DE112008003315T5

DE112008003315T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008003315T5
Application number: DE112008003315T
Authority: DE
Inventors: Naoki Toyota-shi Kanie; Yoshiaki Toyota-shi Naganuma; Tomoya Toyota-shi Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: WO2009081697A1; CN101911358A; KR20100061757A; KR101224527B1; DE112008003315B4; CN101911358B; US20100266920A1; JP4524804B2; US8691453B2; JP2009158209A

Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend ein in einem Bypasspfad zwischen der Luftversorgungsseite einer Brennstoffzelle und deren Luftauslaßseite vorgesehenen Bypassventil, bei welchem, wenn eine Störung im Bypassventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, der Druck auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle reduziert wird, um die Menge des abzuleitenden Kathodenabgases zu vergrößern, und die Luftzufuhr reduziert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff versehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Unter den Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Leistung unter Anwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff sind Brennstoffzellen mit Polymerelektrolyt allgemein bekannt. Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfaßt einen Stapel, der aus einer Anzahl gestapelter Zellen besteht. Die den Stapel bildenden Zellen schließen jeweils eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Luftelektrode) und eine feste Polymerelektrolyt-Membran ein, und eine Sulfonsäuregruppe ist als eine Ionenaustauschgruppe zwischen jeweils einer Anode und einer Kathode eingefügt.
Ein ein Brenngas enthaltendes Brenngas (mit Wasserstoff angereicherter reformierter Wasserstoff, der durch Reformierung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff erhalten wird) wird der Anode zugeführt, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Oxidansgas), beispielsweise Luft, der Kathode als Oxidationsmittel zugeleitet wird. Nach der Zuführung des Brenngases zur Anode reagiert der im Brenngas enthaltene Wasserstoff mit einem in einer die Anode bildenden Katalysatorschicht enthaltenen Katalysator, wodurch Wasserstoffionen entstehen. Die erzeugten Wasserstoffionen treten durch die feste Polymerelektrolytmembran hindurch und reagieren elektrisch mit dem Sauerstoff in der Kathode. Es wird so durch die elektrochemische Reaktion elektrische Leistung erzeugt.
Indessen gefriert in Brennstoffzellensystemen beim Versuch, bei niedriger Temperatur zu starten, beim letzten Stoppen gegebenenfalls in einer Brennstoffzelle verbliebenes Wasser und kann das System unfähig machen, zu starten. Selbst wenn das System gestartet werden kann, kann durch seine eigene Reaktion erzeugtes Wasser gefrieren und einen Stopp der Leistungserzeugung verursachen.
Im Lichte solcher Umstände wurde der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung von Brennstoffzellen gesteuert, um die Selbstbeheizungsleistung zu steuern. Um die Selbstbeheizungsleistung zu steigern, wird eine Brennstoffzelle mit einer knappen Einspeisung von Reaktionsgas betrieben, beispielsweise durch eine Reduzierung der Einspeisung von Reaktionsgas oder Veranlassung eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle, so daß eine Überspannung zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle erhöht wird. Dabei besteht die Möglichkeit, daß – wenn die Einspeisung von Reaktionsgas reduziert wird, um die Spannung der Brennstoffzelle im Bereich von 0 Volt zu halten – in einer Zelle eine Potentialumkehr erzeugt wird, die zur Folge hat, daß einer Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt wird, und über einen Luftableitungspfad ausgeleitet wird. Demgemäß wurde vorgeschlagen, daß ein Umgehungspfad vorgesehen wird (ergänzt bei der Übersetzung) zur Verbindung der stromab gelegenen Seite eines in einem Luftversorgungspfad vorgesehenen Luftgebläses mit dem Luftableitungspfad, so daß die vom Luftgebläse zugeführte Außenluft über den Umgehungspfad in den Luftableitungspfad eingeleitet wird, um den Wasserstoff innerhalb des Luftableitungspfads zu verdünnen (siehe Patentdokument 1).
Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2006-73501
Offenbarung der Erfindung
Falls in einem Bypass-Ventil zur Steuerung einer im Umgehungspfad zur Verdünnung des Wasserstoffs im Luftableitungspfad strömenden Luftmenge eine Störung auftritt – beispielsweise falls das Bypass-Ventil aufgrund von Einfrieren usw. unfähig wird, sich zu bewegen (nachfolgend als „Ventilblockieren” bezeichnet), wodurch das Ventil unfähig wird, sich zu öffnen (nachfolgend als „Störung mit geschlossenem Ventil” bezeichnet) – tritt während der Aufheizung einer Brennstoffzelle durch Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad mit einer reduzierten Zuleitung von Reaktionsgas ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in der Brennstoffzelle auf, was eine Zunahme der I-V-Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle und die Erzeugung einer übermäßigen Leistungserzeugungsenergie zur Folge haben kann.
Wenn in einem solchen Zustand eine Umformerspannungssteuerung durchgeführt wird, fließt in einem Gleichspannungswandler und einem Sammler ein Überstrom, der den Gleichspannungswandler und den Sammler zerstören kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel aufgrund der Zunahme des Luftdrucks zerstört werden, wenn ein Gegendruckventil (Druckregelventil) bei einem eingefrorenen und betriebsunfähigen Ventilsensor in den geschlossenen Zustand gesteuert wird.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen ersichtlich.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, das in der Lage ist, ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in einer Brennstoffzelle selbst dann zu verhindern, wenn ein Fehler bei einem Bypass-Ventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt.
Um das obige Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, umfassend ein in einem Bypasspfad zwischen der Luftversorgungsseite einer Brennstoffzelle und deren Luftauslaßseite vorgesehenen Bypassventil, bei welchem, wenn eine Störung im Bypassventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, der Druck auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle reduziert wird, um die Menge des abzuleitenden Kathodenabgases zu vergrößern, und die Luftzufuhr reduziert wird.
Mit einer solchen Gestaltung wird, wenn eine Störung im Bypassventil während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, der Druck auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle (z. B. der Kathodenabgasströmungspfad) reduziert, um die Menge des abzuführenden Kathodenabgases zu erhöhen, während die Luftzufuhr reduziert und ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis im Brennstoffzellensystem verhindert werden kann, wodurch ein Ausfall des Systems aufgrund der Erzeugung übermäßiger Leistungserzeugungsenergie verhindert werden kann.
Das System kann die unten genanten zusätzlichen Elemente einschließen. Vorzugsweise schließt das Brennstoffzellensystem ein auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle vorgesehenes Luftgegendruckventil und einen Luftkompressor zur Zufuhr von Luft zur Luftversorgungsseite der Brennstoffzelle ein, bei welcher, wenn eine Störung im Bypassventil auftritt, der Öffnungsgrad des Luftgegendruckventils vergrößert und die Drehzahl des Luftkompressors verringert wird.
Mit einer solchen Gestaltung kann, wenn eine Störung im Bypassventil auftritt, ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in der Brennstoffzelle durch Vergrößerung des Öffnungsgrads des Luftgegendruckventils und Reduzierung der Drehzahl des Luftkompressors verhindert werden.
Vorzugsweise schließt das Brennstoffzellensystem ein: einen Bypass-Störungsdetektor zur Feststellung einer Störung im Bypassventil und eine Steuereinheit zur Steuerung des Luftgegendruckventils und des Luftkompressors, bei welchem die Steuereinheit ansprechend auf die Ausgabe einer Feststellung aus dem Bypass-Störungsdetektor den Öffnungsgrad des Luftgegendruckventils erhöht und die Drehzahl des Luftkompressors verringert.
Mit einer solchen Gestaltung erhöht die Steuereinheit, wenn der Bypass-Störungsdetektor eine Störung im Bypassventil feststellt, den Öffnungsgrad des Luftgegendruckventils, während die Drehzahl des Luftkompressors reduziert wird, wodurch automatisch ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in der Brennstoffzelle verhindert wird.
Vorzugsweise überwacht der Bypass-Störungsdetektor den Druck auf der Luftauslaßseite des Luftkompressors und stellt eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung fest, wenn der Druck einen unnormalen Wert zeigt.
Mit einer solchen Gestaltung kann eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung festgestellt werden, wenn der Druck auf der Luftauslaßseite des Luftkompressors einen unnormalen Wert zeigt.
Vorzugsweise stellt der Bypass-Störungsdetektor eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung fest, wenn ein absoluter Wert oder die Veränderungsgeschwindigkeit eines Stroms der Brennstoffzelle eine Stromschwelle überschreitet.
Mit einer solchen Gestaltung kann eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung festgestellt werden, wenn der absoluter Wert oder die Veränderungsgeschwindigkeit eines Stroms der Brennstoffzelle eine Stromschwelle überschreitet.
Vorzugsweise schließt der Bypass-Störungsdetektor ein: einen Druckfühler zur Feststellung eines Drucks auf der Luftauslaßseite des Luftkompressors und eine Druckbeurteilungseinheit zur Beurteilung einer mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundenen Störung, wenn ein vom Druckfühler festgestellter Druck eine Druckschwelle überschreitet.
Mit einer solchen Gestaltung kann eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundenen Störung festgestellt werden, wenn ein vom Druckfühler festgestellter Druck die Druckschwelle überschreitet.
Vorzugsweise schließt der Bypass-Störungsdetektor ein: einen Stromfühler zur Feststellung des Stroms der Brennstoffzelle und eine Strombeurteilungseinheit zur Beurteilung einer mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundenen Störung, wenn die Differenz zwischen einem vom Stromfühler festgestellten Strom und einem Strombefehlswert eine Stromschwelle überschreitet.
Mit einer solchen Gestaltung wird der Strom der Brennstoffzelle ermittelt und wenn die Differenz zwischen einem vom Stromfühler festgestellten Strom und einem Strombefehlswert eine Stromschwelle überschreitet, kann eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung festgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung kann ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in der Brennstoffzelle während einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad verhindern und damit den Ausfall des Systems aufgrund der Erzeugung einer übermäßigen Leistungserzeugungsenergie.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Brennstoffzellenstrom und einer Brennstoffzellenspannung gemäß der Ausführungsform zeigt.
3A ist eine Abbildung, die einen Mechanismus darstellt, durch den gemäß der Ausführungsform Pumpwasserstoff erzeugt wird.
3B ist eine Abbildung, die einen Mechanismus darstellt, durch den gemäß der Ausführungsform Pumpwasserstoff erzeugt wird.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das das während einer Schnellaufheizung stattfindende Verfahren zur Beurteilung des Ventilklemmens erläutert.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das das Berechnungsverfahren für den dem Öffnungsgrad eines Bypass-Ventils zugeordneten Befehlswert beim Schnellauf heizen unter normalen Bedingungen erläutert.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Berechnungsverfahren für den dem Öffnungsgrad des Bypass-Ventils zugeordneten Befehlswert erläutert, wenn beim Schnellaufheizen ein Fehler auftritt.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das das Schaltungsbeurteilungsverfahren für ein Druckregelventil erläutert, wenn das Bypassventil festsitzt.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensweise für das Druckregelventil bei einem Zustand des Spannungsabfalls erläutert.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensweise für einen Luftkompressor während einer Schnellaufheizung erläutert.
10 ist ein Blockschaltbild, das die Steuerung der Luftzufuhr und die Steuerung der Wasserstoffverdünnung während einer Schnellaufheizung darstellt.
Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
Nun wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die 1 ist ein Blockschaltbild, das eine erste Gestaltung bei einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt.
Diese Ausführungsform setzt in Fahrzeuge, wie Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge (FCHV), Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge eingebaute Brennstoffzellensysteme voraus, doch kann das Brennstoffzellensystem nicht nur bei Fahrzeugen angewandt werden, sondern auch bei verschiedenen mobilen Objekten, (beispielsweise Schiffen, Flugzeugen und Robotern), sowie bei stationären Leistungsversorgungen.
Das Brennstoffzellensystem 100 schließt ein Brenngasumlauf-/Versorgungssystem und ein Oxidansgasversorgungssystem ein.
Das Brenngasumlauf-/Versorgungssystem schließt eine Brenngasversorgungsquelle 30, einen Brenngasversorgungspfad 21, eine Brennstoffzelle 40, einen Brenngasumlaufpfad 22 und einen Anodenabgas-Strömungspfad 23 ein. Das Oxidansgasversorgungssystem schließt einen Luftkompressor 60, einen Oxidansgasversorgungspfad 11 und einen Kathodenabgas-Strömungspfad 12 ein.
Die Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus eingespeisten Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidansgas) und besitzt eine stapelartige Struktur, in der eine Mehrzahl von Zelleneinheiten, deren jede mit einer MEA (Membran/Elektroden-Anordnung) usw versehen ist, in Reihe gestapelt sind. Insbesondere können verschiedene Bauarten von Brennstoffzellen verwendet werden, wie Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen und Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen.
Die Brenngasversorgungsquelle 30 ist ein Mittel zur Einleitung eines Brenngases, wie eines Wasserstoffgases, in die Brennstoffzelle 40 und wird typischerweise von einem Hochdruckwasserstofftank, einem Wasserstoffspeichertank, usw. gebildet. Der Brenngasversorgungspfad 21 ist ein Gasströmungspfad, um von der Brenngasversorgungsquelle 30 ausgegebenes Brenngas einer Anode der Brennstoffzelle 40 zuzuleiten, und der Gasströmungspfad ist von der stromauf gelegenen Seite zur stromab gelegenen Seite mit Ventilen, wie einem Tankventil H1, einem Wasserstoffversorgungsventil H2 und einem Brennstoffzelleneinlaßventil H3 versehen. Das Tankventil H1, das Wasserstoffversorgungsventil H2 und das Brennstoffzelleneinlaßventil H3 sind Absperrventile zur Zuleitung (oder Sperrung der Zuleitung) von Brenngas zu den Gasströmungspfaden 21 bis 23 oder der Brennstoffzelle 40, und diese Ventile sind in typischer Weise als Solenoidventile ausgebildet.
Der Brenngasumlaufpfad 22 ist ein Pfad zur Gasrückführung, der Gas, das nicht der Reaktion unterzogen worden ist, zur Brennstoffzelle 40 zurückführt, und ist in der Richtung von der stromauf gelegenen Seite zur stromab gelegenen Seite mit einem Brennstoffzellenauslaßventil H4, einer Wasserstoffpumpe 50 und einem Rückschlagventil 51 versehen. Aus der Brennstoffzelle 40 abgeleitetes, unter niedrigem Druck stehendes Gas, das nicht der Reaktion unterzogen worden ist, wird durch die Wasserstoffpumpe 50 auf einen geeigneten Druck gebracht und dann dem Brenngasversorgungspfad 21 zugeführt. Der Rückfluß von Brenngas vom Brenngasversorgungspfad 21 zum Brenngasumlaufpfad 22 wird durch das Rückschlagventil 51 verhindert.
Der Anodenabgas-Strömungspfad 23 ist ein Gasströmungspfad, der dazu dient, das Anodenabgas enthaltende, aus der Brennstoffzelle 40 austretende Wasserstoffabgas nach der Außenseite des Systems abzuleiten, und ist mit einem Ablaßventil H5 im Gasströmungspfad versehen.
Der Oxidansgasversorgungspfad 11 im Oxidansgasversorgungssystem ist ein Pfad auf der Zuleitungsseite der Brennstoffzelle 40 und ist mit einem Kathodeneinlaß der Brennstoffzelle 40 über den Luftkompressor 60 und ein Befeuchtungsmodul 70 verbunden. Der Kathodenabgas-Strömungspfad 12 ist ein Pfad auf der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 40 und verbindet einen Kathodenauslaß der Brennstoffzelle 40 mit einer Verdünnungseinheit 80 über ein Druckregelventil A1 und das Befeuchtungsmodul 70.
Der Luftkompressor (die Gasversorgungsquelle) 60 führt über einen (nicht gezeigten) Luftfilter eingeleitete Luft (Oxidansgas; Kathodengas) von der Außenseite über den Kathodeneinlaß der Kathode der Brennstoffzelle 40 zu. Kathodenabgas wird aus dem Kathodenauslaß der Brennstoffzelle 40 ausgeleitet. Das Kathodenabgas enthält Oxidansabgas nach der Nutzung für die Zellenreaktion der Brennstoffzelle 40 und enthält auch in der Kathode erzeugten Pumpwasserstoff (später detaillierter beschrieben). Das Kathodenabgas weist einen hohen Feuchtigkeitsgehalt auf, weil es Feuchtigkeit enthält, die bei der Zellenreaktion der Brennstoffzelle 40 erzeugt wird.
Das Befeuchtungsmodul 70 tauscht Feuchtigkeit zwischen dem wenig feuchten, im Oxidansgasversorgungspfad 11 strömenden Oxidansgas und dem im Kathodenabgasströmungspfad 12 strömenden, hochfeuchten Kathodenabgas aus, wodurch das der Brennstoffzelle 40 zuströmende Oxidansgas ausreichend befeuchtet wird. Der Gegendruck des der Brennstoffzelle 40 zuzuleitenden Oxidansgases wird durch das von einer Steuervorrichtung 160 gesteuerte Druckregelventil A1 geregelt, das in der Nähe des Kathodenauslasses des Kathodenabgasströmungspfades 12 vorgesehen ist. Der sich vom Luftkompressor 60 zum Befeuchtungsmodul 70 erstreckende Oxidansgasver sorgungspfad 11 ist mit einem Druckfühler P1 zur Feststellung des Drucks des zugeleiteten Oxidansgases und einem Temperaturfühler T1 zur Feststellung der Temperatur des überwachten Oxidansgases versehen.
Der sich vom Luftkompressor 60 zum Befeuchtungsmodul 70 erstreckende Oxidansgasversorgungspfad 11 und der sich vom Befeuchtungsmodul 70 zur Verdünnungseinheit 80 erstreckende Kathodenabgasströmungspfad 12 sind mit einander über ein Bypassventil B1 verbunden. Das Bypassventil (Bypassvorrichtung) B1 und ein Bypasspfad (Bypassvorrichtung) 31 umgehen die Brennstoffzelle 40 und leiten einen Teil des im Oxidansgasversorgungspfad 11 strömenden Oxidansgases dem Kathodenabgasströmungspfad (Ableitungspfad) 12 zu und eine Menge des umzuleitenden Oxidansgases (nachfolgend als „Bypassluft” bezeichnet) wird durch die Steuervorrichtung (Regler) 160 gesteuert. Der Bypasspfad 31 ist mit einem Druckfühler P2 zur Feststellung des Drucks der Bypassluft vor deren Durchtritt durch das Bypassventil B1 (Primärdruck) versehen und mit einem Druckfühler P3 zur Feststellung des Drucks der Bypassluft nach deren Durchtritt durch das Bypassventil B1 (Sekundärdruck). Außerdem ist in der Nähe des Bypassventils B1 ein Fühler (Detektor) 180 für die Ventilposition des Bypassventils B1 durch Steuerung mittels der Steuervorrichtung (Detektor) 160 vorgesehen.
Die Verdünnungseinheit 80 verdünnt die Konzentration des abzuleitenden Wasserstoffgases derart, daß sie sich im zulässigen Konzentrationsbereich (z. B. ein anhand von Umweltstandards definierter Bereich) befindet. Die Verdünnungseinheit 80 ist mit der stromab gelegenen Seite des Kathodenabgas-Strömungspfads 12 und der stromab gelegenen Seite des Anodenabgas-Strömungspfads 23 verbunden, verdünnt Wasserstoffabgas und Pumpwasserstoff durch Vermischung mit Sauerstoffabgas und Bypassluft und leitet dann diese Gase nach der Außenseite des Systems ab.
Die Spannung eines Teils der durch die Brennstoffzelle 40 erzeugten Gleichstromleistung wird durch einen Gleichspannungswandler 130 erhöht oder verringert und dann zum Laden der Batterie 140 benutzt.
Die Batterie 140 ist eine aufladbare Sekundärbatterie und wird durch verschiedene Bauarten von Sekundärbatterien (z. B. eine Nickel-Wasserstoff-Batterie) gebildet. Offensichtlich kann statt einer Sekundärbatterie 140 ein aufladbarer und entladbarer Kondensator verwendet werden.
Ein Antriebsumrichter 110 und ein Hilfsumrichter 120 sind Impulsbreitemodulierte(PWM)-Wandler, die eine Ausgangsgleichstromleistung aus der Brennstoffzelle 40 oder der Batterie 140 gemäß einem gegebenen Steuerbefehl in eine Dreiphasenwechselstromleistung umwandeln und die Dreiphasenwechselstromleistung einem Fahrmotor M3 und einem Hilfsmotor M4 zuleiten.
Der Fahrmotor M3 ist ein den Antriebsrädern 150L und 150R zu deren Antrieb zugeordneter Motor und der Hilfsmotor M4 dient zum Antrieb jeder der Hilfsvorrichtungen. Der Hilfsmotor M4 ist ein Oberbegriff, der sich sowohl auf einen Motor M1 für den Antrieb der Wasserstoffpumpe 50, als auch auf einen Motor M2 zum Antrieb des Luftkompressors 60 bezieht.
Die Steuervorrichtung 160 wird von einer CPU, einem ROM oder RAM gebildet, das eine zentrale Steuerung für jeden Abschnitt des Systems basierend auf jedem eingegebenen Fühlersignal vorsieht. Insbesondere steuert die Steuervorrichtung 160 Ausgangsimpulsbreiten der Umrichter 110 und 120 auf der Basis der Eingabe von Fühlersignalen von einem Fahrpedalfühler S1 zur Ermittlung des Öffnungsgrades eines Fahrpedals, eines SOC-Fühlers S2 zur Ermittlung des Ladungszustands (SOC = state of charge) der Batterie 140 während ihrer Ladung, eines dem Fahrmotor zugeordneten Drehzahlfühler S3 zur Ermittlung der Drehzahl des Fahrmotors M3, eines Spannungsfühlers S4 zur Ermittlung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 und eines Stromfühlers S5 zur Ermittlung eines Ausgangsstroms, wie auch auf der Basis von Fühlersignalen, die von anderen Fühlern, wie den Temperaturfühlern T1 und T2 und den Druckfühlern P1 bis P3 eingegeben werden.
Wenn für die Steuervorrichtung 160 die Notwendigkeit besteht, die Brennstoffzelle 40 aufzuheizen, beispielsweise wenn das System bei niedriger Temperatur gestartet wird, benutzt die Steuervorrichtung 160 in einem Speicher 170 gespeicherte Kennfelder mp1 bis mp5 usw., um eine Aktion zur Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad auszuführen.
Die 2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Ausgangsstrom (Brennstoffzellenstrom) und einer Ausgangsspannung (Brennstoffzellenspannung) zeigt, wo die ausgezogene Linie eine Aktion mit einem hohen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung (eine normale Aktion) zeigt und die unterbrochene Linie eine Aktion mit einem geringen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung (Aktion mit geringem Wirkungsgrad), die durch Reduzierung der Oxidansgasmenge durchgeführt wird. Es ist anzumerken, daß die horizontale Achse den Brennstoffzellenstrom repräsentiert, während die vertikale Achse die Brennstoffzellenspannung repräsentiert.
Wenn die Brennstoffzelle 40 normal betrieben wird, wird die Brennstoffzelle 40 in einem Zustand betrieben, in dem das stöchiometrische Luftverhältnis auf 1,0 oder höher (theoretischer Wert) eingestellt ist, so daß mit reduziertem Leistungsverlust eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden kann (siehe ausgezogene Linie in 2). Der hier benutzte Begriff „stöchiometrisches Luftverhältnis” bezieht sich auf das Verhältnis der übermäßig zugeführten Luft zu theoretisch für die Erzeugung des Brennstoffzellenstroms erforderlichen Luftzufuhr.
Andererseits wird bei der Aufheizung der Brennstoffzelle 40 die Brennstoffzelle 40 in einem Zustand betrieben, in welchem das stöchiometrische Luftverhältnis auf um 1,0 (theoretischer Wert) eingestellt wird, um mit erhöhtem Leistungsverlust die Temperatur der Brennstoffzelle 40 anzuheben (siehe unterbrochene Linie in 2). Wenn die Brennstoffzelle 40 mit einem niedrigen stöchiometrischen Luftverhältnis betrieben wird, wird ein Leistungsverlust (d. h. ein Wärmeverlust) bei der durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erhaltenen Energie aktiv erhöht, während in der Kathode Pumpwasserstoff erzeugt wird.
Die 3 ist eine Abbildung, die einen Mechanismus darstellt, durch den Pumpwasserstoff erzeugt wird, wobei die 3A eine Zellenreaktion während der normalen Aktion und 3B die Zellenreaktion während der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt.
Jede Zelle 4 schließt ein: eine Elektrolytmembran 4a, sowie eine Anode und eine Kathode, die sandwichartig die Elektrolytmembran 4a einschließen. Wasserstoff (H₂) enthaltendes Brenngas wird der Anode zugeleitet und Sauerstoff (O₂) enthaltendes Oxidansgas der Kathode. Nach der Zufuhr des Brenngases zur Anode läuft die Reaktion nach der unten wiedergegebenen Formel (A) ab und der Wasserstoff wird in ein Wasserstoffion und ein Elektron dissoziiert. Das in der Anode erzeugte Wasserstoffion dringt durch die Elektrolytmembran 4a und bewegt sich zur Kathode, während das Elektron sich über eine externe Schaltung von der Anode zur Kathode bewegt.
Wenn die Versorgung der Kathode mit Oxidansgas ausreichend ist (stöchiometrisches Luftverhältnis ≥ 1,0), läuft die Reaktion nach der unten wiedergegebenen Formel (B) ab und aus dem Wasserstoffion und dem Elektron wird Wasser gebildet (siehe 3A). Andererseits, wenn die Versorgung der Kathode mit Oxidansgas nicht ausreichend ist, beispielsweise während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad (stöchiometrisches Luftverhältnis ≤ 1,0), läuft die Reaktion nach der unten wiedergegebenen Formel (C) in Übereinstimmung mit der Kürzugsmenge des Oxidansgases ab und das Wasserstoffion und das Elektron werden wieder vereinigt, um Wasserstoff zu bilden (siehe 3B). Der erzeugte Wasserstoff wird zusammen mit dem Sauerstoffabgas von der Kathode ausgeleitet. Es ist zu beachten, daß der in der Kathode als Ergebnis der Wiedervereinigung des dissoziierten Wasserstoffions und des Elektrons erzeugte Wasserstoff, d. h. in der Kathode erzeugtes Anodengas, als „Pumpwasserstoff” bezeichnet wird. Anode H₂ → 2H⁺ + 2e^– (A) Kathode 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O (B) Kathode 2H⁺ + 2e^– → H₂ (C)
Weil der Pumpwasserstoff, wie oben beschrieben, im Kathodenabgas enthalten ist, wird bei solch einer knappen Versorgung der Kathode mit Oxidansgas der Öffnungsgrad etc. des Bypassventils B1 entsprechend der im Kathodenabgas enthaltenen Menge von Pumpwasserstoff eingestellt. Durch Einstellung des Bypassluft wie oben beschrieben, kann die Konzentration des auszuleitenden Wasserstoffs derart verdünnt werden, daß sie innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt, während das Oxidansgas der Brennstoffzelle 40 in einer Menge zugeführt wird, die für die Erzeugung elektrischer Leistung erforderlich ist.
Wenn in einer Umgebung mit niedriger Umgebungstemperatur die Brennstoffzelle 40 durch Ausführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad aufgeheizt wird und falls dabei durch Gefrieren etc. eine Störung im Bypassventil B1 auftritt und sein Ventilkörper festsitzt, wodurch eine Fehlfunktion des geschlossenen Zustands verursacht wird, wird das vom Luftkompressor 60 zugeführte Oxidansgas unfähig, über den Bypasspfad 31 umgeleitet zu werden oder der Durchfluß der Bypassluft wird unsteuerbar, was dazu führt, daß mehr Oxidansgas als für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad erforderlich der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird, wodurch ein exzessives stöchiometrisches Luftverhältnis in der Brennstoffzelle verursacht wird, woraus sich der Nachteil ergibt, daß im Gleichspannungswandler 130 und der Batterie 140 entsprechend der Zunahme der Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle 40 ein Überstrom fließt.
Demgemäß wird bei dieser Ausführungsform, falls eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils B1 verbundene Störung während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, um die Versorgung der Brennstoffzelle 40 mit dem für die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad erforderlichen Oxidansgases zu reduzieren, der Öffnungsgrad des Druckregelventils A1 als eines Luftgegendruckventils erhöht, um die Menge des Kathodenabgases zu erhöhen, das durch Reduzierung des Drucks im Kathodenabgas-Strömungspfad 12 abgeführt werden soll, und es wird die Drehzahl des Luftkompressors 60 reduziert, um die Menge der vom Luftkompressor 60 gelieferten Luft zu reduzieren.
Mit anderen Worten, wird bei dieser Ausführungsform, wenn die Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad stattfindet, ein vom Druckfühler P1 oder P2 ermittelter Druck, oder ein vom Stromfühler S5 ermittelter Strom von der Steuervorrichtung 160 überwacht, und das Vorhandensein einer Störung beim Bypassventil B1 wird auf der Basis des Ausgangs eines dieser Fühler festgestellt, so daß die normale Verfahrensweise unter normalen Bedingungen durchgeführt wird, während bei der Feststellung einer Störung der Öffnungsgrad des Druckregelventils A1 und die Drehzahl des Luftkompressors 60 gesteuert werden, um der Störung zu begegnen.
Dabei dient als ein Element eines Bypass-Störungsdetektors die Steuervorrichtung 160 auch als eine Druckfeststellungseinheit, die eine Störung feststellt, die sich durch eine Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils B1 ergibt, wenn der durch den Druckfühler P1 (oder P2) zur Ermittlung des Luftdrucks auf der Luftabgabeseite des Luftkompressors 60 festgestellte Druck eine Druckschwelle überschreitet; und eine Stromermittlungseinheit, die eine Störung feststellt, die sich aus einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils B1 ergibt, wenn eine Differenz zwischen dem vom Stromfühler S5 zur Ermittlung des Stroms der Brennstoffzelle 40 festgestellten Strom und einem Strombefehlswert eine Stromschwelle überschreitet. Außerdem fungiert die Steuervorrichtung 160 als ein Regler zur Steuerung des Öffnungsgrads des Druckregelventils A1 in zunehmendem Sinne, und zur Steuerung der Drehzahl des Luftkompressors 60 in abnehmendem Sinne, ansprechend auf die Ermittlungsausgaben des Bypass-Störungsdetektors.
Nun wird die Aktion des Brennstoffzellensystems während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad beschrieben.
Verfahrensweise bei normaler Aktion des Bypassventils.
Die Steuervorrichtung 160 beurteilt, ob eine durch den Temperaturfühler T2 ermittelte Brennstoffzellentemperatur unter einer in einem (nicht gezeigten) Fühler eingestellten Bezugstemperatur liegt. Dabei ist die Bezugstemperatur eine Temperatur (beispielsweise 0°C), die benutzt wird, um zu beurteilen, ob eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt werden solle oder nicht, wenn das System gestartet wird. Die Bezugstemperatur kann voreingestellt werden, bevor ein Produktsystem ausgeliefert wird, oder kann alternativ so gestaltet sein, daß es beliebig einstellbar oder veränderbar ist durch Verwendung von Knöpfen etc..
Wenn festgestellt wird, daß die Brennstoffzellentemperatur über der Bezugstemperatur liegt, startet die Steuervorrichtung 160 eine normale Betriebsweise und beendet das Verfahren.
Andererseits bestimmt, wenn festgestellt wird, daß die Brennstoffzellentemperatur unter der Bezugstemperatur liegt, die Steuervorrichtung 160 einen Zielbetriebspunkt (It, Vt) (siehe 2) für die Aktion mit niedrigern Wirkungsgrad und nimmt Bezug auf ein in einem Speicher 170 gespeichertes Kennfeld mp1 für das einem niedrigen Wirkungsgrad zugeordnete stöchiometrische Luftverhältnis, um die Aktion mit einem niedrigen Wirkungsgrad zu starten. Das Kennfeld mp1 für das einer Aktion mit einem niedrigen Wirkungsgrad zugeordnete stöchiometrische Luftverhältnis wird benutzt, um ein stöchiometrisches Luftverhältnis basierend auf einem Brennstoffzellenstrombefehlswert It und einem Brennstoffzellenspannungsbefehlswert Vt zu bestimmen, und wurde vorbereitet auf der Basis von Werten, die durch Versuche etc. gewonnen wurden. Die Steuervorrichtung 160 bestimmt ein stöchiometrisches Luftverhältnis Ra am oben erwähnten Betriebspunkt unter Verwendung des ermittelten Brennstoffzellenstrombefehlswerts It und des ermittelten Brennstoffzellenspannungsbefehlswerts Vt und des Kennfelds mp1 für das einer Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zugeordnete stöchiometrische Luftverhältnis.
Nach Bestimmung des stöchiometrischen Luftverhältnisses Ra bezieht sich die Steuervorrichtung 160 auf ein Kennfeld mp2 für die Menge des Pumpwasserstoffs und ein Kennfeld mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs, die im Speicher 170 gespeichert sind. Das Kennfeld mp2 für die Menge des Pumpwasserstoffs wird benutzt, um die Menge des entstehenden Pumpwasserstoffs (Pumpwasserstoffmenge) auf der Basis des Brennstoffzellenstrombefehlswerts It, des festgestellten stöchiometrischen Luftverhältnisses Ra und der durch einen Temperaturfühler S6 festgestellten Temperatur der Brennstoffzelle 40 abzuschätzen und wurde auf der Basis von Werten vorbereitet, die durch Versuche etc. erhalten wurden. Das Kennfeld mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs ist ein Kennfeld zur Abschätzung der Menge des Anodenabgas enthaltenden Wasserstoffabgases (Menge des abgeführten Wasserstoffs) auf der Basis des Brennstoffzellenstroms.
Die Steuervorrichtung 160 schätzt eine Menge Ap1 des Pumpwasserstoffs unter Verwendung des festgestellten Brennstoffzellenstrombefehlswerts It, des festgestellten stöchiometrischen Luftverhältnisses Ra, der Temperatur der Brennstoffzelle 40 und des Kennfelds mp2 für die Menge des Pumpwasserstoffs, während die Menge Ap2 des abgeführten Wasserstoffs unter Verwendung des festgestellten Brennstoffzellenspannungsbefehlswert Vt und des Kennfelds mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs geschätzt wird, um eine Gesamtmenge At des abgeführten Wasserstoffs beim Zielbetriebspunkt (It, Vt) für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zu bestimmen (siehe untenstehende Gleichung (1)) At = Ap1 + Ap2 (1)
Nach Feststellung der Gesamtmenge At des abgeführten Wasserstoffs stellt die Steuervorrichtung 160 einen von der Brennstoffzelle geforderten Durchfluß, einen Wert für die Luftspülung und einen Bypassdurchfluß ab, die zur Absenkung der Konzentration des abgeführten Wasserstoffs erforderlich sind, damit sie unter einem Bezugswert liegt. Zunächst bestimmt die Steuervorrichtung 160 einen für die Brennstoffzelle 40 erforderlichen Luftdurchfluß An (von der Brennstoffzelle benötigter Luftdurchfluß) unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (2) An = It·{400·22,4·60/(4·96485)}·100/21 (2)
Die Steuervorrichtung 160 erhält dann einen Luftdurchfluß Ac (von der Brennstoffzelle verbrauchter Luftdurchfluß), der in der Brennstoffzelle 40 verbraucht wird, unter Verwendung der unten stehenden Gleichung (3), und erhält auch einen Luftdurchfluß (Gesamtluftdurchfluß), der für die Verdünnung der Konzentration des abzuleitenden Wasserstoffs erforderlich ist, damit sie unter dem Bezugswert liegt, durch Anwendung der folgenden Gleichung (4). Ac = It·400·22,4·60/(4·96485) (3) Ad = (At·100(Dt) + Ac (4)

Dt; Zielkonzentration des abzuleitenden Wasserstoffs (D)

Die Steuervorrichtung 160 vergleicht dann den durch Addieren eines minimalen Bypassdurchflusses Ab1 zum von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchfluß An erhaltenen Wert mit dem Gesamtluftdurchfluß Ad und stellt den größeren Wert als einen Luftzufuhrbefehlswert Asp für den Luftkompressor 60 ein (siehe untenstehende Gleichung (5)). Die Steuervorrichtung 160 erhält einen Bypassluftdurchfluß Abp durch Einsetzen des eingestellten Luftzufuhrbefehlswerts Asp und des von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchflusses An in die untengenannte Gleichung (6). Der minimale Bypassluftdurchfluß Ab1 stellt den Minimalwert des Luftdurchflusses dar, der in der Bypassleitung 31 während der Aktion mit geringem Wirkungsgrad fließen sollte. Asp = MAX{(An + Ab1), (Ad)} (5) ABP = Asp – An (6)
Nach der Feststellung des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An und des Bypass-Luftdurchflusses Abp nimmt die Steuervorrichtung 160 Bezug auf ein Kennfeld mp4 für den Öffnungsgrad eines Druckregelventils und ein Kennfeld mp5 für den Öffnungsgrad eines Bypassventils, Das Kennfeld mp4 für den Öffnungsgrad eines Druckregelventils ist ein Kennfeld zur Bestimmung des Öffnungsgrads des Luftdruckregelventils A1 auf der Basis des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An und des Bypass-Luftdurchflusses Abp, und das Kennfeld mp5 für den Öffnungsgrad eines Bypassventils ist ein Kennfeld zur Bestimmung des Öffnungsgrads des Bypassventils B1 auf der Basis des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An und des Bypass-Luftdurchflusses Abp.
Die Steuervorrichtung 160 stellt die Öffnungsgrade des Luftdruckregelventils A1 und des Bypassventils B1 ein unter Verwendung des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An, des Bypass-Luftdurchflusses Abp, des Kennfelds mp4 für den Öffnungsgrad eines Druckregelventils und des Kennfelds mp5 für den Öffnungsgrad eines Bypassventils. Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsgrad des Luftdruckregelventils A1 unter Verwendung eines PID-Korrekturterms, der aus der Abweichung eines gemessenen Werts der vom Stromfühler S5 ermittelten Brennstoffzellenspannung von einem Zielwert erhalten wird.
Die Steuervorrichtung 160 beurteilt in Übereinstimmung mit dem eingestellten Luftzufuhrbefehlswert Asp, ob die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad während der Steuerung des Betriebs des Luftkompressors 60 beendet werden sollte oder nicht. Falls die Temperatur der Brennstoffzelle 40 gleich einer vorgegebenen Bezugstemperatur ist oder höher, wird die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad beendet, während die oben erwähnte Verfahrensweise fortgesetzt wird, falls die Temperatur der Brennstoffzelle 40 unter der Bezugstemperatur liegt.
Das Bypassventil betreffende Verfahrensweise
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 4 das Vorgehen zur Beurteilung des Blockierens des Ventils für den Fall beschrieben, daß sich die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in einem Zustand der raschen Aufheizung befindet.
Zunächst, wenn ein rasches Aufheizen durch Ausführung einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad gestartet wird, beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob sich das rasche Aufheizen während einer Bereitschaftszeit für die Beurteilung des Blockierens oder länger fortgesetzt hat oder nicht (S1). Falls sich das rasche Aufheizen während der Bereitschaftszeit für die Beurteilung des Blockierens oder länger fortsetzt (JA), beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob der Druck, der durch den Druckfühler P1 (oder P2) (Auslaßluftdruckfilterwert) ermittelt wird, größer ist als eine Druckschwelle zur Beurteilung des Ventilblockierens, die in einem Kennfeld mp6 für die Druckschwelle zur Beurteilung des Ventilblockierens gespeichert ist, oder nicht (S2). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung positiv ist (JA), beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob der Zustand, in dem der festgestellte Druck größer ist als die Druckschwelle zur Beurteilung des Ventilblockierens, sich während der Bereitschaftszeit zur Beurteilung des Blockierens oder länger fortgesetzt hat (S3). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung positiv ist (JA), stellt die Steuervorrichtung 160 ein dem Blockieren des Bypassventils B1 zugeordnetes Flag auf EIN, wodurch angezeigt wird, daß eine Störung mit geschlossenem Ventil beim Bypassventil B1 vorliegt (S4), und beendet das Abarbeiten der aktuellen Routine.
Andererseits, falls das Ergebnis der Beurteilung bei S2 negativ ist (NEIN), beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob der Wert, der durch Subtraktion des Brennstoffzellenstrombefehlswerts von dem durch den Stromfühler S5 festgestellten Strom (Brennstoffzellenstromfilterwert) entsteht, größer ist als ein Stromschwellenwert für die Beurteilung des Ventilblockierens (S5). Die Steuervorrichtung 160 schreitet zu den Schritten S3 und S4 weiter, wenn das Ergebnis dieser Beurteilung positiv (JA) ist, andernfalls endet das Abarbeiten dieser Routine.
Mit der oben beschriebenen Verfahrensweise kann die Steuervorrichtung 160 feststellen, daß eine Störung auftritt, die mit einer Fehlfunktion mit in geschlossener Position verharrendem Bypassventil zusammenhängt, wenn der durch den Druckfühler P1 festgestellte Druck die Schwelle überschreitet oder wenn die Differenz zwischen dem von Stromfühler S5 festgestellten Strom und dem Befehlswert die Schwelle überschreitet.
Als nächstes wird das Verfahren zur Berechnung des Befehlswerts für den Öffnungsgrad des Bypassventils B1 unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 5 beschrieben, das unter normalen Bedingungen durchgeführt wird.
Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob das dem Blockieren des Bypassventils B1 zugeordnete Flag auf AUS gesetzt ist oder nicht (S11). Als ein Ergebnis dieser Beurteilung stellt die Steuervorrichtung 160 den in einem Kennfeld mp7 für den Öffnungsgrad des Bypassventils beim raschen Aufheizen gespeicherten Öffnungsgrad als einen Befehlswert für den Öffnungsgrad des Bypassventils ein (S12), falls das dem Blockieren des Bypassventils B1 zugeordnete Flag auf AUS gesetzt ist (JA), und andernfalls endet die Abarbeitung der aktuellen Routine. Mit anderen Worten: die Steuervorrichtung stellt den Befehlswert für den Öffnungsgrad des Bypassventils B1 auf den im Kennfeld mp7 für den Öffnungsgrad des Bypassventils gespeicherten Öffnungsgrad für das rasche Aufheizen (der unter Berücksichtigung der von der Brennstoffzelle geforderten Luftmenge und des Luftdurchflusses im Bypass erhaltene Öffnungsgrad) ein, wenn das rasche Aufheizen unter normalen Bedingungen erfolgt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 6 das Verfahren zur Berechnung des Befehlswerts für den Öffnungsgrad des Bypassventils B1 beschrieben, das durchgeführt wird, während eine Störung auftritt.
Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 160, ob das dem Blockieren des Bypassventils B1 zugeordnete Flag auf EIN gesetzt ist, während ein einem Blockieren des Bypassventils zugeordnetes, die Vollendung der Schaltung anzeigendes Flag auf AUS gestellt ist (S21). Wenn das Ergebnis dieser Beurteilung positiv (JA) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Befehlswert für den Öffnungsgrad des Bypassventils zu diesem Zeitpunkt (in diesem aktuellen Moment) als den vorhergehenden Befehlswert für den Öffnungsgrad des Bypassventils (vorhergehenden Wert) ein (S22) und beendet die Abarbeitung der Routine.
Andererseits, wenn das Ergebnis der Beurteilung beim Schritt S21 negativ (NEIN) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Befehlswert für den Öffnungsgrad des Bypassventils auf 0% (vollständig geschlossen) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 7 das Verfahren zur Beurteilung der Schaltung des Druckregelventils A1 beschrieben, das durchgeführt wird, wenn das Bypassventil festsitzt.
Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 160, wenn sich die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle im normalen Zustand und nicht in der intermittierenden Betriebsweise befindet, ob das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag auf EIN gesetzt ist, während das einem Blockieren des Bypassventils zugeordnete, die Vollendung der Schaltung anzeigende Flag auf AUS gestellt ist (S31). Falls das Ergebnis dieser Berteilung positiv ist (JA), beurteilt die Steuervorrichtung 160 dann, ob oder ob nicht ein Befehlswert für den Öffnungsgrad des Druckregelventils gleich einem Öffnungsgrad ist, der die Vollendung einer Schaltung zur Verdünnungssteuerung anzeigt (S32) oder größer. Falls das Ergebnis der Beurteilung positiv (JA) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag zur Anzeige der Schaltungsvollendung auf EIN (S33) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine.
Andererseits beurteilt die Steuervorrichtung 160, wenn das Ergebnis der Beurteilung beim Schritt S32 negativ (NEIN) ist, ob sich oder ob sich nicht der EIN-Zustand des dem Blockieren des Bypassventils zugeordneten Flags während einer dem Blockieren des Bypassventils zugeordneten Bereitschaftszeit zur Beurteilung des Blockierens oder länger fortgesetzt hat (S34). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung positiv (JA) ist, schreitet das Verfahren zum Schritt S33 fort. Andererseits setzt die Steuervorrichtung 160, wenn das Ergebnis der Beurteilung im Schritt S34 negativ (NEIN) ist, das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag zur Anzeige der Schaltungsvollendung auf AUS (S35) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine.
Als nächstes wird eine Verfahrensweise einer weiteren Schaltungsbeurteilung des Druckregelventils A1 bei blockiertem Bypassventil unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 8 beschrieben.
Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 160, wenn die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in einem Zustand des Leistungsabfalls ist, ob das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag auf AUS gesetzt ist oder nicht (S41). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung positiv (JA) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Befehlswert des Öffnungsgrads des Druckregelventils auf 0% (vollständig geschlossen) ein (S42) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine.
Andererseits, wenn das Ergebnis der Beurteilung beim Schritt S41 negativ (NEIN) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Befehlswert für den Öffnungsgrad des Druckregelventils auf 100% (vollständig geöffnet) ein (S43) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine. Beim Schritt S43 wird eine Luftdurchflußabweichung (geregelter Druck) auf 0 eingestellt und ein geregelter Luftdruck FB(FeedBack)-Proportionalterm während der raschen Aufheizung, ein FB-Integralterm (vorhergehender Wert) und ein FB-Korrekturwert in einer PI-(Proportional-Integral)-Steuerung durch die Steuervorrichtung 160 werden alle auf 0 eingestellt.
Als nächstes wird eine Verfahrensweise für den Kompressor 60 beim Aufheizen unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 9 beschrieben.
Zunächst beurteilt die Steuervorrichtung 160 ob das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag auf EIN gesetzt ist, während das dem Blockieren des Bypassventils zugeordnete Flag zur Anzeige der Schaltungsvollendung auf AUS gesetzt ist (S51). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung positiv (JA) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Luftversorgungsbefehlswert des Luftkompressors auf eine Luftversorgung bei eingeschalteter Verdünnung (S52) und beendet die Abarbeitung der laufenden Routine. Andererseits, falls das Ergebnis der Beurteilung beim Schritt S51 negativ (NEIN) ist, stellt die Steuervorrichtung 160 den Luftversorgungsbefehlswert des Luftkompressors auf den Summenwert aus von der Brennstoffzelle angeforderte Luftmenge + Brennstoffzellen korrekturwert für den Luftdurchfluß bei rascher Aufheizung ein und beendet die Abarbeitung der Routine.
Kurz gefaßt stellt, wenn eine Störung auftritt, die Steuervorrichtung 160 den Befehlswert für die Luftversorgung zur Reduzierung der Drehzahl des Luftkompressors 60 ein, um die in das Bypassventil B1 abgegebene Luft zu reduzieren.
Als nächstes wird nun unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild in 10 die Steuerung der Luftversorgung und die Steuerung der Wasserstoffverdünnung beim raschen Aufheizen beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird in einer Situation, in welcher das Bypassventil B1 und das Druckregelventil A1 durch Einfrieren etc. blockiert sind, wenn eine Aktion in der Betriebsweise zur raschen Aufheizung beim Systemstart oder im Parkbereich ausgeführt wird, die das Bypassventil B1 benutzende Bypass-Steuerung gestoppt und es wird eine Korrektur des Betriebspunks für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad unter Benutzung des Durchflusses des Luftkompressors vorgenommen. Zu diesem Zeitpunkt wird selbst während der Betriebsweise zur raschen Aufheizung, bei welcher ein Schutz für einen Betriebspunkt durch eine Berechnung der Steuerung der Aktion zur raschen Aufheizung vorgesehen ist, so daß die Konzentration des Pumpwasserstoffs eine Zielkonzentration nicht übersteigt, beispielsweise während den Aktionen mit niedrigem Wirkungsgrad einschließlich Aktionen während eines Antriebsbereichs und während eines neutralen Bereichs, eine Verdünnungssteuerung über den Bypass nicht ausgeführt
Insbesondere ist die Steuervorrichtung 160 so gestaltet, daß sie folgende Funktionen aufweist: eine Datenverarbeitungseinheit 200 für eine der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad, eine Datenverarbeitungseinheit 202 für ein stöchiometrisches Luftverhältnis, eine Berechnungseinheit 204 für den Befehlswert für die Luftversorgung, eine Berechnungseinheit 206 für die für die Brennstoffzelle erforderliche Luftmenge und eine Korrektureinheit 208 für den Betriebspunkt der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad. Beispielsweise berechnet die Datenverarbeitungseinheit 200 für eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad einen Brennstoffzellenstrombefehlswert 300 und einen Brennstoffzellenspannungsbefehlswert 302 für das Brennstoffzellensystem 40 während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auf der Basis der vom Brennstoffzellensystem beanspruchten elektrischen Leistung. Die Datenverarbeitungseinheit 202 für ein stöchiometrisches Luftverhältnis führt eine Suche in einem Bezugswerte aufweisenden I-V-Kennfeld mp8 basierend auf einer vom Temperatursensor T2 festgestellten Wassertemperatur der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstrombefehlswert 300 durch, um daraus einen Brennstoffzellenspannungsbezugswert 304 auszuwählen, erstellt einen Luftkonzentrationsüberspannungszielwert 306 durch Berechnung der Abweichung zwischen dem erhaltenen Brennstoffzellenspannungsbezugswert 304 und dem Brennstoffzellenspannungsbefehlswert 302 unter Anwendung einer Abweichungsberechnungseinheit 210 und führt eine Suche in einem Kennfeld mp9 für das stöchiometrische Luftverhältnis auf der Basis des Luftkonzentrationsüberspannungszielwerts 306 durch, um einen Kennfeldwert 308 des stöchiometrischen Luftverhältnisses auszuwählen, der dem Luftkonzentrationsüberspannungszielwert 306 entspricht.
Die Berechnungseinheit 206 für die für die Brennstoffzelle erforderliche Luftmenge berechnet eine für die Brennstoffzelle erforderliche Luftmenge 310 wie folgt: von der Brennstoffzelle verbrauchte Sauerstoffmenge/k (Koeffizient)·stöchiometrischer Kennfeldwert 308.
Die Korrektureinheit 208 für den Betriebspunkt der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad berechnet die Abweichung zwischen einem durch den Stromfühler S5 festgestellten Filterwert des Brennstoffzellenstroms und dem Brennstoffzellenstrombefehlswert 300 unter Benutzung der Berechnungseinheit 212 für die Abweichung, wandelt den durch die Berechnungseinheit 212 für die Abweichung berechneten Strom unter Benutzung eines Konverters 214 in eine Luftmenge um, berechnet eine Feedbackmenge unter Anwendung einer PI-Regeleinheit 216 basierend auf der Ausgabe aus dem Konverter 214, addiert die Berechnungsresultate der PI-Regeleinheit 216 und die Brennstoffzellenluftmenge 310 mittels eines Addierers 218 und gibt den Ausgang des Addierers 218 als Luftversorgungsbefehlswert 312 an den Luftkompressor 60 aus. Der Luftkompressor 60 steuert seine Drehzahl unter Verwendung des Luftversorgungsbefehlswerts 312 als Drehzahlbefehlswert. Der Luftversorgungsbefehlswert 312 wird dem Luftkompressor 60 als Befehl zur Reduzierung seiner Drehzahl gegenüber seiner Drehzahl bei Normalbetrieb zugeleitet. Wenn die Drehzahl des Luftkompressors reduziert wird, wird auch die vom Luftkompressor abgegebene Luftmenge entsprechend der reduzierten Drehzahl des Luftkompressors 60 reduziert.
Entsprechend dieser Ausführungsform wird, wenn eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils B1 verbundene Störung auftritt, der Öffnungsgrad des Druckregelventils A1 erhöht, während die Drehzahl des Luftkompressors reduziert wird, um die gelieferte Luftmenge zu reduzieren, so daß die Versorgung der Brennstoffzelle 40 mit Oxidansgas reduziert wird, während ein Ableitungspfad für das Kathodenabgas gewährleistet wird. Eine derartige Ausgestaltung kann ein übermäßiges stöchiometrisches Luftverhältnis in der Brennstoffzelle 40 verhindern und eine rasche Aufheizaktion zur Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad fortsetzen, selbst wenn beim Bypassventil B1 eine Störung auftritt.
Bei dieser Ausführungsform kann, wenn einmal das Druckregelventil A1 auf einen speziellen Öffnungsgrad geöffnet ist, die Steuerung des Spannungsabfalls durch Steuerung der Drehzahl des Luftkompressors 60 derart fortgesetzt werden, daß sie gleich dem Luftdurchfluß ist, der aus einem Kennfeld für die Drehzahl beim raschen Aufheizen erhalten wird.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Störung beim Bypassventil B1 dadurch festgestellt werden, daß beurteilt wird, ob oder ob nicht ein Absolutwert oder eine Veränderungsgeschwindigkeit der Differenz, die durch Subtraktion des Brennstoffzellenstrombefehlswerts von dem vom Stromsensor S5 festgestellten Strom (Brennstoffzellenstromfilterwert) erhalten wird, einen Stromschwellenwert zur Beurteilung einer Ventilblockade überschreitet, statt zu beurteilen, ob oder ob nicht die Differenz zwischen dem vom Stromsensor S5 festgestellten Strom und dem Strombefehlswert den Stromschwellenwert zur Beurteilung einer Ventilblockade überschreitet.
Obwohl diese Ausführungsform die Reduzierung der Drehzahl des Luftkompressors als ein Beispiel für ein Mittel zur Reduzierung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 40 beschrieben hat, sind diese Mittel damit nicht beschränkt. Es kann jedes Mittel benutzt werden, soweit damit der Druck der Luftversorgung der Brennstoffzelle reduziert werden kann, und somit können verschiedene gut bekannte Techniken angewandt werden, wie beispielsweise das Abführen von Luft nach außen, das Öffnen eines vorübergehend benutzten Reservetanks und, falls vorhanden, die Öffnung eines zusätzlichen Bypasspfades.
Außerdem hat diese Ausführungsform die Erhöhung des Öffnungsgrades des Druckregelventils A1 als ein Beispiel für ein Mittel zur Reduzierung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 40 beschrieben, doch sind diese Mittel damit nicht beschränkt. Beliebige Mittel können angewandt werden, soweit damit der Druck auf der Auslaßseite reduziert werden kann, und somit können verschiedene gut bekannte Techniken angewandt werden, wie beispielsweise das Öffnen eines im Kathodenabgaspfad vorgesehenen Ablaßventils und das Öffnen des vorübergehend benutzten Reservetanks.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegende Erfindung ist geeignet für den Gebrauch bei der Verhinderung eines übermäßigen stöchiometrischen Verhältnisses bei einer Brennstoffzelle, selbst wenn eine Störung in einem Bypassventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt.
Zusammenfassung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Selbst wenn eine Störung in einem Bypassventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, kann das Auftreten eines übermäßigen stöchiometrischen Verhältnisses in einer Brennstoffzelle verhindert Der Ausgang aus einem Druckfühler (P1) oder einem Stromfühler (Si) wird durch eine Steuereinheit (160) überwacht, und wenn eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils (B1) verbundenen Störung auftritt, wird der Öffnungsgrad des Druckregelventils (A1) vergrößert, um die Menge des abgeführten Kathodenabgases zu erhöhen, und die Drehzahl eines Luftkompressors (60) wird reduziert auf eine vom Luftkompressor (60) abgegebene Luftmenge, wodurch ein übermäßiges stöchiometrisches Verhältnis in der Brennstoffzelle verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-73501 [0005]

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend ein in einem Bypasspfad zwischen der Luftversorgungsseite einer Brennstoffzelle und deren Luftauslaßseite vorgesehenen Bypassventil, bei welchem, wenn eine Störung im Bypassventil während der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad auftritt, der Druck auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle reduziert wird, um die Menge des abzuleitenden Kathodenabgases zu vergrößern, und die Luftzufuhr reduziert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, umfassend ein auf der Auslaßseite der Brennstoffzelle vorgesehenes Luftgegendruckventil, und einen Luftkompressor zur Zufuhr von Luft zur Luftversorgungsseite der Brennstoffzelle, bei welcher, wenn eine Störung im Bypassventil auftritt, der Öffnungsgrad des Luftgegendruckventils vergrößert und die Drehzahl des Luftkompressors verringert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, umfassend einen Bypass-Störungs detektor zur Feststellung einer Störung im Bypassventil, und eine Steuereinheit zur Steuerung des Luftgegendruckventils und des Luftkompressors, bei welchem die Steuereinheit ansprechend auf die Ausgabe einer Feststellung aus dem Bypass-Störungsdetektor den Öffnungsgrad des Luftgegendruckventils erhöht und die Drehzahl des Luftkompressors verringert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei welchem der Bypass-Störungsdetektor den Druck auf der Luftauslaßseite des Luftkompressors überwacht und eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung feststellt, wenn der Druck einen unnormalen Wert zeigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei welchem der Bypass-Störungsdetektor eine mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundene Störung feststellt, wenn ein absoluter Wert oder die Veränderungsgeschwindigkeit eines Stroms der Brennstoffzelle eine Stromschwelle überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei welchem der Bypass-Störungsdetektor umfaßt: einen Druckfühler zur Feststellung eines Drucks auf der Luftauslaßseite des Luftkompressors, und eine Druckbeurteilungseinheit zur Beurteilung einer mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundenen Störung, wenn ein vom Druckfühler festgestellter Druck eine Druckschwelle überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei welchem der Bypass-Störungsdetektor umfaßt: einen Stromfühler zur Feststellung des Stroms der Brennstoffzelle, und eine Strombeurteilungseinheit zur Beurteilung einer mit einer Fehlfunktion des geschlossenen Zustands des Bypassventils verbundenen Störung, wenn die Differenz zwischen einem vom Stromfühler festgestellten Strom und einem Strombefehlswert eine Stromschwelle überschreitet.