinheit kann zudem den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung in dem Intervall zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben unter Berücksichtigung einer Undichtigkeit in der Brennstoffzelle ändern.
  • Effekt der Erfindung
  • Mit dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann ein Isolationswiderstand auch während der Ausführung einer Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung exakt erfasst werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Systemkonfigurations-Schaubild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 2 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erklärung einer Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung während eines normalen Leistungserzeugungsmodus des Brennstoffzellensystems;
    • 3 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erklärung einer Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung während eines Ausgabe-Stopp-Modus des Brennstoffzellensystems;
    • 4 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erklärung der Zeit, bei der während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung eine Isolationswiderstands-Erfassung in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird;
    • 5 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erklärung der Zeit, bei der während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung eine Isolationswiderstands-Erfassung in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird;
  • Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt eine Darstellung einer primären Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Diese Ausführungsform geht davon aus, dass Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen, beispielsweise Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen (FCHV), Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen montiert sind; gleichwohl können Brennstoffzellensysteme jedoch nicht nur in Fahrzeugen verwendet werden sondern in einer Vielzahl von mobilen Objekten (z.B. Zweiräder, Schiffe, Flugzeuge und Roboter). Darüber hinaus können nicht nur an mobilen Objekten verbaute Brennstoffzellensysteme zur Anwendung kommen sondern auch stationäre Brennstoffzellensysteme und tragbare Brennstoffzellensysteme.
  • Das vorstehend angeführte Fahrzeug fährt vermittels eines Fahr- bzw. Traktionsmotors 61, der als Antriebskraftquelle dient, die mit Rädern 63L und 63R über ein Reduktions- bzw. Untersetzungsgetriebe 12 verbunden ist. Eine Stromquelle des Traktionsmotors 61 ist das Leistungsversorgungssystem 1. Ein Gleichstromausgang des Leistungsversorgungssystems 1 wird von einem Inverter 60 in einen Drei-Phasen-Wechselstrom umgewandelt und dem Traktionsmotor 61 zugeführt. Der Traktionsmotor 61 kann dabei auch als Stromerzeuger während des Bremsens fungieren. Das Leistungsversorgungssystem 1 besteht aus einer Brennstoffzelle 40, eine Batterie (Leistungsspeichereinheit) 20, einem DC/DC-Wandler (Wandler) 30, etc.
  • Die Brennstoffzelle 40 ist eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas), wobei unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen, beispielsweise Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, verwendet werden können. Die Brennstoffzelle 40 enthält eine Polymer-Elektrolyt-Membran 41, die beispielsweise von einer Protonen-leitenden Ionen-Austauschmembran gebildet wird, die z.B. aus Fluor besteht, und ein Platinkatalysator (Elektrodenkatalysator) ist auf die Oberfläche der Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebracht.
  • Der auf die Polymer-Elektrolyt-Membran 41 aufgebrachte Katalysator ist nicht auf den Platin-Katalysator beschränkt, es kann auch ein Platin-Kobalt-Katalysator (nachfolgend einfach als Katalysator bezeichnet), etc., verwendet werden. Eine jede der Zellen, die die Brennstoffzelle 40 bilden, enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung 44, bei der eine Anode 42 und eine Kathode 43, beispielsweise durch Siebdruck, auf beiden Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran 41 ausgebildet werden. Die Brennstoffzelle weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine Mehrzahl von Zelleinheiten in Reihe gestapelt ist.
  • Eine Ausgangsspannung (nachfolgende als FC-Spannung bezeichnet) und ein Ausgangsstrom (nachfolgend als FC-Strom bezeichnet) der Brennstoffzelle 40 werden jeweils von einem Spannungssensor 92 und einem Stromsensor 93 erfasst. Während einer Brenngaselektrode (Anode) der Brennstoffzelle 40 ein Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, von einer Brenngaszufuhrquelle 70 zugeführt wird, wird einer Oxidationselektrode (Kathode) der Brennstoffzelle ein Oxidationsgas, beispielsweise Luft, von einer Oxidationsgaszufuhrquelle 80 zugeführt.
  • Die Brenngaszufuhrquelle 70 besteht aus einem Wasserstofftank, unterschiedlichen Ventilen, etc., und eine Menge des der Brennstoffzelle 40 zuzuführenden Brenngases wird durch Anpassen des Öffnungsgrades, AN/AUS-Zeiten, etc., gesteuert.
  • Die Oxidationsgaszufuhrquelle 80 besteht aus einem Luftkompressor, einem Motor zum Antreiben des Kompressors, einem Inverter, etc., und eine Menge des der Brennstoffzelle 40 zugeführten Oxidationsgases wird beispielsweise durch Anpassen der Drehzahl des Motors angepasst.
  • Die Batterie 20 ist eine aufladbare und entladbare Sekundärbatterie und besteht aus einer Nickel-Wasserstoff-Batterie, etc. Natürlich kann jeder auf- und entladbare Kondensator (z.B. ein Kondensator) anstelle der Sekundärbatterie 20 als Sekundärbatterie verwendet werden. Die Batterie 20 ist in einen Entladepfad der Brennstoffzelle 40 eingefügt und ist parallel mit der Brennstoffzelle verbunden. Die Batterie 20 und die Brennstoffzelle 40 sind parallel mit dem Inverter 60 für den Traktionsmotor verbunden, und ein DC/DC-Wandler 30 ist zwischen der Batterie 20 und dem Inverter 60 vorgesehen.
  • Der Inverter 60 ist ein Inverter vom Pulsweiten-Modulationstyp (PWM) und besteht beispielsweise aus einer Mehrzahl von Schaltelementen und transformiert gemäß einem Steuerbefehl, der von einer Steuervorrichtung 10 gegeben wird, eine Gleichstrom-Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 40 oder Batterie 20 in einen Drei-Phasen-Wechselstrom und speist den Drei-Phasen-Wechselstrom in den Traktionsmotor 61 ein. Der Traktionsmotor 61 ist ein Motor zum Antreiben der Räder 63L und 63R, wobei die Drehzahl des Motors durch den Inverter 60 gesteuert wird.
  • Der DC/DC-Wandler 30 ist ein Vollbrückenwandler der beispielsweise vier Leistungstransistoren und eine dedizierte Treiberschaltung (jeweils nicht dargestellt) enthält. Der DC/DC-Wandler 30 dient zum Erhöhen und Absenken der von der Batterie 20 eingegebenen DC-Spannung und dem anschleißenden Ausgeben der DC-Spannung an die Brennstoffzelle 40, zum Erhöhen und Absenken der von der Brennstoffzelle 40 eingegebenen DC-Spannung, etc., und dem anschließenden Ausgeben der DC-Spannung an die Batterie 20. Diese Funktionen des DC/DC-Wandlers 30 laden und entladen die Batterie 20.
  • Zwischen der Batterie 20 und dem DC/DC-Wandler 30 sind Hilfsgeräte 50, wie beispielsweise ein Fahrzeughilfsgerät und ein FC-Hilfsgerät, angeordnet. Die Batterie 20 dient als Stromquelle für diese Hilfsgeräte 50. Es sei angemerkt, dass das Fahrzeughilfsgerät unterschiedliche Typen von elektrischer Ausrüstung umfasst, die während des Betriebs des Fahrzeugs verwendet werden (z.B. eine Beleuchtungseinrichtung, eine Klimaanlage und eine Hydraulikpumpe), während das FC-Hilfsgerät unterschiedliche Typen von elektrischen Geräten umfasst, die für den Betrieb der Brennstoffzelle 40 verwendet werden (z.B. Pumpen zum Zuführen von Brenngas und Oxidationsgas).
  • Ferner ist eine Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 mit einer Leitung verbunden, die zur Brennstoffzelle 40 führt. Die Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 misst den Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle 40 und einer Fahrzeugkarosserie.
  • Der Betrieb der vorstehend genannten Bestandteile wird von der Steuervorrichtung (Steuereinheit) 10 gesteuert. Die Steuervorrichtung 10 ist als Mikrocomputer ausgebildet und enthält eine CPU, ROM und RAM.
  • Die Steuervorrichtung 10 steuert die Einheiten des Systems wie beispielsweise ein Druckregulierungsventil 71, das in einem Brenngaspfad bereitgestellt ist, ein Druckregulierungsventil 81, das in einem Oxidationsgaspfad bereitgestellt ist, die Brenngaszufuhrquelle 70, die Oxidationsgaszufuhrquelle 80, die Batterie 20, den DC/DC-Wandler 30 und den Inverter 60 gemäß empfangenen bzw. eingegebenen Sensorsignalen.
  • Die Steuervorrichtung 10 erhält bzw. empfängt unterschiedliche Sensorsignale, beispielsweise für einen Zufuhrdruck des Brenngases, der von einem Drucksensor 91 erfasst wird, eine FC-Spannung der Brennstoffzelle 40, die von einem Spannungssensor 92 erfasst wird, einen FC-Strom der Brennstoffzelle 40, der von einem Stromsensor 93 erfasst wird, einen SOC-Wert (Ladezustandswert), der den Ladezustand der Batterie 20 darstellt, der von einem SOC-Sensor 21 erfasst wird.
  • Bei dieser Ausführungsform wird, selbst wenn der Ladebetrag der Batterie 20 begrenzt ist, beispielsweise die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers 30 erhöht während der Energieverlust des DC/DC-Wandlers zunimmt, wodurch zuverlässig verhindert werden kann, dass die Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich oder größer wird als ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert zur Vermeidung von Hochspannung der unter der Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40 liegt.
  • Nachfolgend wird eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, die intermittierend von der Steuervorrichtung 10 ausgeführt wird, beschrieben.
  • Die Steuervorrichtung berechnet die von der Brennstoffzelle 40 benötigte elektrische Leistung. Die benötigte elektrische Leistung ist die elektrische Leistung, die beispielsweise zum Antreiben des Traktionsmotors 61 und der Hilfsgeräte 50 notwendig ist. Die Steuervorrichtung 10 berechnet dann eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 gemäß der benötigten elektrischen Leistung unter Verwendung eines nicht dargestellten Eigenschafts-Kennfelds das I-V-Eigenschaften und I-P-Eigenschaften zeigt. Dieses Eigenschafts-Kennfeld wird, beispielsweise experimentell, vorab erhalten und in einem internen Speicher 11 der Steuervorrichtung 10 gespeichert, beispielsweise zum Zeitpunkt des Versands nach der Herstellung. Es sei angemerkt dass die Werte des Eigenschafts-Kennfelds feste Werte oder auch sequentiell überschreibbare Werte sind.
  • Die Steuervorrichtung 10 bestimmt dann, ob eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 erzwungen gesenkt werden muss. Genauer gesagt vergleicht die Steuervorrichtung 10 die Ausgangsspannung mit einem Sollspannungsgrenzwert zur Vermeidung von Hochspannung (nachfolgend als Spannungsgrenzwert Vth bezeichnet), und bestimmt dann, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 erzwungen gesenkt werden muss, wenn die Ausgangsspannung den Spannungsgrenzwert Vth übersteigt. Andererseits bestimmt die Steuervorrichtung 10, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 nicht gesenkt werden muss, wenn die Ausgangsspannung gleich oder niedriger als der Spannungsgrenzwert Vth ist.
  • Der Spannungsgrenzwert Vth ist eine Spannung, die niedriger ist als die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40 und wird, beispielsweise experimentell, vorab erhalten und im internen Speicher 11 der Steuervorrichtung 10 zum Zeitpunkt des Versands nach der Herstellung gespeichert. Der Spannungsgrenzwert Vth kann ein fester Wert sein und kann genauso ein sequentiell überschreibbarer Wert sein, beispielsweise gemäß der umgebenden Umwelt (Außentemperatur, Brennstoffzellentemperatur, Feuchtigkeit, Betriebsmodus, etc.).
  • Wenn die Steuervorrichtung 10 bei der vorstehend erwähnten Überprüfung feststellt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 nicht erzwungen abgesenkt werden muss, beendet die Steuervorrichtung 10 den Vorgang, da eine Steuerung zur Vermeidung eines Hochspannungszustands in der Brennstoffzelle 40 nicht notwendig ist.
  • Wenn die Steuervorrichtung 10 jedoch andererseits bei der vorgenannten Überprüfung feststellt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 erzwungen gesenkt werden muss, führt die Steuervorrichtung 10 eine Steuerung durch, um zu erzwingen, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 auf einen Wert unter den Spannungsgrenzwert Vth abgesenkt wird. Der Wert, auf den die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt wird, wird dabei willkürlich festgelegt. Die Steuervorrichtung 10 prüft dann, ob von der Batterie 20 überschüssige Leistung aufgenommen werden kann oder nicht (d.h. ob überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann). Genauer gesagt prüft die Steuervorrichtung 10, beispielsweise durch Erhalten des SOC-Wertes, der vom SOC-Sensor 21 erfasst wird, und Überprüfen eines Restbetrages an Leistung in der Batterie 20, ob die überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann.
  • Wenn die Steuervorrichtung 10 bestimmt, dass die überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann, veranlasst die Steuervorrichtung 10, dass die Batterie 20 die überschüssige Leistung absorbiert (die überschüssige Leistung in der Batterie 20 speichert) und beendet dann den Vorgang. Wenn die Steuervorrichtung 10 andererseits feststellt, dass die überschüssige Leistung nicht von der Batterie 20 absorbiert werden kann, veranlasst die Steuervorrichtung 10, dass die überschüssige Leistung P beispielsweise durch Hochsetzen der Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers 30 zur Erhöhung des Energieverlusts des DC/DC-Wandlers 30 absorbiert wird, und der Vorgang endet dann.
  • 2 zeigt ein Zeitschaubild, das den Inhalt der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung bei einem normalen Leistungserzeugungsmodus darstellt. Nach einer Zeit tdl in 2 werden Reaktionsgase der Brennstoffzelle 40 zugeführt wodurch eine Befehlsspannung (eine gestrichelte Linie Xd1 in 2) auf den Spannungsgrenzwert Vth gesetzt wird, wodurch die Spannung (durchgezogene Linie Xd2 in 2) der Brennstoffzelle 40 im Wesentlichen auf dem Grenzwert Vth gehalten werden kann.
  • Daneben zeigt 3 ein Zeitschaubild, das den Inhalt der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung während eines Ausgabe-Stopp-Modus darstellt. Nach einer Zeit te1 in 3 ist die Zufuhr von Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle 40 in einem Stoppzustand. Daher kann, selbst wenn eine Befehlsspannung (eine gestrichelte Linie Xe1 in 3) zum DC/DC-Wandler 30 auf dem Spannungsgrenzwert Vth gehalten wird, die Spannung der Brennstoffzelle 40 (durchgezogenen Linie Xe2 in 3) nicht auf dem Spannungsgrenzwert Vth gehalten werden.
  • Daher führt, wie in 3 dargestellt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle 40 auf eine vorbestimmte Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung (Untergrenze-Spannungsgrenzwert) Vb unter dem Spannungsgrenzwert Vth (Zeitpunkte te2 und te3) abnimmt, die Steuervorrichtung einen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb zur Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 40 durch, wodurch die Spannung der Brennstoffzelle 40 erhöht wird, um auf den Spannungsgrenzwert Vth zurückzukehren.
  • Bei diesem Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb wird ein Luftkompressor mit minimaler Luftflussrate, eine Zirkulationspumpe für Brenngas mit minimaler Drehzahl, und eine Kühlmittelpumpe zum Zirkulieren von Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzelle 40 gemäß der von der Brennstoffzelle 40 erzeugten Leistung, angetrieben.
  • Die von der Brennstoffzelle 40 erzeugte Menge an Leistung nimmt zu, je niedriger der Spannungsgrenzwert Vth ist, was zu einem Anstieg der pro Zeiteinheit verbrauchten Gasmenge führt. Daher wird ein Ausführungsintervall t (z.B. die Zeit te2 bis zur Zeit te3 in 3) zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben kürzer.
  • Während das Auftreten großer Spannungsabweichungen in der Brennstoffzelle 40 zur Erfassung des Isolationswiderstands mit hoher Genauigkeit durch die Isolationswiderstand-Meßeinheit 90 unerwünscht ist, variiert die Spannung durch Ausführen des Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetriebs. Daher muss, um die Spannungsabweichung aufgrund des Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetriebs während der Erfassung des Isolationswiderstandes zu vermeiden, die Zahl der Ausführungen des Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb reduziert werden; in anderen Worten: das Ausführungsintervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben muss verlängert werden.
  • Um das Ausführungsintervall t zu verlängern ist es ausreichend, dass die Menge an verbrauchtem Oxidationsgas pro Zeiteinheit reduziert wird; in anderen Worten: die Menge der erzeugten Leistung wird durch erhöhen der Spannung der Brennstoffzelle 40 verringert. Bei dieser Ausführungsform wird, während die Erfassung des Isolationswiderstandes durch die Isolationswiderstand-Meßeinheit 90 durchgeführt werden kann, beispielsweise im Fall eines Ausgangs-Stopp-Modus, bei dem das Fahrzeug sich in einem Stoppzustand befindet, der Spannungsgrenzwert Vth derart geändert, dass das Intervall t zwischen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben länger bzw. größer ist als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit T während einer Steuerung zur Erfassung des Isolationswiderstandes.
  • Genauer gesagt wird, angenommen dass der Spannungsgrenzwert Vth in einem Fall, bei dem, wie in 4 gezeigt, keine Isolationswiderstandserfassung durchgeführt wird, ein Wert V1 ist, ein Intervall tv1 zwischen einer Zeit tf1 und einer Zeit tf2 für den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb kürzer als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit T, wodurch es sein kann, dass die Isolationswiderstandserfassung nicht mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. In einem derartigen Fall wird der Spannungsgrenzwert Vth durch Erhöhen des Wertes V1 um einen vorbestimmten Betrag auf einen Wert V2 erhöht, wie in 5 dargestellt.
  • Dementsprechend steigt, bei dem zu einem Zeitpunkt tfl' in 5 dargestellten Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb die Spannung auf den höheren Spannungsgrenzwert Vth. Als Ergebnis wird, wenn die Spannung auf die Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung abnimmt, was dazu führt das der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb durchgeführt wird, ein Intervall tv2 bis zu einer Zeit tf2' länger als das Intervall tv1 zwischen den Zeitpunkten tf1 und tf2 für angrenzende bzw. aufeinanderfolgende Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetriebe in dem Fall, bei dem keine Isolationswiderstandserfassung durchgeführt wird.
  • Demgemäß wird die Situation geschaffen, bei der das Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben größer ist als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit T.
  • An diesem Punkt ist das Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben bei zunehmender bzw. höherer Undichtigkeit der Brennstoffzelle 40 kürzer. Daher kann der Spannungsgrenzwert zur Verhinderung von Hochspannung unter Berücksichtigung einer Abweichung aufgrund von Undichtigkeiten in dem Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben verändert werden. Mit anderen Worten: falls das Ausmaß der Undichtigkeit groß ist, wird, verglichen mit dem Fall eines geringen Maßes an Undichtigkeit, zusätzlich eine Steuerung zur Veränderung einer starken Spannung zur Erhöhung des Spannungsgrenzwerts Vth ausgeführt.
  • Demgemäß kann, selbst wenn sich die Brennstoffzelle 40 abnutzt, was zu einer Verringerung des Intervalls t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben führt, diese Situation korrigiert werden.
  • Das Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben kann nicht nur durch Erhöhen des Spannungsgrenzwerts Vth erhöht bzw. verlängert werden, sondern auch durch Absenken der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung Vb. Dieser Fall kann die Frequenz der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetriebe verringern, was einer Kraftstoffeffizienz, etc., zu Gute kommt. Wenn jedoch die Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung Vb abgesenkt wird, kann ein in der Brennstoffzelle 40 enthaltener Platinkatalysator in einen Reduktionsbereich gelangen, was zu einer Verringerung der Oberfläche des Platinkatalysators führt.
  • Es ist daher von Vorteil, wenn das Absenken der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung auf das Maß des unerwünschten Reduktionsbereichs so weit möglich vermieden wird. Um ferner eine weiche Rückkehr vom Stoppzustand in einen normalen Betriebszustand zu erreichen, ist es von Vorteil, dass die Abnahme bzw. das Absenken der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung so weit wie möglich vermieden wird. Aus diesem Grund wird in dieser Ausführungsform der Spannungsgrenzwert Vth erhöht ohne die Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung Vb abzusenken.
  • Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung während des Ausgabe-Stopp-Modus ausgeführt wird, da die Zufuhr von Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle 40 gestoppt wurde, kann die Spannung der Brennstoffzelle 40 nicht auf dem Spannungsgrenzwert Vth gehalten werden, selbst wenn die Befehlsspannung des DC/DC-Wandlers 30 auf den Spannungsgrenzwert Vth gesetzt wird. Demgemäß nimmt die Spannung der Brennstoffzelle 40 auf die vorbestimmte Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasspannung Vb ab und der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb zur Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 40 wird ausgeführt.
  • Während des Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetriebs wird, wenn die Isolationswiderstandsmessung durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 ausgeführt wird, ein Fehler im Messwert verursacht. Jedoch wird, bei der vorstehend diskutierten Konfiguration, der Spannungsgrenzwert Vth während der Isolationswiderstandsmessung durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 erhöht, wodurch das Intervall t zwischen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben verlängert wird (z.B. 50 Sekunden). Demgemäß kann vermieden werden, dass der Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb während der Isolationswiderstandsmessung ausgeführt wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 100 der vorstehend diskutierten Ausführungsform ändert die Steuervorrichtung 10 den Spannungsgrenzwert Vth wenn die Isolationswiderstandserfassung durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit 90 während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, die verhindert, dass die Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich oder größer wird als der vorbestimmte Spannungsgrenzwert Vth, ausgeführt wird. Mit anderen Worten: der Spannungsgrenzwert Vth wird derart verändert, dass das Intervall t zwischen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung länger ist als die Isolationswiderstand-Erfassungszeit T während der Steuerung zur Erfassung des Isolationswiderstands.
  • Dies ermöglicht, dass ein Isolationswiderstand während der Zeit zwischen einem Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb und dem nächsten Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb erfasst wird. Demgemäß kann der Isolationswiderstand auch während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung exakt erfasst werden.
  • Zudem wird der Spannungsgrenzwert Vth unter Berücksichtigung der Variation aufgrund von Undichtigkeiten in der Brennstoffzelle 40 im Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben geändert, und demgemäß kann der Isolationswiderstand genauer erfasst werden.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Vermeidung von Hochspannung für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; einer Isolationswiderstands-Meßeinheit, die einen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle und einem äußeren Leiter misst; und eine Steuereinheit, die einen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle steuert, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Steuereinheit bestimmt, ob eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erzwungen gesenkt werden muss, indem sie die Ausgangsspannung mit einem vor. vorbestimmten Spannungsgrenzwert (Vth) zur Vermeidung der Hochspannung vergleicht, der niedriger ist als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle, und, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gleich oder größer wird als der vorbestimmte Spannungsgrenzwert (Vth), die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erzwungen unter den Spannungsgrenzwert (Vth) senkt, wobei die Steuereinheit den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung während einer Erfassung des Isolationswiderstandes durch die Isolationswiderstands-Meßeinheit ändert, wobei die Steuereinheit einen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieb ausführt, bei dem der Brennstoffzelle ein Oxidationsgas zugeführt wird, wenn die Spannung der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Untergrenzen-Spannungsgrenzwert (Vb) abnimmt, der niedriger ist als der Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung während der Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, um die Spannung der Brennstoffzelle auf den Spannungsgrenzwert zurückzuführen; und wobei die Steuereinheit den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung derart ändert, dass ein Intervall zwischen Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben größer ist als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit (T) während der Erfassung des Isolationswiderstandes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der Hochspannung in dem Intervall zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben unter Berücksichtigung einer Undichtigkeit in der Brennstoffzelle ändert.
  3. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: eine Brennstoffzelle (40), die vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; eine Isolationswiderstands-Meßeinheit (90), die einen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle und einem äußeren Leiter misst; und eine Steuereinheit (10), die einen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle steuert, wobei die Steuereinheit eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung gemäß den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ausführt.
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