DE112008002999B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, welches folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidierungsgases elektrische Leistung erzeugt; eine Leistungsspeichereinheit, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung zu speichern; eine Recheneinrichtung, die eine zulässige Wartedauer bis zum Hochfahren der Brennstoffzefle als innerhalb eines Zeitbereichs liegend berechnet, in dem eine Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betrieben werden kann, wenn eine Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle empfangen wird; eine Alarmeinrichtung, die einen Alarm ausgibt, dass die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle während einer Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt; und eine Steuereinrichtung, die die Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung und der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betreibt, wobei die Steuereinrichtung das Brennstoffzellensystem abstellt, falls die Brennstoffzelle während der Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer nicht hochfährt, so dass elektrische Leistung übrig gelassen wird, die nötig ist, um den Betrieb zumindest der Leistung verbrauchenden Vorrichtung mit der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung zu starten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Einschlägiger Stand der Technik
  • In einem Fahrzeug mit einem darin installierten Brennstoffzellensystem wird einen Fahrmotor im Allgemeinen mit der elektrischen Leistung angetrieben, die von einer Brennstoffzelle und einem Sekundärelement bzw. Akkumulator zur Verfügung gestellt wird. Bei einem solchen Fahrzeug wird die Brennstoffzelle hochgefahren, wenn der Fahrer den Betrieb anfordert, und der Antrieb des Fahrmotors wird nach abgeschlossenem Hochfahren der Brennstoffzelle gestartet, wobei es ungünstig ist, dass das Starten des Brennstoffzellensystems Zeit erfordert. Die JP 2007-149450 A beschreibt eine Vorgehensweise zum Verkürzen der Zeit für das Starten eines Brennstoffzellensystems, indem die Zeit für das Hochfahren einer Brennstoffzelle beim Starten eines Brennstoffzellensystems geschätzt wird, und der Antrieb eines Fahrmotors daraufhin unter Verwendung der elektrischen Leistung eines eine Leistungsspeichereinheit darstellenden Akkumulators gestartet wird, bevor das Hochfahren der Brennstoffzelle abgeschlossen ist.
  • Gattungsgemäße Brennstoffzellensystem sind zudem Gegenstand der EP 1 845 574 A1 und der DE 102 00 120 A1 . Hierbei offenbart die EP 1 845 574 A1 ein Brennstoffzellensystem, das in Abhängigkeit von der beim Systemstart in der Leistungsspeichereinheit vorhandenen elektrischen Energie einen von mehreren hinterlegten Start-Modi auswählt. Ist das Brennstoffzellensystem gestartet, wird das Brennstoffzellensystem unter der Prämisse weiterbetrieben, dass die in der Leistungsspeichereinheit gespeicherte Energie weiter zunimmt. Die DE 102 00 120 A1 lehrt ein Brennstoffzellensystem, bei welchem zu Beginn des Startvorgangs der Ladezustand der Leistungsspeichereinheit bestimmt wird. Falls der Ladezustand unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, wird ein Alarm ausgegeben.
  • Offenbarungsgehalt der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
  • Falls in dem Brennstoffzellensystem, welches die vorstehend beschriebene Vorgehensweise zum Verkürzen der Startdauer anwendet, beispielsweise ein Defekt wie etwa ein Defekt in der Zufuhr eines Brennstoffgas oder eines Oxidierungsgases zu einer Brennstoffzelle auftritt und die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann, dann bleibt das Fahrzeug stehen, sobald die elektrische Leistung des Akkumulators aufgebraucht ist, und kann nicht weiterfahren.
  • Die vorliegende Erfindung wurde ersonnen, um das vorstehend genannte Problem des Standes der Technik zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das nicht nur die Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt, sondern auch in der Lage ist, das Brennstoffzellensystem abzuschalten, ohne die elektrische Leistung einer Leistungsspeichereinheit zu verbrauchen, falls eine Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann.
  • Maßnahmen zur Problemlösung
  • Zur Lösung des vorstehend genannten Problems weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes auf: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidierungsgases elektrische Leistung erzeugt; eine Leistungsspeichereinheit, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung zu speichern; eine Recheneinrichtung, die eine zulässige Wartedauer bis zum Hochfahren der Brennstoffzelle als innerhalb eines Zeitbereichs liegend berechnet, in dem eine Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betrieben werden kann, wenn eine Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle empfangen wird; und eine Alarmeinrichtung, die einen Alarm ausgibt, welcher anzeigt, dass die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle während einer Zeitspanne ab dem Empfang einer Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt. Das Brennstoffzellensystem hat ferner eine Steuereinrichtung, die die Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung und der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betreibt, wobei die Steuereinrichtung das Brennstoffzellensystem abstellt, falls die Brennstoffzelle während der Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer nicht hochfährt, so dass elektrische Leistung übrig gelassen wird, die nötig ist, um den Betrieb zumindest der Leistung verbrauchenden Vorrichtung mit der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung zu starten
  • Erfindungsgemäß wird beim Hochfahren der Brennstoffzelle die zulässige Wartedauer auf der Grundlage der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung berechnet, und falls das Hochfahren der Brennstoffzelle während der Zeitspanne ab dem Einleiten des Hochfahrens bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt, kann ein Alarm ausgegeben werden, der ein fehlgeschlagenes Hochfahren der Brennstoffzelle signalisiert. Dies ermöglicht es, einen Anwender auf das fehlgeschlagene Hochfahren der Brennstoffzelle aufmerksam zu machen, so dass der Anwender das Brennstoffzellensystem abstellen kann. Mit anderen Worten wird nicht nur die Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt, sondern es kann auch das Brennstoffzellensystem abgestellt werden, ohne die elektrische Leistung der Leistungsspeichereinheit aufzubrauchen, falls die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann.
  • Diese Anordnung ermöglicht es, einen Alarm auszugeben, der das fehlgeschlagene Hochfahren der Brennstoffzelle angibt, während die Leistung verbrauchende Vorrichtung mit der von der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betrieben wird, so dass das Brennstoffzellensystem abgestellt werden kann, bevor die elektrische Leistung der Leistungsspeichereinheit aufgebraucht ist.
  • Mit dieser Anordnung kann das Brennstoffzellensystem zudem abgestellt werden, falls die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann, wodurch die elektrische Leistung zurückbehalten wird, die nötig ist, um zumindest die Leistung verbrauchende Vorrichtung ein nächstes Mal zu betätigen.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt, sondern es kann auch das Brennstoffzellensystem abgestellt werden, ohne die elektrische Leistung der Leistungsspeichereinheit zu aufzubrauchen, falls die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform schematisch veranschaulicht.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Verarbeitung zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform.
  • Erläuterung der Bezugszeichen
    • 1 ... Brennstoffzellensystem; 2 ... Brennstoffzelle; 3 ... Oxidierungsgas-Rohrleitungssystem; 4 ... Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem; 5 ... Elektrisches Leistungssystem; 6 ... Controller; 30 ... Filter; 31 ... Kompressor; 32 ... Luftzufuhr-Strömungspfad; 33 ... Luftabgabe-Strömungspfad; 34 ... Befeuchter; 40 ... Wasserstofftank; 41 ... Wasserstoffzufuhr-Strömungspfad; 42 ... Umlaufströmungspfad; 43 ... Hauptabsperrventil; 44 ... Reguliereinrichtung; 45 ... Wasserstoffpumpe; 46 ... Gas-/Flüssigkeits-Trenneinrichtung; 47 ... Entlüftungs-/Ablassventil; 48 ... Abgabeströmungspfad; 49 ... Verdünnungseinrichtung; 51 ... DC/DC-Wandler; 52 ... Akkumulator; 53 ... Traktionsumrichter; 54 ... Fahrmotor; 55 ... SOC-Sensor
  • Beste Ausführungsweise der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Mit der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung als ein bordeigenes Leistungserzeugungssystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle) verwendet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform berechnet bei Empfang einer Anforderung zum Hochfahren einer Brennstoffzelle die zulässige Wartedauer bis zum Hochfahren der Brennstoffzelle als innerhalb eines Zeitbereichs liegend, in dem eine Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betrieben werden kann und gibt einen Alarm aus, der ein fehlgeschlagenes Hochfahren der Brennstoffzelle anzeigt, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle während der Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt, wodurch nicht nur die Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt wird, sondern auch das Brennstoffzellensystem abgestellt wird, ohne die elektrische Leistung der Leistungsspeichereinheit aufzubrauchen, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle fehlschlägt. Der Aufbau und der Betrieb des Brennstoffzellensystems mit den vorstehend genannten Merkmalen werden im Nachfolgenden ausführlich erläutert.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird der Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das das Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform schematisch erläutert.
  • Gemäß der Darstellung in der Figur weist ein Brennstoffzellensystem 1 folgendes auf: eine Brennstoffzelle 2, die durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidierungsgases und eines Brennstoffgases, bei denen es sich um Reaktionsmittelgase handelt, elektrische Leistung erzeugt; ein Oxidierungsgas-Rohrleitungssystem 3, das der Brennstoffzelle 2 die als das Oxidierungsgas dienende Luft zuführt; ein Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem 4, das der Brennstoffzelle 2 den als das Brennstoffgas dienenden Wasserstoff zuführt; ein elektrisches Leistungssystem 5, das die elektrische Leistung des Systems lädt/entlädt; und einen Controller 6, der das gesamte System global steuert. Die Brennstoffzelle 2 und das Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem 4 stellen einen Wasserstoffgaszufuhrmechanismus dar.
  • Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einem Stapel- bzw. Stackaufbau, in dem eine große Anzahl von Einzelzellen gestapelt sind. Jede der Einzelzellen weist eine Luftelektrode auf einer Oberfläche eines aus einer Ionenaustauschermembran bestehenden Elektrolyts und eine Brennstoffelektrode auf dessen anderer Oberfläche auf, sowie ein Paar Separatoren, welche beidseitig an der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode anliegen. Hierbei wird das Wasserstoffgas einem Wasserstoffgaskanal eines Separators zugeführt, während das Oxidierungsgas einem Oxidierungsgaskanal des anderen Separators zugeführt wird. Die chemische Reaktion dieser Reaktionsmittelgase erzeugt elektrische Leistung. Die Brennstoffzelle 2 ist mit einem Stromsensor zum Erfassen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 2 und einem Spannungssensor zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 versehen.
  • Das Oxidierungsgas-Rohrleitungssystem 3 weist folgendes auf: einen Kompressor 31, der über einen Filter 30 eingeführte Luft verdichtet und die als das Oxidierungsgas dienende verdichtete Luft ausgibt, einen Luftzufuhr-Strömungspfad 32 zum Zuführen des Oxidierungsgases zur Brennstoffzelle 2 und einen Luftabgabe-Strömungspfad 33 zum Abgeben eines von der Brennstoffzelle 2 ausgegebenen Oxidierungsabgases. Der Luftzufuhr-Strömungspfad 32 und der Luftabgabe-Strömungspfad 33 sind mit einem Befeuchter 34 versehen, der das vom Kompressor 31 unter Druck zugeführte Oxidierungsgas unter Verwendung des aus der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Oxidierungsabgases befeuchtet. Nachdem das Oxidierungsabgas einem Wasseraustausch oder dergleichen durch den Befeuchter 34 unterzogen wurde, wird es schließlich als Abgas an die Atmosphäre außerhalb des Systems abgeführt.
  • Das Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem 4 weist folgendes auf: einen als Brennstoffzufuhrquelle dienenden Wasserstofftank 40, der ein unter hohem Druck (z. B. 70 MPa) stehendes Wasserstoffgas bevorratet; einen Wasserstoffzufuhr-Strömungspfad 41, der als ein Brennstoffzufuhr-Strömungspfad zum Zuführen des im Wasserstofftank 40 vorhandenen Wasserstoffgases zur Brennstoffzelle 2 dient; und einen Umlaufströmungspfad 42 zum Rückführen des von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Wasserstoffabgases zum Wasserstoffzufuhr-Strömungspfad 41. Der Wasserstofftank 40 ist bei der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform der Brennstoffzufuhrquelle. Anstelle des Wasserstofftanks 40 der vorliegenden Ausführungsform können beispielsweise eine Reformiereinrichtung, die einen auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff unter Verwendung von Wasserdampf zu einem mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffgas reformiert, und ein Hochdruckgastank, der das von der Reformiereinrichtung reformierte Brennstoffgas unter hohem Druck bevorratet, als die Brennstoffzufuhrquelle verwendet werden. Alternativ kann ein Tank, der eine Wasserstoff speichernde Legierung aufweist, als die Brennstoffzufuhrquelle verwendet werden.
  • Der Wasserstoffzufuhr-Strömungspfad 41 ist versehen mit: einem Hauptabsperrventil 43, das die Zuführung des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 40 sperrt oder zulässt, und einer Reguliereinrichtung 44, die den Druck des Wasserstoffgases auf einen voreingestellten Sekundärdruck reguliert.
  • Der Umlaufströmungspfad 42 ist mit einer Wasserstoffpumpe 45 versehen, die das Wasserstoffabgas im Umlaufströmungspfad 42 mit Druck beaufschlagt und das unter Druck stehende Wasserstoffabgas dem Wasserstoffzufuhr-Strömungspfad 41 zuführt. Ein Abgabeströmungspfad 48 ist über eine Gas-/Flüssigkeits-Trenneinrichtung 46 und ein Entlüftungs-/Ablassventil 47 mit dem Umlaufströmungspfad 42 verbunden. Die Gas-/Flüssigkeits-Trenneinrichtung 46 entzieht dem Wasserstoffabgas Feuchtigkeit. Das Entlüftungs-/Ablassventil 47 entleert die von der Gas-/Flüssigkeits-Trenneinrichtung 46 entzogene Feuchtigkeit und das Verunreinigungen enthaltende Wasserstoffabgas im Umlaufströmungspfad 42. Das aus dem Entlüftungs-/Ablassventil 47 abgegebene Wasserstoffabgas wird von einer Verdünnungseinrichtung 49 verdünnt und vermischt sich mit dem Oxidierungsabgas im Luftabgabe-Strömungspfad 33.
  • Ein elektrisches Leistungssystem 5 weist in der Hauptsache folgendes auf: einen DC/DC-Wandler 51, einen Akkumulator 52 (Leistungsspeichereinheit), bei dem es sich um eine Batterie handelt, einen Traktionsumrichter 53, einen Fahrmotor 54, und verschiedene Arten von Zubehörumrichtern, die nicht gezeigt sind. Der DC/DC-Wandler 51 ist ein Gleichspannungswandler und besitzt eine Funktion zum Regulieren eines Gleichspannungseingangs vom Akkumulator 52 und Ausgeben der regulierten Spannung an den Traktionsumrichter 53, sowie eine Funktion zum Regulieren eines Gleichspannungseingangs von der Brennstoffzelle 2 oder dem Fahrmotor 54 und Ausgeben der regulierten Spannung an den Akkumulator 52. Die Funktionen des DC/DC-Wandlers 51 verwirklichen das Laden/Entladen des Akkumulators 52. Ferner steuert der DC/DC-Wandler 51 eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
  • Der Akkumulator 52 ist aus gestapelten Batteriezellen zusammengesetzt und weist eine Klemmenspannung einer festgelegten Hochspannung auf. Der Akkumulator 52 ist in der Lage, überschüssige elektrische Leistung zu speichern oder elektrische Leistung hilfsweise unter Steuerung durch einen nicht gezeigten Batterierechner zuzuführen. Der Akkumulator 52 weist einen SOC (State of Charge; Ladezustand)-Sensor 55 zum Erfassen der Restkapazität (des Ladezustands) des Akkumulators 52 auf.
  • Der Traktionsumrichter 53 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasenwechselstrom und liefert den Dreiphasenwechselstrom an den Fahrmotor 54. Der Fahrmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor und stellt eine Hauptantriebsleistungsquelle des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs dar, in dem das Brennstoffzellensystem 1 installiert ist.
  • Der Zubehörumrichter ist ein Motorcontroller, der den Antrieb jedes Motors steuert und den Gleichstrom in den Dreiphasenwechselstrom wandelt, um den Dreiphasenwechselstrom jedem Motor zuzuführen. Der Zubehörumrichter ist beispielsweise ein PWM (Pulse Width Modulated; pulsbreitenmodulierter)-Umrichter, der eine von der Brennstoffzelle 2 oder dem Akkumulator 52 ausgegebene Gleichspannung gemäß einem Steuerbefehl vom Controller 6 in eine Dreiphasenwechselstromspannung wandelt und das in jedem Motor erzeugte Drehmoment steuert.
  • Der Controller 6 erfasst die Betätigungsgröße eines in dem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug vorgesehenen Beschleunigungselementes (eines Fahrpedals oder dergleichen) und steuert den Betrieb verschiedener Arten von Geräten in dem System bei Empfang von Steuerinformationen wie- etwa des Wertes einer erforderlichen Beschleunigung (z. B. eines von einer Leistung verbrauchenden Vorrichtung wie etwa dem Fahrmotor 54 benötigten Leistungserzeugungsbetrags). Leistung verbrauchende Vorrichtungen umfassen zusätzlich zum Fahrmotor 54 beispielsweise Zubehörvorichtungen, die zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 erforderlich sind (z. B. die Motoren des Kompressors 31 und der Wasserstoffpumpe 45); die Betätigungseinrichtungen bzw. Stellglieder, die mit verschiedenen, an der Fortbewegung eines Fahrzeugs beteiligten Arten von Vorichtungen (einem Getriebe, einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkvorrichtung, einer Aufhängungsvorrichtung und dergleichen) verwendet werden; und eine Klimatisierungsvorrichtung (Klimaanlage) sowie Beleuchtungsvorrichtungen und Audiogeräte in einem Fahrgastraum.
  • Der Controller 6 (Recheneinrichtung) berechnet bei Empfang der Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle 2 die zulässige Wartedauer zum Abwarten des Hochfahrens der Brennstoffzelle 2 auf der Grundlage der elektrischen Leistung im Akkumulator 52. Ob die Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle 2 empfangen wurde, kann beispielsweise mittels einer Erfassung bestimmt werden, ob die Zündung durch Betätigen des Zündschlüssels eingeschaltet wurde (Startvorgang). Mit anderen Worten kann bestimmt werden, dass die Anforderung zum Starten der Brennstoffzelle 2 empfangen wurde, wenn die Zündung eingeschaltet ist. Die im Akkumulator 52 gespeicherte elektrische Leistung kann aus dem durch den SOC-Sensor 55 erfassten Wert bestimmt werden. Die zulässige Wartedauer wird als innerhalb eines Zeitbereichs liegend berechnet, in dem der Fahrmotor 54 unter Verwendung der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung betrieben werden kann. Dies ermöglicht es, die zulässige Wartedauer als innerhalb derjenigen Zeit liegend einzustellen, während der der Fahrmotor 54 vom Akkumulator 52 betrieben werden kann.
  • Der Controller 6 (Alarmeinrichtung) schaltet eine Alarmleuchte an, die ein fehlgeschlagenes Hochfahren der Brennstoffzelle 2 anzeigt, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 während der Zeitspanne ab dem Empfang einer Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt. Dies bedeutet, dass der Fahrer von dem fehlgeschlagenen Hochfahren der Brennstoffzelle 2 in Kenntnis gesetzt werden kann, während der Fahrmotor 54 durch den Akkumulator 52 betrieben wird. Dies ermöglicht es, den Fahrer auf ein fehlgeschlagenes Hochfahren der Brennstoffzelle 2 hinzuweisen, wodurch der Fahrer aufgefordert wird, das Brennstoffzellensystem 1 abzustellen, bevor die elektrische Leistung des Akkumulators 52 aufgebraucht ist. Hierbei ist das Verfahren zum Ausgeben eines Alarms bezüglich eines fehlgeschlagenen Hochfahrens der Brennstoffzelle 2 nicht auf ein Einschalten der Alarmleuchte beschränkt, sondern der Alarm kann beispielsweise akustisch oder visuell ausgegeben werden.
  • Der Controller 6 (Steuereinrichtung) betreibt den Fahrmotor 54 und dergleichen unter Verwendung der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Leistung und der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung. Falls der Fahrer nach dem Anschalten der Alarmleuchte keine Maßnahmen zum Anhalten des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs ergreift, stellt der Controller 6 das Brennstoffzellensystem 1 ab, wodurch elektrische Leistung zurückbehalten wird, die nötig ist, um den Betrieb zumindest des Fahrmotors 54 mit der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung zu starten. Somit kann das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug angehalten werden, während die elektrische Leistung zurückbehalten wird, die den Betrieb des Fahrmotors 54 bei einem nächsten Starten ermöglicht.
  • Der Controller 6 kann die Alarmleuchte anschalten und stellt das Brennstoffzellensystem 1 ab, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 während der Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt. Hierdurch wird es ermöglicht, die im Akkumulator 52 gespeicherte elektrische Leistung sicher zu sparen, wodurch ein sicheres Betreiben des Fahrmotors 54 bei einem nächsten Starten ermöglicht wird.
  • Hierbei umfasst der Controller 6 in physischer Hinsicht z. B. eine CPU (Zentralsteuereinheit), einen ROM (Festspeicher) und ein HDD (Festplattenlaufwerk) zum Speichern von Steuerprogrammen und durch die CPU zu verarbeitenden Steuerdaten, einen RAM (Direktzugriffsspeicher), der als verschiedene Arten von Arbeitsbereichen hauptsächlich zur Steuerungsverarbeitung verwendet wird, und Ein/Ausgabe-Schnittstellen. Diese Komponenten sind über Busleitungen miteinander verbunden. Mit den Ein-/Ausgabe-Schnittstellen verbunden sind verschiedene Sensoren einschließlich des SOC-Sensors 55, Strom- und Spannungssensoren, und verschiedener Treiber zum Ansteuern des Kompressors 31, des Hauptabsperrventils 43, der Wasserstoffpumpe 45, des Entlüftungs-/Ablassventils 47 und des Fahrmotors 54.
  • Die CPU empfängt die Erfassungsresultate von dem SOC-Sensor 55, den Stromsensoren und den Spannungssensoren über die Ein-/Ausgabe-Schnittstellen gemäß im ROM gespeicherten Steuerprogrammen und verarbeitet die empfangenen Erfassungsresultate unter Verwendung verschiedener Arten von Daten und dergleichen im RAM, um die Verarbeitung zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems 1 zu steuern. Ferner steuert die CPU das gesamte Brennstoffzellensystem 1 durch Ausgeben von Steuersignalen an verschiedene Treiber über die Ein-/Ausgabe-Schnittstellen.
  • Unter Bezugnahme auf das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm wird nun die Verarbeitung zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform beschrieben.
  • Zuerst bestimmt der Controller 6, ob der Zündschlüssel betätigt wurde (Schritt S1). Falls das Bestimmungsresultat NEIN ist (NEIN in Schritt S1), wiederholt der Controller die Verarbeitung in Schritt S1.
  • Falls in dem vorgenannten Schritt S1 hingegen bestimmt wurde, dass der Zündschlüssel betätigt wurde (JA in Schritt S1), berechnet der Controller 6 die zulässige Wartedauer für das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 auf der Grundlage der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung (Schritt S2).
  • Anschließend bestimmt der Controller 6, ob die Brennstoffzelle 2 während der Zeitspanne ab dem Moment des Betätigens des Zündschlüssels bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer hochgefahren ist (Schritt S3). Falls das Bestimmungsresultat NEIN ist (NEIN in Schritt S3), schaltet der Controller 6 die Alarmleuchte an, wodurch angezeigt wird, dass die Brennstoffzelle 2 nicht hochgefahren werden kann (Schritt S4).
  • Falls der Fahrer im Anschluss daran keine Maßnahmen zum Anhalten des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs ergreift, stellt der Controller 6 das Brennstoffzellensystem 1 ab und spart dadurch die elektrische Leistung, die nötig ist, um den Betrieb zumindest des Fahrmotors 54 mit der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung zu starten (Schritt S5). Somit kann das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug angehalten werden, so dass die elektrische Leistung zurückbehalten wird, die den Betrieb des Fahrmotors 54 bei einem nächsten Starten ermöglicht.
  • Falls in dem vorgenannten Schritt S3 hingegen bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 2 hochgefahren ist (JA in Schritt 3), startet der Controller 6 den normalen Betrieb zum Betreiben des Fahrmotors 54 und dergleichen unter Verwendung der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Leistung und der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung (Schritt S6).
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die zulässige Wartedauer für das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform beim Hochfahren der Brennstoffzelle 2 auf der Grundlage der im Akkumulator 52 gespeicherten elektrischen Leistung berechnet werden, und falls das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 ab dem Beginn des Hochfahrbetriebs bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt, kann ein Alarm ausgegeben werden, der das fehlgeschlagene Hochfahren der Brennstoffzelle 2 anzeigt. Somit kann nicht nur die Startzeit des Brennstoffzellensystems 1 verkürzt werden, sondern das Brennstoffzellensystem 1 kann auch abgestellt werden, ohne die elektrische Leistung des Akkumulators 52 aufzubrauchen, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle 2 fehlschlägt.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die zulässige Wartedauer berechnet, wenn die Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle 2 empfangen wird; der Zeitpunkt für die Berechnung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann, bei einer alternativen Ausführungsform, die nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist, die zulässige Wartedauer auch je nach Bedarf berechnet werden, nachdem die Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle 2 empfangen wurde. Als eine weitere nicht erfindungsgemäße Alternative kann die zulässige Wartedauer entsprechend einer Änderung des Öffnungsgrades des Fahrpedals oder dergleichen wiederholt berechnet werden, da sich die zum Betreiben des Fahrmotors 54 erforderliche elektrische Leistung beispielsweise in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des Fahrpedals oder dergleichen ändert.
  • Ferner beschrieben die vorstehenden Ausführungsformen Fälle, in denen das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug installiert ist. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann außer einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug jedoch auch auf eine Vielfalt von mobilen Körpern (z. B. einen Robot, ein Schiff, Flugzeug und dergleichen) angewendet werden. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf ein stationäres Leistungserzeugungssystem angewendet werden, das als Leistungserzeugungsanlage für ein Bauwerk (ein Haus, ein Gebäude oder dergleichen) verwendet wird.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur die Hochfahrdauer einer Brennstoffzelle verkürzen, sondern kann ferner auch abgestellt werden, ohne die elektrische Leistung eines Akkumulators aufzubrauchen, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle fehlschlägt.

Claims (1)

  1. Brennstoffzellensystem, welches folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidierungsgases elektrische Leistung erzeugt; eine Leistungsspeichereinheit, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung zu speichern; eine Recheneinrichtung, die eine zulässige Wartedauer bis zum Hochfahren der Brennstoffzefle als innerhalb eines Zeitbereichs liegend berechnet, in dem eine Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betrieben werden kann, wenn eine Anforderung zum Hochfahren der Brennstoffzelle empfangen wird; eine Alarmeinrichtung, die einen Alarm ausgibt, dass die Brennstoffzelle nicht hochgefahren werden kann, falls das Hochfahren der Brennstoffzelle während einer Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer fehlschlägt; und eine Steuereinrichtung, die die Leistung verbrauchende Vorrichtung unter Verwendung der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung und der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung betreibt, wobei die Steuereinrichtung das Brennstoffzellensystem abstellt, falls die Brennstoffzelle während der Zeitspanne ab dem Empfang der Hochfahranforderung bis zum Ablauf der zulässigen Wartedauer nicht hochfährt, so dass elektrische Leistung übrig gelassen wird, die nötig ist, um den Betrieb zumindest der Leistung verbrauchenden Vorrichtung mit der in der Leistungsspeichereinheit gespeicherten elektrischen Leistung zu starten.
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