DE112008003072B4

DE112008003072B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008003072B4
Application number: DE112008003072.3T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Kota Manabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: CN101868879A; WO2009066585A1; DE112008003072T5; JP2009129596A; CN101868879B; US9240602B2; US20100291447A1; KR20100061861A; KR101217644B1; JP4656539B2

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das in der Lage ist, elektrische Leistung auch dann ohne Überschuss oder Mangel an externe Lasten zu liefern, wenn ein Umstellen zwischen Betriebszuständen durchgeführt wird. Ein Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a beurteilt auf der Grundlage der Temperatur eines Brennstoffzellen-Stacks, ob es an der Zeit ist, ein Aufwärmen durchzuführen. Ein Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b bestimmt eine während eines Aufwärmbetriebs des Brennstoffzellen-Stacks zu verwendende Soll-Ausgangsspannung, und ein Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c bestimmt eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf der Grundlage einer dem Brennstoffzellen-Stack abverlangten elektrischen Leistung, der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks, die vom Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b ausgegeben wird, und einer von einem Spannungssensor erfassten Ist-Ausgangsspannung. Ein Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d führt eine Spannungsverringerungsverarbeitung entsprechend der vom Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c angegebenen Spannungsänderungsgeschwindigkeit durch.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle durch einen niedereffizienten Betrieb aufwärmt.
Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle ist ein Leistungserzeugungssystem, das einen Brennstoff durch einen elektrochemischen Prozess oxidiert und eine als Resultat der Oxidationsreaktion frei gesetzte Energie unmittelbar in elektrische Energie umwandelt. Die Brennstoffzelle besitzt einen Stapel- bzw. Stack-Aufbau, der eine Mehrzahl von darin gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils aufgebaut sind aus: einer Elektrolytmembran, die Wasserstoffionen selektiv transportiert; und einem Paar von Elektroden, die aus porösen Materialien gefertigt sind und an beiden Oberflächen der Elektrolytmembran anliegen. Unter den Brennstoffzellen dieses Typs gibt insbesondere eine Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Feststoffpolymermembran als Elektrolyt verwendet, aufgrund ihrer geringen Kosten, einer einfachen Baugrößenverringerung und einer hohen Leistungsdichte Anlass zu Erwartungen für eine an Bord eines Fahrzeugs installierbare Leistungsquelle.
Nach allgemeiner Annahme liegt der optimale Temperaturbereich zum Erzeugen von elektrischer Leistung für eine Brennstoffzelle dieses Typs bei 70 bis 80°C. In kalten Gegenden oder ähnlichen Umgebungen, in denen es nach dem Starten der Brennstoffzelle oftmals eine lange Zeit dauert, bis der optimale Temperaturbereich erreicht wird, wurden verschiedene Typen von Aufwärmsystemen untersucht. Beispielsweise beschreibt die JP 2002-313388 A eine Vorgehensweise zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle, die gleichzeitig das Fahren eines Fahrzeugs ermöglicht, indem ein niedereffizienter Betrieb durchgeführt wird, der einen im Vergleich mit einem Normalbetrieb niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungserzeugung besitzt, und dadurch der Betrag der Eigenwärmeerzeugung der Brennstoffzelle gesteuert wird. Da bei einer solchen Vorgehensweise die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen Spannungswert eingestellt wird, der unter einem auf der Grundlage ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik (im Nachfolgenden als ”Strom-Spannungs-Kennlinie” bezeichnet) erhaltenen Spannungswert liegt, um den Wärmeverlust der Brennstoffzelle zu erhöhen, und ein Aufwärmbetrieb mittels Eigenwärmeerzeugung durchgeführt wird, erfordert diese Vorgehensweise keine Installation eines Aufwärmsystems und ist daher sehr praktisch. Aus der CA 2 693 313 A1 ist ein weiteres beispielhaftes Brennstoffzellensystem bekannt, mit einer Brennstoffzelle, einem DC/DC-Wandler und einem Controller (vgl. 1). Das Brennstoffzellensystem der CA 2 693 313 A1 führt zum Aufwärmen der Brennstoffzelle einen niedereffizienten Betrieb mit einem Leistungserzeugungswirkungsgrad niedriger als derjenige eines Normalbetriebs durch. Der Controller beurteilt, ob es an der Zeit ist, ein Aufwärmen der Brennstoffzelle zu starten und stellt eine Soll-Aufwärmspannung der Brennstoffzelle ein. Die US 2006/0234094 A1 offenbart weiterhin eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle. Wie hierbei beispielsweise in den 5 bis 7 der US 2006/0234094 A1 gezeigt ist, steuert der Controller einen DC/DC-Wandler derart, dass die Spannung einer abverlangten elektrischen Leistung entspricht. Weitere Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür sind Gegenstand der DE 10 2006 023 238 A1 sowie der US 2007/0166577 A1 .
Offenbarungsgehalt der Erfidung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle ist nicht konstant und unterliegt dem Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend (z. B. wenn der Betriebszustand von einem Normalbetrieb auf einen niedereffizienten Betrieb umgestellt wird) starken Schwankungen. Wird die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gesteuert, ohne solche Schwankungen zu berücksichtigen, könnten Probleme auftreten, falls ein Mangel oder ein Überschuss in der an externe Lasten (einen Fahrmotor, verschiedene Arten von Zubehörvorrichtungen, einen Akkumulator usw.) zu liefernden elektrischen Leistung auftreten sollte.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend genannten Umstände ersonnen, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, externen Lasten eine elektrische Leistung auch dann ohne Überschuss oder Mangel zuzuführen, wenn ein Umstellen zwischen Betriebszuständen oder dergleichen durchgeführt wird.
Maßnahmen zur Problemlösung
Um das vorstehend genannte Problem zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem sie einen niedereffizienten Betrieb mit einem Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durchführt, der unter demjenigen eines Normalbetriebs liegt, wobei das Brennstoffzellensystem einen als Computersystem ausgebildeten Controller aufweist, der eingerichtet ist, um: mittels einer Beurteilungseinheit zu beurteilten, ob es an der Zeit ist, ein Aufwärmen der Brennstoffzelle zu starten; mittels einer Einstelleinheit eine Soll-Aufwärmspannung der Brennstoffzelle einzustellen; mittels einer Erfassungseinheit eine Ist-Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erfassen; und mittels einer Bestimmungseinheit, eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung auf der Grundlage einer abverlangten elektrischen Leistung, der erfassten Ausgangsspannung und der Soll-Aufwärmspannung zu bestimmen, wenn festgestellt wird, dass es an der Zeit ist, die Brennstoffzelle zu starten; und eine Steuereinheit, die die Ausgangsspannung mit der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf die Soll-Aufwärmspannung verschiebt. Der Controller ist ferner eingerichtet, um einen DC/DC-Wandler derart zu steuern, dass dieser die Ausgangsspannung mit der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit derart auf die Soll-Aufwärmspannung verringert, dass die abverlangte elektrische Leistung erhalten wird.
Wenn es bei einer solchen Konfiguration an der Zeit ist, das Aufwärmen der Brennstoffzelle zu starten, wird eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf der Grundlage einer der Brennstoffzelle abverlangten elektrischen Leistung usw., einer Soll-Spannung der Brennstoffzelle während des Aufwärmbetriebs, und einer Ist-Ausgangsspannung bestimmt, und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks wird mit der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf die Soll-Ausgangsspannung verschoben (geändert).
Ein aus einer Brennstoffzelle abziehbarer Strom ändert sich gemäß der Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, und je höher die Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist, desto größer wird der Betrag der momentanen Änderung des Ausgangsstroms (s. 3). Demzufolge ist es möglich, die Brennstoffzelle rasch aufzuwärmen und gleichzeitig den angeforderten Betrag an elektrischer Leistung bereit zu stellen, indem der Ausgangsstrom derart gesteuert wird, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sukzessive gemäß der vom Brennstoffzellen-Stack geforderten elektrischen Leistung geändert wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es bevorzugt, dass: das Brennstoffzellensystem ferner eine Temperaturerfassungseinheit aufweist, die eine für die Brennstoffzelle relevante Temperatur erfasst; und die Beurteilungseinheit auf der Grundlage der relevanten Temperatur feststellt, ob es an der Zeit ist, das Aufwärmen der Brennstoffzelle zu starten.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Einstelleinheit die Soll-Aufwärmspannung zumindest entsprechend der relevanten Temperatur und/oder der dem System abverlangten elektrischen Leistung ändert.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Erfassungseinheit öfter als einmal zu beliebigen Zeitpunkten Ist-Ausgangsspannungen erfasst, bis die Ausgangsspannung auf die Soll-Aufwärmspannung verschoben ist; und dass die Bestimmungseinheit die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung immer dann, wenn eine Erfassung stattfindet, auf der Grundlage einer dem System abverlangten elektrischen Leistung, der erfassten Ausgangsspannung und der Soll-Aufwärmspannung bestimmt.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es bevorzugt, dass: das Brennstoffzellensystem ferner eine Schwellwerteinstelleinheit aufweist, die einen über der Soll-Aufwärmspannung liegenden Spannungsschwellwert einstellt; und dass, wenn die Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert abfällt, der Controller die Ausgangsspannung mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit, die höher als die Spannungsänderungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Abfalls der Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert ist, auf die Soll-Aufwärmspannung verschiebt.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es bevorzugt, dass: das Brennstoffzellensystem ferner eine Zähleinheit aufweist, die die seit dem Beginn des Verschiebens der Ausgangsspannung vergangene Zeit zählt; und dass, wenn die Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert abfällt und die vergangene Zeit einen Zeitschwellwert übersteigt, die Bestimmungseinheit die Ausgangsspannung mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit, die höher als die Spannungsänderungsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt des Abfalls der Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert und des Überschreitens eines Zeitschwellwerts durch die vergangene Zeit ist, auf die Soll-Aufwärmspannung verschiebt.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ermöglicht es die vorliegende Erfindung, dass externe Lasten auch dann ohne Überschuss oder Mangel mit elektrischer Leistung versorgt werden, wenn ein Umstellen zwischen Betriebszuständen oder dergleichen durchgeführt wird.
Beste Ausführungsweise der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
A. Erste Ausführungsform
A-1. Konfiguration
1 zeigt schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführungsform ausgerüstet ist. Obgleich die nachfolgende Beschreibung unter der Annahme eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs (Fuel Cell Hybrid Vehicle; FCHV) als ein beispielhaftes Fahrzeug gegeben wird, kann das Brennstoffzellensystem auch auf Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge angewendet werden. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem nicht nur auf Fahrzeuge, sondern auch auf verschiedene mobile Objekte (z. B. Schiffe, Flugzeuge und Robots), stationäre Leistungsversorgungen und mobile Brennstoffzellensysteme angewendet werden.
Das Brennstoffzellensystem 10 fungiert als ein bordeigenes Leistungsversorgungssystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem 10 folgendes aufweist: einen Brennstoffzellen-Stack 20, der mit Reaktionsmittelgasen (einem Brennstoffgas und einem Oxidationsmittelgas) versorgt wird und elektrische Leistung erzeugt; ein Oxidationsmittelgas-Zufuhrsystem 30, das dem Brennstoffzellen-Stack 20 die als das Oxidationsmittelgas dienende Luft zuführt; ein Brennstoffgas Zufuhrsystem 40, das dem Brennstoffzellen-Stack 20 ein als das Brennstoffgas dienendes Wasserstoffgas zuführt; ein Leistungssystem 50, welches das Laden und Entladen von elektrischer Leistung steuert; ein Kühlsystem 60, das den Brennstoffzellen-Stack 20 kühlt; und einen Controller (ECU) 70, der das gesamte System steuert.
Der Brennstoffzellen-Stack 20 ist ein Zellenstack vom Feststoffpolymerelektrolyt-Typ, in dem eine Mehrzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. In dem Brennstoffzellen-Stack 20 läuft eine Oxidationsreaktion gemäß Formel (1) in einer Anode und eine Reduktionsreaktion gemäß Formel (2) in einer Kathode ab. Eine Elektrizität erzeugende Reaktion gemäß Formel (3) läuft in dem Brennstoffzellen-Stack 20 insgesamt ab. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ → (1/2)O₂ → H₂O (3)
Der Brennstoffzellen-Stack 20 ist versehen mit: einem Spannungssensor 71, der eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 erfasst; und einem Stromsensor 72, der einen Leistungserzeugungsstrom erfasst.
Das Oxidationsmittelgas-Zufuhrsystem 30 weist folgendes auf einen Oxidationsmittelgaspfad 34, in dem das Oxidationsmittelgas strömt, das der Kathode im Brennstoffzellen-Stack 20 zugeführt werden soll; und einen Oxidationsmittelabgaspfad 36, in dem ein von dem Brennstoffzellen-Stack 20 abgegebenes Oxidationsmittelabgas strömt. Der Oxidationsmittelgaspfad 34 ist versehen mit: einem Luftverdichter 32, der das Oxidationsmittelgas aus der Atmosphäre über einen Filter 31 einführt; einem Befeuchter 33, der das Oxidationsmittelgas, das der Kathode im Brennstoffzellen-Stack 20 zugeführt werden soll, befeuchtet; und einem Drosselventil 35, das die Zufuhrmenge des Oxidationsmittelgases reguliert. Der Oxidationsmittelabgaspfad 36 ist versehen mit: einem Gegendruck-Regulierventil 37, das den Eingangsdruck des Oxidationsmittelgases reguliert; und einem Befeuchter 33, der Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsmittelgas (Trockengas) und dem Oxidationsmittelabgas (Feuchtgas) austauscht.
Das Brennstoffgas Zufuhrsystem 40 weist folgendes auf: eine Brennstoffgaszufuhrquelle 41; einen Brennstoffgaspfad 45, in dem das Brennstoffgas strömt, das von der Brennstoffgaszufuhrquelle 41 zur Anode im Brennstoffzellen-Stack 20 zugeführt werden soll; einen Umlaufpfad 46, der das vom Brennstoffzellen-Stack 20 abgegebene Brennstoffabgas zum Brennstoffgaspfad 45 zurückführt; eine Umwälzpumpe 47, die das Brennstoffabgas im Umlaufpfad 46 zum Brennstoffgaspfad 43 hin pumpt; und einen Entlüftungs-/Ablasspfad 48, der vom Umlaufpfad 47 abzweigt.
Die Brennstoffgaszufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoff absorbierenden Legierung oder dergleichen, und bevorratet ein unter hohem Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa) stehendes Wasserstoffgas. Wenn ein Absperrventil 42 geöffnet wird, strömt das Brennstoffgas von der Brennstoffgaszufuhrquelle 41 zum Brennstoffgaspfad 45. Der Druck des Brennstoffgases wird durch eine Reguliereinrichtung 43 und eine Einblasvorrichtung 44 auf beispielsweise ca. 200 kPa reduziert, woraufhin das Brennstoffgas dem Brennstoffzellen-Stack 20 zugeführt wird.
Es ist anzumerken, dass die Brennstoffgaszufuhrquelle 41 aus folgendem bestehen kann: einer Reformiereinrichtung, die ein mit Wasserstoff angereichtertes, reformiertes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt; und einem Hochdruckgastank, der das in der Reformiereinrichtung erzeugte, reformierte Gas unter einem hohen Druck bevorratet.
Die Reguliereinrichtung 43 ist eine Vorrichtung, die den Druck auf ihrer stromaufwärtigen Seite (Primärdruck) auf einen vorgegebenen Sekundärdruck reguliert. Die Reguliereinrichtung 43 kann beispielsweise als ein mechanisches Druckreduzierventil zum Reduzieren des Primärdrucks ausgestaltet sein. Das mechanische Druckreduzierventil weist ein Gehäuse auf, in dem eine Gegendruckkammer und eine Druckregulierkammer mit einer dazwischen angeordneten Membran vorgesehen sind, wobei der Primärdruck in der Druckregulierkammer unter Verwendung des Gegendrucks in der Gegendruckkammer auf einen vorgegebenen Druck reduziert wird, bei dem es sich um den Sekundärdruck handelt.
Bei der Einblasvorrichtung 44 handelt es sich um ein elektromagnetisch angetriebenes Schaltventil, das in der Lage ist, einen Gasvolumenstrom oder einen Gasdruck zu regulieren, indem es einen Ventilkörper mit einer elektromagnetischen Antriebskraft mit einer vorgegebenen Antriebsdauer direkt antreibt, so dass dieser von einem Ventilsitz abgehoben wird. Die Einblasvorrichtung 44 weist folgendes auf: einen Ventilsitz mit einer Einblasöffnung zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs wie etwa eines Brennstoffgases; einen Düsenkörper, der den gasförmigen Brennstoff zur Einblasöffnung zuführt und leitet; und einen Ventilkörper, der so im Düsenkörper aufgenommen und gehalten ist, dass er in einer axialen Richtung (einer Gasströmungsrichtung) des Düsenkörpers bewegbar ist, um die Einblasöffnung zu öffnen und zu schließen.
Der Entlüftungs-/Ablasspfad 48 ist mit einem Entlüftungs-/Ablassventil 49 versehen. Das Entlüftungs-/Ablassventil 49 arbeitet gemäß einem Befehl vom Controller 70 und gibt dadurch Wasser und das Verunreinigungen enthaltende Brennstoffabgas aus dem Umlaufpfad 46 ab. Durch Öffnen des Entlüftungs-/Ablassventils 49 kann die Konzentration der Verunreinigungen in dem im Umlaufpfad 46 befindlichen Brennstoffabgas reduziert werden, und die Wasserstoffkonzentration des im Umlaufsystem umlaufenden Brennstoffabgases kann erhöht werden.
Das über das Entlüftungs-/Ablassventil 49 abgegebene Brennstoffabgas wird mit dem im Oxidationsmittelabgaspfad 34 strömenden Oxidationsmittelabgas vermischt und in einer Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt) verdünnt. Durch die von einem Motor angetriebene Umwälzpumpe 47 wird das Brennstoffabgas im Umlaufsystem rückgeführt und an den Brennstoffzellen-Stack 20 geliefert.
Das Leistungssystem 50 weist einen DC/DC-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionsumrichter 53, einen Fahrmotor 54 und Zubehörvorrichtungen 55 auf. Der DC/DC-Wandler 51 besitzt folgende Funktionen: eine Funktion zum Erhöhen einer von der Batterie 52 gelieferten Gleichspannung und Ausgeben der resultierenden Spannung an den Traktionsumrichter 53; und eine Funktion zum Reduzieren der Spannung der vom Brennstoffzellen-Stack 20 erzeugten Gleichstromleistung oder einer regenerativen Leistung, die als Resultat eines regenerativen Bremsens durch den Fahrmotor 54 gewonnen wird, und Laden der Batterie 52 mit der resultierenden Leistung. Diese Funktionen des DC/DC-Wandler 51 steuern das Laden und Entladen der Batterie 52. Ferner wird aufgrund der Spannungswandlungssteuerung durch den DC/DC-Wandler 51 ein Betriebspunkt (eine Ausgangsspannung und ein Ausgangsstrom) des Brennstoffzellen-Stacks 20 gesteuert.
Die Batterie 52 fungiert als: eine Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung; eine Speicherquelle für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsbetriebs; oder ein Energiepuffer für den Fall variabler Lasten infolge einer Beschleunigung oder Verlangsamung eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Geeignete Beispiele für die Batterie 52 können einen Akkumulator wie etwa eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie und eine Lithium-Batterie umfassen.
Bei dem Traktionsumrichter 53 handelt es sich beispielsweise um einen Wandler vom Pulsebreitenmodulations(Pulse Width Modulation; PWM)-Typ, der einen Gleichstromspannungsausgang vom Brennstoffzellen-Stack 20 oder von der Batterie 52 gemäß einem vom Controller 70 gelieferten Steuerbefehl in eine Dreiphasenwechselstromspannung wandelt und ein Drehmoment des Fahrmotors 54 steuert. Der Fahrmotor 54 ist ein Motor (z. B. ein Dreiphasenwechselstrommotor) zum Antreiben der Räder 56L und 56R und stellt eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs dar.
Die Zubehörvorrichtungen 55 bezeichnen kollektiv verschiedene, im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehene Motoren (z. B. Leistungsquellen für die Pumpen), Umrichter zum Ansteuern dieser Motoren, verschiedene Arten von bordeigenen Zubehörvorrichtungen (z. B. einen Luftverdichter, eine Einblasvorrichtung, eine Kühlwasser-Umwälzpumpe, einen Kühler usw.).
Das Kühlsystem 60 weist folgendes auf Kühlmittelpfade 61, 62, 63 und 64, in denen ein im Inneren des Brennstoffzellen-Stacks 20 zirkulierendes Kühlmittel strömt; eine Umwälzpumpe 65, die das Kühlmittel pumpt; einen Kühler 66, der Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Umgebungsluft austauscht; ein Drei-Wege-Ventil 67, das den Umlaufpfad für das Kühlmittel umschaltet; und einen Temperatursensor 74, der die Temperatur des Kühlmittels erfasst. Während eines Normalbetriebs nach Abschluss eines Aufwärmbetriebs wird das Drei-Wege-Ventil 67 auf- oder zugesteuert, so dass das aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 ausströmende Kühlmittel in den Kühlmittelpfaden 61 und 64 strömt und vom Kühler 66 gekühlt wird, und daraufhin im Kühlmittelpfad 64 strömt und wieder in den Brennstoffzellen-Stack 20 strömt. Während des Aufwärmbetriebs unmittelbar nach dem Starten des Systems hingegen wird das Drei-Wege-Ventil 67 auf- oder zugesteuert, so dass das aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 ausströmende Kühlmittel in den Kühlmittelpfaden 61, 62 und 64 strömt und wieder in den Brennstoffzellen-Stack 20 strömt.
Der Controller 70 ist ein Computersystem, das eine CPU (Zentralsteuereinheit), einen ROM (Festpeicher), einen RAM (Direktzugriffsspeicher), Ein-/Ausgabe-Schnittstellen und dergleichen umfasst, wobei der Controller 70 als eine Steuereinrichtung zum Steuern der Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 (des Oxidationsmittelgas-Zufuhrsystems 30, des Brennstoffgas Zufuhrsystems 40, des Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) dient. Wenn der Controller 70 z. B. ein von einem Zündschalter ausgegebenes Startsignal IG empfängt, startet er den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält eine von dem gesamten System benötigte elektrische Leistung auf der Grundlage eines von einem Fahrpedalsensor ausgegebenen Fahrpedal-Öffnungsgradsignals ACC und eines von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitssignals VC.
Die von dem gesamten System benötigte elektrische Leistung ist die Summe aus dem Betrag einer für die Fortbewegung des Fahrzeugs benötigten elektrischen Leistung und dem Betrag an elektrischer Leistung für Zubehörvorrichtungen. Die elektrische Leistung für Zubehörvorrichtungen umfasst die elektrische Leistung, die von den bordeigenen Zubehörvorrichtungen (dem Befeuchter, dem Luftverdichter, der Wasserstoffpumpe und der Kühlwasser-Umwälzpumpe usw.) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von den für die Fortbewegung des Fahrzeugs erforderlichen Vorrichtungen (Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkgetriebe, Aufhängung usw.) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von den in einem Fahrgastraum vorgesehenen Vorrichtungen (Klimaanlage, Beleuchtungsausrüstung, Audiosystem usw.) verbraucht wird, und dergleichen.
Der Controller 70 bestimmt das Verteilungsverhältnis der vom Brennstoffzellen-Stack 20 ausgegebenen elektrischen Leistung und der elektrischen Leistung von der Batterie 52, errechnet einen Leistungserzeugungs-Befehlswert, und steuert das Oxidationsmittelgas-Zufuhrsystem 30 und das Brennstoffgas Zufuhrsystem 40 so, dass der Betrag der vom Brennstoffzellen-Stack 20 erzeugten elektrischen Leistung mit der elektrischen Soll-Leistung (benötigten elektrischen Leistung) überein stimmt. Der Controller 70 steuert ferner den DC/DC-Wandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 zu regulieren, und steuert dadurch den Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom) des Brennstoffzellen-Stacks 20. Der Controller 70 gibt an den Traktionsumrichter 53 jeweilige Wechselstromspannungs-Befehlswerte einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase als Schaltbefehle zum Steuern des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl des Fahrmotors 54 aus.
C-V(Kapazität/Spannung)-Charakteristik des Brennstoffzellen-Stacks 20
Die C-V-Charakteristik (zyklisches Voltammogramm) des Brennstoffzellen-Stacks 20 zeigt die dynamische elektrische Charakteristik des Brennstoffzellen-Stacks 20, wobei, wenn die Spannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 mit einer bestimmten Rate erhöht wird, ein Strom in einer Richtung von außerhalb in den Brennstoffzellen-Stack 20 (negative Richtung) fliesst, während wenn die Spannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 mit einer bestimmten Rate verringert wird, ein Strom in einer Richtung vom Brennstoffzellen-Stack 20 nach außerhalb (positive Richtung) fliesst. Bekanntermaßen hängen solche dynamische elektrische Charakteristiken von folgenden Gegebenheiten ab: einer elektrischen Doppelschicht-Kapazitätskomponente eines Katalysatorträgers im Brennstoffzellen-Stack 20; und einer Scheinkapazitätskomponente, die aus einer Oxidations-Reduktions-Reaktion des Katalysators resultieren.
2 ist ein Äquivalenzschaltbild, das modellierte dynamische elektrische Charakteristiken des Brennstoffzellen-Stacks 20 zeigt. Der Brennstoffzellen-Stack 20 besitzt einen Schaltkreisaufbau, in dem eine ideale Brennstoffzelle 28 und ein Kondensator 29 parallel geschaltet sind. Die ideale Brennstoffzelle 28 ist ein Modell einer virtuellen Brennstoffzelle, welche die vorstehend genannten C-V-Charakteristiken nicht besitzt und sich hinsichtlich der elektrischen Charakteristiken ähnlich wie eine variable Leistungsquelle verhält. Der Kondensator 29 ist ein Modell eines Kondensatorelements, das ein elektrisches Verhalten einer auf einer Grenzfläche ausgebildeten elektrischen Doppelschicht darstellt. Eine externe Last 56 ist eine durch Modellieren des Leistungssystems 50 erhaltene Äquivalenzschaltung. Unter der Annahme, dass ein aus der idealen Brennstoffzelle 28 fliessender Strom als Ifc dargestellt ist, eine Ausgangsspannung der idealen Brennstoffzelle 28 (die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20) als Vfc dargestellt ist, ein in den Kondensator 29 fliessender Strom als Ic dargestellt ist, ein aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 an eine externe Last 56 fliessender Strom als Is dargestellt ist, die Kapazität des Kondensators 29 als C dargestellt ist, und Zeit als t dargestellt ist, lassen sich die folgenden Gleichungen (4) und (5) erstellen. Ifc = Ic + Is (4) Ic = C·ΔVfc/Δt (5)
Wie in den Gleichungen (4) und (5) dargestellt ist, wenn die Ausgangsspannung Vfc erhöht wird, nimmt der in den Kondensator 29 fliessende Strom Ic entsprechend dem Betrag der Änderung pro Einheitszeit ΔVfc/Δt zu, weshalb der aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 an die externe Last 56 fliessende Strom Is abnimmt. Wenn hingegen die Ausgangsspannung Vfc verringert wird, nimmt der in den Kondensator 29 fliessende Strom Ic entsprechend dem Betrag der Änderung pro Einheitszeit ΔVfc/Δt ab, weshalb der aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 an die externe Last 56 fliessende Strom Is zunimmt. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann durch Steuern des Betrags der Zu- bzw. Abnahme der Ausgangsspannung Vfc pro Einheitszeit der aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 an die externe Last 56 fliessende Strom Is reguliert werden (im Nachfolgenden zur Vereinfachung der Erläuterung als ”ΔV-Steuerung” bezeichnet).
Wenn bei dieser Ausführungsform erfasst wird, dass die Temperatur des Stacks niedriger als eine vorgegebene Temperatur (z. B. 0°C) ist, in einem Zustand, in dem der Betrieb des Fahrzeugs angehalten ist (d. h. in einem Zustand, in dem das Fahrzeug für einen Start vor einer Fahrt des Fahrzeugs bereit ist; im Nachfolgenden als ”Startvorbereitungszustand” bezeichnet), wird ein niedereffizienter Betrieb gestartet (d. h. der Betriebszustand wird vom Startvorbereitungszustand auf den niedereffizienten Betriebszustand umgestellt), und ein rasches Aufwärmen wird für den Brennstoffzellen-Stack 20 ausgeführt.
”Niedereffizienter Betrieb” bezieht sich auf einen Betrieb, der mit einem geringen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durchgeführt wird, indem die Menge der zugeführten Luft im Vergleich mit einem Normalbetrieb verringert wird (z. B. Einstellen eines Luftstöchiometrieverhältnisses auf 1,0) und dadurch der Leistungserzeugungsverlust erhöht wird. Wenn der niedereffiziente Betrieb mit einem niedrig eingestellten Luftstöchiometrieverhältnis durchgeführt wird, wird die Konzentrationsüberspannung größer als diejenige des Normalbetriebs, so dass eine Zunahme des Wärmeverlustes (Leistungserzeugungsverlustes) bei der Energie vorliegt, die durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden kann.
Es wird angemerkt, dass der niedereffiziente Betrieb nicht nur vor einer Fahrt des Fahrzeugs (d. h. Umstellen des Betriebszustands vom Startvorbereitungszustand auf den niedereffizienten Betriebszustand) durchgeführt wird, sondern auch während einer Fahrt des Fahrzeugs (d. h. Umstellen des Betriebszustands vom Normalbetriebszustand auf den niedereffizienten Betriebszustand), um den Brennstoffzellen-Stack 20 rasch aufzuwärmen, indem der Wärmeverlust in einer Umgebung mit niedriger Temperatur bewusst erhöht wird. Hier ist anzumerken, dass das Luftstöchiometrteverhältnis (d. h. das Überschussverhältnis von Sauerstoff) während des niedereffizienten Betrieb nicht auf um 1,0 eingeschränkt werden soll, sondern dass es beliebig so eingestellt oder geändert werden kann, dass es niedriger als ein Luftstöchiometrieverhältnis während des Normalbetriebs ist.
Wenn bei dieser Ausführungsform der Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stacks 20 vom Startvorbereitungszustand auf den niedereffizienten Betriebszustand umgestellt wird, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks so gesteuert, dass sie entsprechend der abverlangten elektrischen Leistung veränderlich ist, während der Volumenstrom des dem Brennstoffzellen-Stack 20 zuzuführenden Oxidationsmittelgases auf einen konstanten Wert festgelegt wird. Wie in den Gleichungen (4) und (5) gezeigt ist, findet bei einer Änderung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 ein Auf- oder Entladen von elektrischer Leistung des Kondensators 29 aufgrund der Kapazitätscharakteristiken des Brennstoffzellen-Stacks 20 statt, und die vom Brennstoffzellen-Stack 20 an die externe Last 56 gelieferte elektrische Leistung (d. h. die Ausgangsleistung) wird geändert.
3 ist ein Diagramm, das die Strom-Spannungs-Kennlinie des Brennstoffzellen-Stacks 20 in einem Zustand zeigt, in dem der Betriebszustand umgestellt wird, wobei die Strom-Spannungs-Kennlinie bei einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit S_ch1 = 25 V/s durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, während die Strom-Spannungs-Kennlinie bei einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit S_ch2 = 50 V/s durch die gestrichpunktete Linie gezeigt ist. Es ist anzumerken, dass die in 3 gezeigte Strom-Spannungs-Kennlinie einen Zustand annimmt, in dem die dem Brennstoffzellen-Stack 20 zuzuführende Menge an Oxidationsmittelgas konstant geregelt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, gibt es einen Bereich A1 (genauer gesagt einen Katalysator-Reduktionsbereich), in dem sich ein Ausgangsstrom stark ändert, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 in einem Zustand verringert wird, in dem der Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stacks 20 vom Startvorbereitungszustand zum niedereffizienten Betriebszustand umgestellt wird. Ein im Katalysator-Reduktionsbereich A1 aus dem Brennstoffzellen-Stack 20 abziehbarer Strom (d. h. ein Ausgangsstrom) ändert sich gemäß der Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20, und je höher die Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist, desto größer wird der Betrag der momentanen Änderung des Ausgangsstroms, wie in 3 gezeigt ist (s. die in 3 gezeigten Spannungsänderungsgeschwindigkeiten S_ch1 und S_ch2). Da bekanntermaßen die Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stacks 20 durch Multiplizieren des Ausgangsstroms mit der Ausgangsspannung berechnet werden kann, kann eine gewünschte Ausgangsleistung erhalten werden, indem der Ausgangsstrom so gesteuert wird, dass sich die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 sukzessive entsprechend der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung ändert.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm des Controllers 70, der eine Aufwärmsteuerverarbeitung ausführt.
Der Controller 70 umfasst einen Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a, einen Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b, einen Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c und einen Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d.
Der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt (Beurteilungseinheit) 70a beurteilt, ob es an der Zeit ist, das Aufwärmen auf der Grundlage der vom Temperatursensor 74 erfassten Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 20 (BZ-Temperatur) auszuführen. Es ist anzumerken, dass anstelle der BZ-Temperatur die Umgebungstemperatur um den Brennstoffzellen-Stack 20 oder die Temperatur einer Komponente in der Umgebung des Brennstoffzellen-Stacks 20 (für die Brennstoffzelle relevante Temperaturen) erfasst werden kann. Der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a weist einen BZ-Temperaturschwellwert (z. B. 0°C) auf, der eingestellt wurde, um bei Beurteilungen verwendet zu werden, ob der Aufwärmbetrieb gestartet werden soll oder nicht. Wenn der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a eine erfasste BZ-Temperatur vom Temperatursensor 74 empfängt, vergleicht er diese BZ-Temperatur mit dem BZ-Temperaturschwellwert. Wenn festgestellt wird, dass die BZ-Temperatur unter dem BZ-Temperaturschwellwert liegt, gibt der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a an den Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b und den Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c einen Hinweis aus, der eine Benachrichtigung zur Verfügung stellt, dass es an der Zeit ist, den Aufwärmbetrieb unter Verwendung des niedereffizienten Betriebs zu starten.
Entsprechend dem Hinweis vom Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a bestimmt der Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b eine während des Aufwärmbetriebs zu verwendende Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20 (d. h. eine Sollverschiebungsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20, die erhalten wird, wenn der Betriebszustand vom Startvorbereitungszustand zum niedereffizienten Betriebszustand umgestellt wird; s. 4) auf der Grundlage der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung usw. Bei der Bestimmung (Einstellung) der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20 (Soll-Aufwärmspannung) gibt der Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt (Einstelleinheit) 70b die bestimmte Spannung an den Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c aus. Es ist anzumerken, dass die während des Aufwärmbetriebs zu verwendende Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20 beliebig entsprechend der BZ-Temperatur, dem Wärmeerzeugungsbetrag oder der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung oder dergleichen eingestellt werden kann, oder dass es sich dabei alternativ um einen festgelegten Wert handeln kann.
Der Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt (Bestimmungseinheit) 70c bestimmt gemäß der Benachrichtigung vom Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit (in dieser Ausführungsform eine Spannungsverringerungsgeschwindigkeit) auf der Grundlage der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung, der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20, die vom Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b ausgegeben wird, und einer vom Spannungssensor (Erfassungseinheit) 71 erfassten Ist-Ausgangsspannung (s. z. B. V_p1 in 4). Der Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c teilt dem Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d daraufhin die bestimmte Spannungsänderungsgeschwindigkeit mit.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann bei einem Umstellen des Betriebszustands des Brennstoffzellen-Stacks 20 vom Startvorbereitungszustand zum niedereffizienten Betriebszustand eine gewünschte Ausgangsleistung durch Ändern der Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 erhalten werden. Somit bestimmt der Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c, um die dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangte elektrische Leistung zu erhalten, die Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der abverlangten elektrischen Leistung, der Soll-Ausgangsspannung V_o1 und der Ist-Ausgangsspannung. Es ist anzumerken, dass die Zeit zum Bestimmen der Spannungsänderungsgeschwindigkeit beliebig sein kann; sie kann in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand (z. B. alle 4 ms) bestimmt werden, z. B. in Abhängigkeit von der Zeit zum Erfassen der Ausgangsspannung mit dem Spannungssensor (Erfassungseinrichtung), oder alternativ kann die Spannungsänderungsgeschwindigkeit nach einer einmaligen Bestimmung festgelegt werden.
Der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt (Steuereinheit) 70d führt entsprechend der vom Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c angegebenen Spannungsänderungsgeschwindigkeit eine Verarbeitung zum Verringern der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 (im Nachfolgenden als ”Spannungsverringerungsverarbeitung” bezeichnet) so durch, dass die abverlangte elektrische Leistung je nach Wunsch erhalten werden kann. Genauer gesagt verringert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 auf die Soll-Ausgangsspannung unter Verwendung des DC/DC-Wandlers 51 auf der Grundlage der nachstehenden Gleichungen (6) und (7). Stromabweichung = Strombefehlswert – Strommesswert (6) Spannungsbefehlswert = Spannungsbefehlswert (früherer Wert) – (Stromabweichung × proportionale Verstärkung + integraler Stromabweichungsausdruck × integrale Verstärkung) (7)
Hierbei steuert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d den Spannungsverringerungsbetrieb des DC/DC-Wandlers 51 so, dass die vom Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c bestimmte Spannungsänderungsgeschwindigkeit beibehalten wird. Bei einer solchen Konfiguration kann der Brennstoffzellen-Stack 20 rasch aufgewärmt und gleichzeitig die abverlangte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden. Wenn erfasst wird, dass die BZ-Temperatur auf eine voreingestellte Normalbetrieb-Umstelltemperatur (z. B. 5°C) angestiegen ist, beendet der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d das Aufwärmen des Brennstoffzellen-Stacks 20 und stellt den Betriebszustand vom niedereffizienten Betrieb auf den Normalbetrieb um. Die Aufwärmsteuerverarbeitung wird im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
A-2. Erläuterung des Betriebs
5 ist ein Ablaufdiagramm, das die vom Controller 70 durchgeführte Aufwärmsteuerverarbeitung zeigt.
Der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a beurteilt, ob es an der Zeit ist, das Aufwärmen auf der Grundlage der vom Temperatursensor 74 erfassten Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 20 (BZ-Temperatur) durchzuführen. Genauer gesagt vergleicht der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a die vom Temperatursensor 74 erfasste BZ-Temperatur mit dem voreingestellten BZ-Temperaturschwellwert und beurteilt, ob die BZ-Temperatur unter dem BZ-Temperaturschwellwert liegt oder nicht. Wenn die BZ-Temperatur gleich oder höher als der BZ-Temperaturschwellwert ist (Schritt S100; NEIN), beendet der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a die Verarbeitung, ohne die nachfolgenden Schritte auszuführen.
Wenn hingegen bestimmt wird, dass die BZ-Temperatur unter dem BZ-Temperaturschwellwert liegt und es somit an der Zeit ist, das Aufwärmen durchzuführen (Schritt S100; JA), gibt der Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a an den Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b und den Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c eine Benachrichtigung aus, die einen Hinweis zur Verfügung stellt, dass es an der Zeit ist, den Aufwärmbetrieb unter Verwendung des niedereffizienten Betriebs zu starten.
Entsprechend der Benachrichtigung vom Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a bestimmt der Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b eine während des Aufwärmbetriebs zu verwendende Soll-Ausgangsspannung V_o1 der Brennstoffzelle 20 (d. h. eine Sollverschiebungsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20, die erhalten werden soll, wenn der Betriebszustand vom Startvorbereitungszustand zum niedereffizienten Betriebszustand umgestellt wird; s. 4) auf der Grundlage der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung oder dergleichen (Schritt S200). Bei der Bestimmung der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20 gibt der Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b die bestimmte Spannung an den Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c aus.
Der Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c bestimmt entsprechend der Benachrichtigung vom Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt 70a eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit (bei dieser Ausführungsform: eine Spannungsverringerungsgeschwindigkeit) auf der Grundlage der dem Brennstoffzellen-Stack 20 abverlangten elektrischen Leistung, der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung V_o1 des Brennstoffzellen-Stacks 20, die vom Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt 70b ausgegeben wird, und einer vom Spannungssensor 71 erfassten Ist-Ausgangsspannung, und benachrichtigt den Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d von der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit (Schritt S300).
Der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d führt entsprechend der vom Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c angegebenen Spannungsänderungsgeschwindigkeit die Spannungsverringerungsverarbeitung für den Brennstoffzellen-Stack 20 so aus, dass die benötigte elektrische Leistung nach Wunsch erhalten werden kann (Schritt S400). Genauer gesagt verringert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 unter Verwendung des DC/DC-Wandlers 51 auf der Grundlage der vorstehend angegebenen Gleichungen (6) und (7) auf die Soll-Ausgangsspannung. Hierbei steuert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d den Spannungsverringerungsbetrieb des DC/DC-Wandlers 51 so, dass die vom Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt 70c bestimmte Spannungsänderungsgeschwindigkeit beibehalten wird. Bei einer solchen Konfiguration kann der Brennstoffzellen-Stack 20 rasch aufgewärmt werden, während gleichzeitig die benötigte elektrische Leistung zugeführt wird. Wenn erfasst wird, dass die BZ-Temperatur auf eine voreingestellte Normalbetrieb-Umstelltemperatur (z. B. 5°C) angestiegen ist, beendet der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d die vorstehend beschriebene Aufwärmsteuerverarbeitung und stellt den Betriebszustand vom niedereffizienten Betrieb zum Normalbetrieb um.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird bei dieser Ausführungsform, wenn der Aufwärmbetrieb ausgeführt wird, die Spannungsänderungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der dem Brennstoffzellen-Stack abverlangten elektrischen Leistung, der während des Aufwärmbetriebs zu verwendenden Soll-Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks und der Ist-Ausgangsspannung bestimmt, und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks wird mit der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit zu der Soll-Ausgangsspannung geändert.
Ein aus einem Brennstoffzellen-Stack abziehbarer Strom ändert sich entsprechend der Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks, und je höher die Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist, desto größer wird der Betrag der momentanen Änderung des Ausgangsstroms (s. 4).
Dementsprechend kann der Brennstoffzellen-Stack rasch aufgewärmt werden, während gleichzeitig die benötigte Ausgangsleistung zur Verfügung gestellt wird, indem der Ausgangsstrom derart gesteuert wird, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks sukzessive entsprechend der dem Brennstoffzellen-Stack abverlangten elektrischen Leistung geändert wird.
B. Zweite Ausführungsform
6 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Controllers 70', der eine Aufwärmsteuerverarbeitung gemäß einer zweiten Ausführungsform ausführt, und 6 entspricht der vorherigen 4. Dementsprechend sind gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen angegeben, so dass auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
In einem Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt (Schwellwerteinstelleinheit) 70d' ist ein Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 eingestellt (s. 3). Der Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert (Spannungsschwellwert) V_a1 ist ein Schwellwert, der für eine Beurteilung verwendet wird, ob die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 rasch geändert (bei dieser Ausführungsform: rasch verringert) werden kann oder nicht, und ist ein über der Soll-Ausgangsspannung liegender Wert. Wie in 3 gezeigt ist, ändert sich in einem über dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegenden Spannungsbereich der Ausgangsstrom stark in Abhängigkeit von Änderungen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 (s. den Katalysator-Reduktionsbereich A1 in 3), während sich der Ausgangsstrom des Brennstoffzellen-Stacks 20 in einem unter dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegenden Spannungsbereich auch dann nicht stark ändert, wenn die Ausgangsspannung rasch geändert wird.
Auf der Grundlage solcher Charakteristiken wird bei dieser Ausführungsform, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 gleich oder höher als der Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 ist, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 mit einer vorausgehend eingestellten Spannungsänderungsgeschwindigkeit (bei dieser Ausführungsform: einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1) geändert; wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 hingegen unter dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegt, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit S2 geändert, die höher als die vorausgehend eingestellte Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist.
Genauer gesagt vergleicht der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt (Bestimmungseinheit) 70d' eine vom Spannungssensor 71 erfasste Ist-Ausgangsspannung mit dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1. Wenn die Ist-Ausgangsspannung gleich oder höher als der Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 ist, ändert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d' die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 unter Verwendung des Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitts 70c mit der vorausgehend eingestellten Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1. Wenn hingegen erfasst wird, dass die Ist-Ausgangsspannung unter dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegt, ändert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d' die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 zu der Soll-Ausgangsspannung mit der Spannungsänderungsgeschwindigkeit S2 (> S1), die höher als die vorausgehend eingestellte Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1 ist. Die Spannungsänderungsgeschwindigkeit S2 kann beliebig eingestellt werden; sie kann ein festgelegter Wert sein, oder sie kann auf geeignete Weise geändert werden.
C. Dritte Ausführungsform
7 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Controllers 70'', der eine Aufwärmsteuerverarbeitung gemäß einer dritten Ausführungsform ausführt, und 7 entspricht der vorherigen 6. Dementsprechend sind gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen angegeben, so dass auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
Ein Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' ist mit einem Zeitgeber 70e verbunden. Der Zeitgeber (Zähleinheit) 70e ist eine Einrichtung zum Zählen der Zeit seit dem Beginn der Spannungsverringerungsverarbeitung. Im Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' ist ein Verarbeitungsdauerschwellwert T1 voreingestellt. Der Verarbeitungsdauerschwellwert T1 ist ein Schwellwert, der für eine Beurteilung verwendet wird, ob die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 rasch geändert (bei dieser Ausführungsform: rasch verringert) werden kann oder nicht.
Wenn die Spannungsverringerungsverarbeitung beginnt, beginnt der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' die seit dem Beginn der Spannungsverringerungsverarbeitung vergangene Zeit (im Nachfolgenden als ”Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer” bezeichnet) unter Verwendung des Zeitgebers 70e zu zählen. Wenn erfasst wird, dass die Ist-Ausgangsspannung unter dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegt, nimmt der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' Bezug auf den Zeitgeber 70e, um die Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer zum gegenwärtigen Zeitpunkt zu überprüfen.
Wenn die vom Zeitgeber 70e gezählte Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer zum gegenwärtigen Zeitpunkt unter dem Verarbeitungsdauerschwellwert T1 liegt, ändert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 mit der vorausgehend eingestellten Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1. Wenn hingegen erfasst wird, dass die Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer den Verarbeitungsdauerschwellwert T1 überschreitet, ändert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt 70d'' die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 zur Soll-Ausgangsspannung mit der Spannungsänderungsgeschwindigkeit S2 (> S1), die höher als die vorausgehend eingestellte Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1 ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ändert der Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt (Bestimmungseinheit) 70d'' die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 zur Soll-Ausgangsspannung mit der Spannungsänderungsgeschwindigkeit S2 (> S1), die höher als die vorausgehend eingestellte Spannungsänderungsgeschwindigkeit S1 ist, wenn die Ist-Ausgangsspannung unter dem Umstellerlaubnis-Spannungsschwellwert V_a1 liegt und die Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer zum gegenwärtigen Zeitpunkt den Verarbeitungsdauerschwellwert T1 überschreitet. Der Grund für die Durchführung einer solchen Steuerung ist wie folgt. Falls eine Störung im Stromsensor 72 o. dgl. auftritt und ein höherer Stromwert als der tatsächliche Stromwert als Messwert (gemessener Stromwert) erfasst wird, würde die Stromabweichung klein werden, wie aus der Gleichung (6) zu ersehen ist, und der durch die Gleichung (7) erhaltene Spannungsbefehlswert wäre fast der gleiche wie der vorherige Spannungsbefehlswert, was dazu führen würde, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 beibehalten wird, ohne abzunehmen.
Wenn bei dieser Ausführungsform die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 nicht auf die Soll-Ausgangsspannung abnimmt, obgleich die Spannungsverringerungs-Verarbeitungsdauer zum gegenwärtigen Zeitpunkt den Verarbeitungsdauerschwellwert T1 überschreitet, wird bestimmt, dass irgendeine Störung oder dergleichen im Stromsensor 72 o. dgl. aufgetreten ist, und die Verarbeitung zum Verringern der Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 auf die Soll-Ausgangsspannung wird zwangsgesteuert ausgeführt. Bei einer solchen Konfiguration kann der Brennstoffzellen-Stack 20 auch dann rasch aufgewärmt werden, wenn eine Störung im Stromsensor 72 vorliegt usw. Es ist anzumerken, dass der Verarbeitungsdauerschwellwert T1 nach Belieben auf der Grundlage eines vorausgehend experimentell usw. erhaltenen Normaldauerbereichs eingestellt werden kann, wobei der Normaldauerbereich ein Bereich ist, in dem die Ausgangsspannung des Brennstoffzellen-Stacks 20 auf die Soll-Ausgangsspannung verringert werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Primärabschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung der Brennstoffzellensystem zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines Brennstoffzellen-Stacks ab dem Umstellen eines Betriebszustands zeigt.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Controllers, der eine Aufwärmsteuerverarbeitung ausführt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Aufwärmsteuerverarbeitung zeigt.
6 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Controllers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
7 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Controllers gemäß einer dritten Ausführungsform.
Erläuterung der Bezugszeichen

10: Brennstoffzellensystem, 20: Brennstoffzellen-Stack, 30: Oxidationsmittelgas-Zufuhrsystem, 40: Brennstoffgas-Zufuhrsystem, 50: Leistungssystem, 60: Kühlsystem, 70, 70', 70'': Controller, 70a: Aufwärmzeit-Beurteilungsabschnitt, 70b: Sollverschiebungsspannung-Bestimmungsabschnitt, 70c: Spannungsänderungsgeschwindigkeit-Bestimmungsabschnitt, 70d, 70d', 70d'' Spannungsverringerungs-Durchführungsabschnitt, 70e: Zeitgeber

Claims

Brennstoffzellensystem (10) zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle (20), indem es einen niedereffizienten Betrieb mit einem Leistungserzeugungswirkungsgrad ausführt, der niedriger als derjenige eines Normalbetriebs ist, wobei das Brennstoffzellensystem folgendes aufweist: einen als Computersystem ausgebildeten Controller (70), der eingerichtet ist: mittels einer Beurteilungseinheit (70a) zu beurteilen, ob es an der Zeit ist, ein Aufwärmen der Brennstoffzelle (20) zu starten; mittels einer Einstelleinheit (70b) eine Soll-Aufwärmspannung der Brennstoffzelle (20) einzustellen; mittels einer Erfassungseinheit (71) eine Ist-Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) zu erfassen; und mittels einer Bestimmungseinheit (70c) eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung auf der Grundlage einer abverlangten elektrischen Leistung, der erfassten Ausgangsspannung und der Soll-Aufwärmspannung zu bestimmen, wenn festgestellt wird, dass es an der Zeit ist, die Brennstoffzelle (20) zu starten und die Ausgangsspannung auf die Soll-Aufwärmspannung verringert werden soll; und wobei der Controller (70) eingerichtet ist, einen DC/DC-Wandler (51) derart zu steuern, dass dieser die Ausgangsspannung mit der bestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeit derart auf die Soll-Aufwärmspannung verringert, dass die abverlangte elektrische Leistung erhalten wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, welches ferner eine Temperaturerfassungseinheit (74) aufweist, die eine für die Brennstoffzelle (20) relevante Temperatur erfasst, wobei die Beurteilungseinheit (70a) auf der Grundlage der relevanten Temperatur bestimmt, ob es an der Zeit ist, das Aufwärmen der Brennstoffzelle (20) zu starten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Einstelleinheit (70b) die Soll-Aufwärmspannung zumindest entsprechend der relevanten Temperatur, einem benötigten Wärmeerzeugungsbetrag und/oder der abverlangten elektrischen Leistung ändert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Erfassungseinheit (71) öfter als einmal zu beliebigen Zeitpunkten Ist-Ausgangsspannungen erfasst, bis die Ausgangsspannung auf die Soll-Aufwärmspannung verschoben ist; und die Bestimmungseinheit (70c) die Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung immer dann, wenn eine Erfassung stattfindet, auf der Grundlage der dem System abverlangten elektrischen Leistung, der erfassten Ausgangsspannung und der Soll-Aufwärmspannung bestimmt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches ferner eine Schwellwerteinstelleinheit (70d') aufweist, die einen über der Soll-Aufwärmspannung liegenden Spannungsschwellwert einstellt, wobei der Controller (70), wenn die Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert abfällt, die Ausgangsspannung mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit, die höher als die Spannungsänderungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Abfalls der Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert ist, auf die Soll-Aufwärmspannung verschiebt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, welches ferner eine Zähleinheit (70e) aufweist, die die seit dem Beginn des Verschiebens der Ausgangsspannung vergangene Zeit zählt, wobei die Bestimmungseinheit (70c), wenn die Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert abfällt und die vergangene Zeit einen Zeitschwellwert überschreitet, die Ausgangsspannung mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit, die höher als die Spannungsänderungsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt des Abfalls der Ausgangsspannung unter den Spannungsschwellwert und des Überschreitens eines Zeitschwellwerts durch die vergangene Zeit ist, auf die Soll-Aufwärmspannung verschiebt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die Brennstoffzelle (20) ein Äquivalenzschaltbild besitzt, in dem eine ideale Brennstoffzelle und ein Kondensator parallel geschaltet sind; und die Bestimmungseinheit (70c) eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung unter Berücksichtigung einer Kapazitätskomponente des Kondensators in der Brennstoffzelle bestimmt.