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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere
eine Technik zum Messen eines Isolationswiderstandes einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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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.
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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).
- Patent
Dokument 1: japanische
Offenlegungsschrift 2007-109569 A
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösendes
Problem
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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 werden,
wenn der durch das Kühlmittel fließende Strom
einer Elektrolyse unterzogen wird, Blasen im Kühlmittelflußpfad
erzeugt, und die erzeugten Blasen unterbrechen den Wärmeübergang
von der Zelle auf das Kühlmittel, was zu einer unzureichenden
Kühlung der Brennstoffzelle führen kann.
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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.
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Jedoch
ist, während der vorstehend beschriebenen Steuerung zur
Vermeidung von Hochspannung, die vermeidet dass eine Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle größer oder gleich einem Spannungsgrenzwert
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.
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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.
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Mittel zur Lösung
des Problems
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit,
aufweisend: eine Brennstoffzelle, die vermittels einer elektrochemischen
Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas elektrische
Leistung erzeugt; eine Isolationswider stands-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.
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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.
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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.
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Die
Steuereinheit kann zudem den Spannungsgrenzwert zur Vermeidung der
Hochspannung in dem Intervall zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben
unter Berücksichtigung einer Variation aufgrund einer Undichtigkeit
in der Brennstoffzelle ändern.
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Effekt der Erfindung
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Mit
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann ein Isolationswiderstand auch
während der Ausführung einer Steuerung zur Vermeidung
von Hochspannung exakt erfasst werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Systemkonfigurations-Schaubild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 zeigt
ein Zeitdiagramm zur Erklärung einer Steuerung zur Vermeidung
von Hochspannung während eines normalen Leistungserzeugungsmodus
des Brennstoffzellensystems;
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3 zeigt
ein Zeitdiagramm zur Erklärung einer Steuerung zur Vermeidung
von Hochspannung während eines Ausgabe-Stopp-Modus des
Brennstoffzellensystems;
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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;
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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;
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Zufuhren von Brenngas und Oxidationsgas).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird eine Steuerung zur Vermeidung von Hochspannung, die intermittierend
von der Steuervorrichtung 10 ausgeführt wird,
beschrieben.
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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 dar gestellten
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.
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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.
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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.).
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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.
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Wenn
die Steuervorrichtung 10 jedoch andererseits bei der vorgenannten Überprüfung
feststellt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 erzwungen
ge senkt 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.
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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.
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2 zeigt
ein Zeitschaubild, das den Inhalt der Steuerung zur Vermeidung von
Hochspannung bei einem normalen Leistungserzeugungsmodus darstellt.
Nach einer Zeit td1 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dementsprechend
steigt, bei dem zu einem Zeitpunkt tf1' 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.
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Demgemäß wird
die Situation geschaffen, bei der das Intervall t zwischen den Spannungserhaltungs-Oxidationsgas-Blasbetrieben
größer ist als die Isolationswiderstands-Erfassungszeit
T.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-109569
A [0003]