DE112008003476B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10), das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem ein Niedereffizienzbetrieb mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, aufweisend:
eine Beurteilungseinheit (70), um eine Beurteilung darüber vorzunehmen, ob eine Einstellungsbedingung erfüllt ist oder nicht, wenn ein Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird,
wobei, wenn die Einstellungsbedingung nicht erfüllt ist, der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb, über eine ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird, indem eine ΔV-Steuerung ausgeführt wird, wobei eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während Auf- und Entladebeträge in Bezug auf eine Kapazitätskomponente (29) der Brennstoffzelle berücksichtigt werden, wohingegen, wenn die Einstellungsbedingung erfüllt ist, der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb, nicht über die ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das unter Berücksichtigung von Auf- und Entlade-Beträgen in Bezug auf eine Kapazitätskomponente einer Brennstoffzelle betrieben und gesteuert wird.
  • Technischer Hintergrund
  • Bei einem Brennstoffzellensystem handelt es sich um ein Leistungserzeugungssystem, in dem ein Brennstoff durch einen elektrochemischen Vorgang oxidiert wird, wodurch eine infolge der resultierenden Oxidationsreaktion abgeführte Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, und das Brennstoffzellensystem weist eine Stapelstruktur auf, die aus einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen besteht, die jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der eine Elektrolytmembran zum selektiven Transportieren von Wasserstoffionen von beiden Seiten von einem Paar von aus einem porösen Material bestehenden Elektroden umgeben ist. Insbesondere kann eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle, in der eine Festpolymermembran als ein Elektrolyt verwendet wird, ohne Weiteres unter geringem Kostenaufwand verkleinert werden und eine hohe Leistungsdichte aufweisen, und diese eignet sich somit voraussichtlich für die Verwendung als eine in einem Fahrzeug montierte Leistungsquelle.
  • Bei dieser Art von Brennstoffzelle wird im Allgemeinen von einem optimalen Leistungserzeugungs-Temperaturbereich von 70 bis 80°C ausgegangen. In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen dauert es z. B. lange, bis die Temperatur der Brennstoffzelle nach dem Start derselben den optimalen Temperaturbereich erreicht hat. Dementsprechend stehend verschiedene Aufwärmsysteme zur Diskussion. Die JP 2004-030979 A offenbart z. B. ein Verfahren, in dem ein Niedereffizienzbetrieb mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, um die Eigenerwärmungsleistung einer Brennstoffzelle so zu steuern, dass diese aufwärmt. Durch dieses Verfahren wird eine Selbsterwärmung der Brennstoffzelle erreicht, und daher besteht keine Notwendigkeit, eine Aufwärmvorrichtung bereitzustellen, was sich als sehr praktisch erwiesen hat.
  • Aus der DE 11 2008 000 976 T5 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem ein Betriebspunkt der Brennstoffzelle innerhalb eines Bereichs der Leistungserzeugung mit geringem Wirkungsgrad, der einem Niedereffizienzbetrieb entspricht, verschoben wird. Eine Steuereinheit bestimmt hierbei zunächst, ob die Brennstoffzelle rasch aufgewärmt werden muss und führt dann, wenn ein schnelles Aufwärmen erforderlich ist, den Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad durch. Um ein Schwanken der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu vermeiden wird während des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad der Arbeitspunkt der Brennstoffzelle angepasst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabenstellung der Erfindung
  • Wenn ein Aufwärmvorgang in einem Niedereffizienzbetrieb beendet wird, um auf einen Normalbetrieb umzuschalten, müssen eine Ausgangsspannung und ein Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle variiert bzw. angepasst werden, während auf die angeforderte Leistung bzw. Soll-Leistung entsprechend dem umgeschalteten Betriebszustand Rücksicht genommen wird. Es existiert jedoch kein Stand der Technik, der genauer erklären würde, wie die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einem derart umgeschalteten Betriebszustand entsprechend gesteuert werden sollten.
  • Zur Lösung der oben beschriebenen Umstände ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden, und es ist eine ihr zugrundeliegende Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, einen Betriebszustand umzuschalten, während eine Ausgangsspannung und ein Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle optimal gesteuert werden.
  • Mittel zur Lösung des Problems
  • Zu Lösung des vorstehend beschriebenen Problems schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem im Vergleich zu einem Normalbetrieb ein Niedereffizienzbetrieb mit einer niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, wobei das System aufweist: eine Beurteilungseinheit zum Vornehmen einer Beurteilung darüber, ob eine Einstellungsbedingung erfüllt ist oder nicht, wenn ein Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird, wobei, wenn die Einstellungsbedingung nicht erfüllt ist, der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb über eine ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird, indem die ΔV-Steuerung ausgeführt wird, wobei eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während dabei Auf- und Entladebeträge in Bezug auf eine Kapazitätskomponente der Brennstoffzelle berücksichtigt werden, wohingegen, wenn die Einstellungsbedingung erfüllt ist, der Betrieb automatisch vom Niedereffizienzbetrieb, nicht über die ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird.
  • Bei einer solchen Konfiguration wird der Betrieb, nachdem der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb überflüssig geworden ist, automatisch vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet, wenn die Einstellungsbedingung erfüllt ist. Somit kann z. B. das Problem verhindert werden, dass, selbst wenn der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb überflüssig geworden ist, das Umschalten auf den Normalbetrieb nicht ausgeführt werden kann, was eine Fortsetzung des Niedereffizienzbetrieb bei schlechter Leistungserzeugungseffizienz zur Folge hat.
  • Wenn hingegen die Einstellungsbedingung nicht erfüllt ist, wird der Betrieb über die ΔV-Steuerung vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet, indem die ΔV-Steuerung ausgeführt wird, wobei eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während dabei die Auf- und Entladebeträge in Bezug auf die Kapazitätskomponente der Brennstoffzelle in Betracht gezogen wird. Somit kann z. B. das Problem verhindert werden, dass der externen Last (Batterie etc.) unzureichend Leistung zugeführt wird und dass der externen Last zuviel Leistung zugeführt wird.
  • Bei der vorstehenden Konfiguration ist es in diesem Fall zu bevorzugen, das vorstehende Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das des Weiteren aufweist: eine Oxidationsgaszuführungs-Steuereinheit zum Erhöhen einer Oxidationsgaszufuhr zur Brennstoffzelle um einen vorbestimmten Betrag, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird; und eine Ableitungseinheit zum Ableiten einer Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle, indem eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle vor und nach der erhöhten Oxidationsgaszufuhr erfasst wird, wobei, wenn die abgeleitete Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle einen Soll-Leistungsschwellwert unterschreitet, die Beurteilungseinheit beurteilt, dass die Einstellungsbedingung erfüllt ist.
  • Bei der vorstehenden Konfiguration ist es zu bevorzugen, dass, wenn die abgeleitete Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle den Soll-Leistungsschwellwert für oder länger als eine vorbestimmte Zeit unterschreitet, die Beurteilungseinheit beurteilt, dass die Einstellungsbedingung erfüllt ist.
  • Bei der vorstehenden Konfiguration ist es zu bevorzugen, das vorstehende Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das des Weiteren aufweist: eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer zur Brennstoffzelle in Beziehung stehenden Temperatur; und eine Umschaltbestimmungseinheit zum Bestimmen, basierend auf der erfassten in Beziehung stehenden Temperatur, ob der Betrieb aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, wobei, wenn die Umschaltbestimmungseinheit bestimmt, dass der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, die Beurteilungseinheit eine Beurteilung darüber vornimmt, ob die Einstellungsbedingung erfüllt ist oder nicht.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein weiteres Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 vor, das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem ein Niedereffizienzbetrieb mit einer gegenüber einem Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, wobei das System aufweist: eine Beurteilungseinheit zum Vornehmen einer Beurteilung darüber, ob eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle während des Niedereffizienzbetriebs verändert werden soll oder nicht; und eine Spannungssteuerungseinheit um, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsspannung verändert werden soll, die Ausgangsspannung zu verändern, indem die DV-Steuerung ausgeführt wird, wobei die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während die Auf- und Entladebeträge in Bezug auf eine Kapazitätskomponente der Brennstoffzelle berücksichtigt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem hat ferner eine Speichereinheit zum Speichern von Informationen über die Abgas-Wasserstoffkonzentration, die eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle darstellt, die eine Untergrenze der Abgas-Wasserstoffkonzentration erfüllt, wobei die Beurteilungseinheit, basierend auf den Informationen über die Abgas-Wasserstoffkonzentration, eine Beurteilung darüber vornimmt, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle während des Niedereffizienzbetriebs verändert werden soll oder nicht.
  • Wirkung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Betriebszustand umgeschaltet werden, während eine Ausgangsspannung und ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle optimal gesteuert werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Strom-Spannungs-Kennfeld eines Brennstoffzellenstapels darstellt.
  • 3 ist ein Ersatzschaltbild des Brennstoffzellenstapels.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Betriebspunkte des Brennstoffzellenstapels erläutert.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Betriebsumschaltverarbeitung erläutert.
  • 6 ist ein Diagramm, das Ausgangsstrom- und Ausgangsspannungs-Kennlinien einer Brennstoffzelle bezüglich der jeweiligen Temperaturen des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Strom-Spannungs-Schaltkennfeld darstellt.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das eine in mehreren Stufen ablaufende Festspannungsverarbeitung erläutert.
  • Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
  • A. Erste Ausführungsform
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. 1 stellt eine Systemkonfiguration eines in einem Fahrzeug montierten Brennstoffzellensystems 10 gemäß dieser Ausführungsform dar. In der nachstehend folgenden Beschreibung wird in Bezug auf das Fahrzeug beispielhaft von einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) ausgegangen, doch das Brennstoffzellensystem kann sowohl auf Elektroautos als auch Hybridfahrzeuge angewendet werden. Zudem kann das Brennstoffzellensystem nicht nur auf Fahrzeuge angewendet werden, sondern auch auf verschiedene mobile Objekte (z. B. Schiffe, Flugzeuge und Roboter) und feststehende bzw. stationäre Leistungsversorgungseinrichtungen sowie tragbare Brennstoffzellensysteme.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 dient als ein an einem Fahrzeug montierbares Leistungsversorgungssystem, das an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden soll, und ist versehen mit: einem Brennstoffzellenstapel, der nach der Zufuhr der Reaktionsgase (Brenngas und Oxidationsgas) eine elektrische Leistung erzeugt; einem Oxidationsgaszufuhrsystem 30 zum Zuführen von Luft, die als ein Oxidationsgas dient, zu dem Brennstoffzellenstapel 20; einem Brenngaszuführsystem 40 zum Zuführen eines als Brenngas dienenden Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 20; einem Leistungssystem 50 zum Steuern von Auf- und Entladebeträgen der Leistung; einem Kühlsystem 60 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 20; und einer Steuerungsvorrichtung (ECU) 70 zum Steuern des gesamten Systems.
  • Bei dem Brennstoffzellenstapel 20 handelt es sich um einen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von Zellen aneinandergestapelt ist. Die Oxidationsreaktion der nachstehenden Formel (1) tritt an einer Anode auf, und die Reduktionsreaktion der nachstehend aufgeführten Formel (2) tritt an einer Kathode auf. Die elektromotorische Reaktion der nachstehend aufgeführten Formel (3) läuft im gesamten Brennstoffzellenstapel 20 ab. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • An den Brennstoffzellenstapel 20 sind ein Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 und ein Stromsensor 72 zum Erfassen eines erzeugten Stroms angebracht.
  • Das Oxidationsgaszuführsystem 30 beinhaltet eine Oxidationsgasleitung 34, in der ein einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführte Oxidationsgas strömt, und eine Oxidationsabgasleitung 36, in der ein aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführte Oxidationsabgas strömt. Die Oxidationsgasleitung 34 ist versehen mit: einem Luftkompressor 32 zum Aufnehmen von Oxidationsgas aus der Luft durch einen Filter 31; einer Befeuchtungseinrichtung 33 zum Befeuchten des der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführten Oxidationsgases; und einem Drosselventil 36 zum Anpassen einer Oxidationsgaszuführmenge. Die Oxidationsabgasleitung 36 ist mit einem Gegendruckregulierventil 37 zum Regulieren eines Oxidationsgaszuführdrucks und einer Befeuchtungseinrichtung 33 zum Austauschen von Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsgas (trockenem Gas) und dem Oxidationsabgas (feuchtem Gas) versehen.
  • Zwischen der Oxidationsgasleitung 34 und der Oxidationsabgasleitung 36 sind angeordnet: eine Umgehungsleitung 38 zum Verbinden dieser Gasleitungen miteinander, während sie gleichzeitig den Brennstoffzellenstapel 30 umgeht; und ein Umgehungsventil 39 zum Anpassen der Strömungsrate des in der Umgehungsleitung 38 strömenden Oxidationsgases. Das Umgehungsventil 39 ist unter normalen Bedingungen geschlossen, und wird während einer nachstehend beschriebenen Spannungsabfallverarbeitung geöffnet. Die Umgehungsleitung 38 und das Umgehungsventil 39 dienen als eine Umgehungseinheit zum Anpassen der Strömungsrate der Umgehungsluft.
  • Das Brenngaszuführsystem 40 beinhaltet: eine Brenngaszuführquelle 41; eine Brenngasleitung 45, in der das aus der Brenngaszuführquelle 41 der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführte Brenngas strömt; eine Umwälzleitung 46 zum Rückführen des Abgases des Brenngases, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt wird, in die Brenngasleitung 45; eine Umwälzpumpe 47 zum Pumpen des Abgases des Brenngases in der Umwälzleitung 46 zur Brenngasleitung 43; und eine Abgas-/Ableitleitung 48, die eine Zweigverbindung mit der Umgehungsleitung 47 aufweist.
  • Die Brenngaszuführquelle 41 besteht aus einem Hochdruck-Wasserstofftank einer Wasserstoff-Absorbierungslegierung etc. und speichert das Wasserstoffgas mit hohem Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil 42 geöffnet wird, strömt das Brenngas aus der Brenngaszuführquelle 41 in die Brenngasleitung 45. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regler 43 oder eine Einspritzdüse 44 auf näherungsweise z. B. 200 kPa reduziert, und das resultierende Gas wird dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
  • Es ist zu beachten, dass die Brenngaszuführquelle 41 aus einer Reformiereinrichtung zum Erzeugen eines mit Wasserstoff angereicherten reformierten Gases aus einem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff und einem Hochdruckgastank bestehen kann, der das durch die Reformiereinrichtung erzeugte reformierte Gas in einen Hochdruckzustand versetzt und das resultierende Gas speichert.
  • Bei dem Regler 43 handelt es sich um eine Vorrichtung zum Regulieren eines Drucks auf der stromauf befindlichen Seite (Primärdruck) auf einen voreingestellten Sekundärdruck, und besteht z. B. aus einem mechanischen Druckreduzierventil zum Reduzieren des Primärdrucks. Das mechanische Druckreduzierventil weist ein Gehäuse auf, in dem eine Gegendruckkammer und eine Druckregulierkammer ausgebildet sind und diese durch eine Membran von einander getrennt sind, und ist so konfiguriert, dass, bei anliegendem Gegendruck in der Gegendruckkammer, der Primärdruck auf einen vorbestimmten Druck in der Druckregulierkammer reduziert wird, wodurch der Sekundärdruck erreicht wird.
  • Bei der Einspritzdüse 44 handelt es sich um ein elektromagnetisch angetriebenes Ein-Aus-Ventil mit einer Konfiguration, in der ein Ventilkörper durch eine elektromagnetische Antriebskraft eine vorbestimmte Antriebszeitspanne lang direkt angetrieben wird, um von einem Ventilsitz getrennt zu werden, wodurch eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck gesteuert wird. Die Einspritzdüse 44 ist mit einem Ventilsitz versehen, der ein Einspritzloch aufweist, durch das ein gasförmiger Brennstoff, wie z. B. ein Brenngas, eingespritzt wird, und ist zudem versehen mit: einem Düsenkörper zum Zuführen und Abführen des gasförmigen Brennstoffs in das Einspritzloch; und einem Ventilkörper, der in Bezug auf den Düsenkörper in einer axialen Richtung (Gasströmungsrichtung) beweglich gehalten wird.
  • Die Abgas-/Ableitleitung 48 ist mit einem Abgas-/Ableitventil 49 versehen. Das Abgas-/Ableitventil 49 arbeitet in Abhängigkeit von Befehlen aus der Steuerungsvorrichtung 70, wodurch das Verunreinigungen enthaltende Abgas des Brenngases und Wasser in der Umwälzleitung 46 abgeführt werden. Indem das Abgas-/Ableitventil 49 geöffnet wird, nimmt die in dem Abgas des Brenngases enthaltene Konzentration der Verunreinigungen in der Umwälzleitung 46 ab, wodurch die Wasserstoffkonzentration des Abgases des Brenngases in einem Umwälzsystem ansteigen kann.
  • Das durch das Abgas-/Ableitventil 49 abgeführte Abgas des Brenngases wird mit dem in der Oxidationsgas-Abgasleitung 34 strömenden Abgas des Oxidationsgases vermischt, und das Gemisch wird durch eine Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt) verdünnt. Die Umwälzpumpe 47 wälzt das Abgas des Brenngases in dem Umwälzsystem um und führt es über einen Motorantrieb dem Brennstoffzellenstapel 20 zu.
  • Das Leistungssystem 50 ist mit einem Gleichstromwandler 51, einer Batterie 52, einem Antriebsleistungs-Wechselrichter bzw. -Inverter 53, einem Antriebsleistungsmotor 54 und einer Hilfsmaschine 55 versehen. Die Funktion des Gleichstromwandlers 51 ist es, eine Gleichstromspannung, die aus der Batterie 52 zugeführt wird, zu erhöhen und eine resultierende Gleichstromspannung an den Antriebsleistungs-Wechselrichter 53 auszugeben, und eine weitere Funktion ist es, die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Gleichstromleistung oder die Spannung einer Regenerationsleistung, die durch den Antriebsleistungsmotor 54 gesammelt bzw. abgegriffen wird, über einen Regenerationseinschränkungsbetrieb zu senken und die Batterie 52 mit der resultierenden Leistung zu entladen. Diese Funktionen des Gleichstromwandlers 51 übernehmen die Kontrolle bzw. Steuerung über die Auf-/Entladung der Batterie 52. Zudem wird durch eine Spannungsumwandlungssteuerung, die durch den Gleichstromwandler 51 vorgenommen wird, ein Betriebspunkt (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert.
  • Die Batterie 52 dient als eine Speicherquelle für eine Überschussleistung, eine Speicherquelle für eine während einer Regenerationseinschränkung regenerierte Energie und als ein Energiepuffer während einer Lastschwankung infolge einer Beschleunigung oder Verzögerung bzw. Abbremsung eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Batterie 52 besteht vorzugsweise aus einer Sekundärbatterie, wie z. B. einer Nickel-Kadmium-Batterie, einer Nickel-/Wasserstoff-Batterie oder einer Lithium-Sekundärbatterie.
  • Der Antriebsleistungs-Wechselrichter 53 besteht beispielsweise aus einem Pulsweitenmodulations-Wechselrichter, der durch eine Pulsweitenmodulationsverfahren angetrieben wird. Gemäß den Steuerbefehlen aus der Steuerungsvorrichtung 70 wandelt der Antriebsleistungs-Wechselrichter 53 eine Gleichstromspannung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, in eine Dreiphasen-Wechselstromspannung um, wodurch ein Drehmoment des Antriebsleistungsmotors 54 gesteuert wird. Bei dem Antriebsleistungsmotor 54 handelt es sich z. B. um einen Dreiphasen-Wechselstrommotor, der eine Leitungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug darstellt.
  • Mit Hilfsmaschine 55 werden im Allgemeinen Motoren bezeichnet, die in den jeweiligen Abschnitten in dem Brennstoffzellensystem 10 angeordnet sind (z. B. Leistungsquellen wie z. B. Pumpen), Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren und verschiedene an einem Fahrzeug montierte Hilfsmaschinen (z. B. ein Luftkompressor, eine Einspritzdüse, eine Kühlwasser-Umwälzpumpe und ein Radiator bzw. eine Kühlereinrichtung).
  • Das Kühlsystem ist versehen mit: Kühlmittelleitungen 61, 62, 63 und 64, damit ein im Inneren des Brennstoffzellenstapels 20 zirkulierendes Kühlmittel darin strömen kann; einer Umwälzpumpe 65 zum Komprimieren und Befördern des Kühlmittels; einer Kühlereinrichtung 66 zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Außenluft; einem Dreiwegeventil 67 zum Ausführen eines Umschaltvorgangs zwischen den Kühlmittelumwälzleitungen; und einem Temperatursensor 74 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur. Während eines Normalbetriebs nach der Beendung eines Aufwärmbetriebs wird das Dreiwegeventil 67 so gesteuert, dass es geöffnet oder geschlossen wird, so dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 herausströmt, durch die Kühlmittelleitungen 61 und 64 strömt, durch die Kühleinrichtung 66 gekühlt wird, dann durch die Kühlmittelleitung 63 strömt und wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zurückströmt. Während eines Aufwärmvorgangs unmittelbar nach dem Start des Systems wird hingegen das Dreiwegeventil 67 so gesteuert, dass es geöffnet oder geschlossen wird, so dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 herausströmt, durch die Kühlmittelleitungen 61, 62 und 63 strömt und dann wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zurückströmt.
  • Bei der Steuerungsvorrichtung 70 handelt es sich um ein Computersystem, das mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle etc. versehen ist und als eine Steuereinheit zum Steuern der jeweiligen Abschnitte des Brennstoffzellensystems 10 (des Oxidationsgas-Zuführsystems 30, des Brenngas-Zuführsystems 40, des Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) dient. Beim Empfangen eines aus einem Zündschalter ausgegebenen Zündsignals IG z. B., startet die Steuerungsvorrichtung 70 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält die durch von dem gesamten System angeforderte Leistung basierend auf einem Fahrpedalverstellweg-Signal ACC, das aus einem Fahrpedalsensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, etc.
  • Die von dem gesamten System angeforderte Leistung bzw. Soll-Leistung entspricht dem Gesamtwert der Fahrzeugantriebsleistung und der Hilfsmaschinenleistung. Die Hilfsmaschinenleistung beinhaltet z. B. eine durch die an einem Fahrzeug montierten Hilfsmaschinen verbrauchte Leistung (Befeuchtungseinrichtung, Luftkompressor, Wasserstoffpumpe, Kühlwasser-Umwälzpumpe etc.), eine Leistung, die durch für den Fahrzeugfahrbetrieb notwendige Vorrichtungen verbraucht wird (ein Wechselgetriebe bzw. Wechselrad, eine Radführungsvorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Stoßdämpfungsvorrichtung etc.), und eine Leistung, die durch in einer Fahrgastzelle angeordnete Vorrichtungen bzw. Geräte verbraucht wird (Klimaanlage, Beleuchtung, Audioausstattung etc.).
  • Die Steuerungsvorrichtung 70 bestimmt ein Ausgangsleistungs-Verteilungsverhältnis des Brennstoffzellenstapels 20 und der Batterie 52 und berechnet einen Leistungserzeugungs-Befehlswert, und steuert darüber hinaus das Oxidationsgas-Zuführsystem 30 und das Brenngas-Zuführsystem 40, so dass die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 einer Soll-Leistung entspricht. Abgesehen davon steuert die Steuerungsvorrichtung 70 den Gleichstromwandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 einzustellen bzw. anzupassen, wodurch der Betriebspunkt (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert wird. Um in Entsprechung zu einem Fahrpedalverstellweg ein Soll-Drehmoment zu erhalten, gibt die Steuerungsvorrichtung 70 z. B. jeweilige Wechselspannungs-Befehlswerte von einer U-Phase, einer V-Phase und eine W-Phase als Schaltbefehle an den Antriebsleistungs-Wechselrichter 53 aus und steuert das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Antriebsleistungsmotors 54.
  • 2 stellt Strom-Spannungs-Kennfeld (ein Cyclovoltammogramm) des Brennstoffzellenstapels 20 dar.
  • Das Strom-Spannungs-Kennfeld zeigt dynamische elektrische Kennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 an. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 20 mit einer festgelegten Spannungserhöhungsrate erhöht wird, strömt ein Strom in die Richtung, in der der Strom von außerhalb in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt (Minusrichtung); wenn hingegen die Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einer festgelegten Spannungsverminderungsrate vermindert wird, strömt ein Strom in die Richtung, in der der Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 20 nach außen strömt (Plusrichtung). Es hat sich herausgestellt, dass derart dynamische Kennlinien von einer Kapazitätskomponente hergeleitet werden können, die im Brennstoffzellenstapel 20 parasitär enthalten ist.
  • Wenn in diesem Fall ein erzeugter Strom rasch erhöht/vermindert wird, folgt mit hohem Ansprechverhalten auf die Veränderung des erzeugten Stroms ein Ohm-Spannungsabfall, der aus einem ohmschen Widerstand einer Elektrolytmembran einer jeweiligen der Zellen, aus denen der Brennstoffzellenstapel 20 besteht, resultiert. Eine in einer elektrischen Doppelschicht hervorgerufene Aktivierungsüberspannung kann der Veränderung des erzeugten Stroms jedoch nicht mit hohem Ansprechverhalten nachkommen und nimmt allmählich eine bestimmte Zeit lang einen Äquivalenzzustand ein. Der Grund für den vorstehend erläuterten Unterschied ist, dass, während die elektrischen Kennlinien der Elektrolytmembran 22 als ein Widerstandselement modelliert werden können, die elektrischen Kennlinien der elektrischen Doppelschicht als ein Kondensator modelliert werden können.
  • 3 ist eine Ersatzschaltdiagramm bzw. -plan, der ein Modell zeigt, das die dynamischen elektrischen Kennlinien des Brennstoffzellenstapels 20 darstellt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 20 weist einen Schaltungsaufbau auf, in dem eine ideale Brennstoffzelle 28 und ein Kondensator 29 parallel zueinander geschaltet sind. Bei der idealen Brennstoffzelle 28 handelt es sich um ein Modell für eine virtuelle Brennstoffzelle, die nicht über die vorstehend beschriebenen Strom-Spannungs-Kennlinien verfügt, und das sich in einer zu einer variablen Leistungsversorgung in Bezug auf die elektrischen Kennlinien entsprechenden Weise verhält. Der Kondensator 29 stellt ein Modell für ein Kondensatorelement dar, das das elektrische Verhalten der elektrischen Doppelschicht darstellt, die auf einer Grenzfläche ausgebildet ist. Eine externe Last 56 ist ein Modell für eine Ersatzschaltung, die das Leistungssystem 50 darstellt. Nimmt man also an, dass: ein aus der idealen Brennstoffzelle 28 strömender Strom Ifc ist; eine Ausgangsspannung der idealen Brennstoffzelle 28 (Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20) Vfc ist; ein in den Kondensator 28 strömender Strom Ic ist; ein aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur externen Last 56 strömender Strom Is ist; eine Kapazität des Kondensators 29C ist; und eine Zeit t ist, werden die nachstehend gezeigten Gleichungen (4) und (5) erfüllt. Ifc = Ic + Is (4) IC = C·ΔVfc/Δt (5)
  • Wie in den Gleichungen (4) und (5) gezeigt ist, nimmt der Strom Ic, der in den Kondensator 29 strömt, entsprechend dem Veränderungsbetrag pro Zeiteinheit ΔVfc/Δt zu, wenn die Ausgangsspannung Vfc erhöht wird, und somit nimmt der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur externen Last strömt, ab. Wenn hingegen die Ausgangsspannung Vfc gesenkt wird, nimmt der Strom Ic, der in den Kondensator 29 strömt, entsprechend dem Veränderungsbetrag pro Zeiteinheit ΔVfc/Δt ab, und daher nimmt der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur externen Last 56 strömt, zu. Auf diese Weise kann der Strom Is, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur externen Last 56 strömt, durch Steuern der Spannungserhöhung/-verringerung der Ausgangsspannung Vfc pro Zeiteinheit (was nachstehend der Einfachheit halber als ΔV-Steuerung bezeichnet wird) eingestellt werden.
  • Ein Anwendungsbeispiel für die ΔV-Steuerung ist ein Verfahren, bei dem, wenn eine für den Brennstoffzellenstapel 20 angeforderte Leistungserzeugung während eines Niedereffizienzbetriebs rasch abnimmt, bewirkt wird, dass der Kondensator 29 über die Steuerung der Ausgangsspannung Vfc ein Überschussleistung absorbiert. Unter einem Niedereffizienzbetrieb versteht man einen Betrieb mit einer geringen Leistungserzeugungseffizienz, die durch Steuern der Zufuhr von Reaktionsgasen an den Brennstoffzellenstapel 20 mit einem stöchiometrischen Luftverhältnis erreicht wird, das auf einen Wert kleiner 1,0 eingestellt ist, um einen Leistungsverlust zu erhöhen. Unter einem stöchiometrischen Luftverhältnis versteht man den Anteil des überschüssigen Sauerstoffs, der darauf hinweist, in welchem Ausmaß die zugeführte Luft im Überschuss vorhanden ist, gegenüber dem Sauerstoff, der notwendig ist, um mit dem Wasserstoff in einem ausgewogenen Verhältnis zu reagieren.
  • Wenn der Niedereffizienzbetrieb mit einem niedrig eingestellten stöchiometrischen Luftverhältnis ausgeführt wird, erreicht die Konzentrationsüberspannung im Verhältnis zum Normalbetrieb einen hohen Wert. Daher liegt ein erhöhter Wärmeverlust (Leistungsverlust) der Energie vor, der durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aufgehoben werden kann.
  • Der Niedereffizienzbetrieb wird in einem Startvorbereitungsschritt, bevor das Fahrzeug in einen Fahrbetrieb versetzt wird, oder zum Zeitpunkt des Aufwärmbetriebs, der während des Fahrzeugfahrbetriebs ausgeführt wird, als z. B. ein Mittel zum raschen Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 20 ausgeführt, indem der Wärmeverlust beim Start des Systems bei niedriger Temperatur absichtlich verstärkt wird (Start mit einer Stapeltemperatur, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist).
  • Der Niedereffizienzbetrieb während eines Fahrzeugfahrbetriebs wird ausgeführt, bis eine Stapeltemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 0°C) angestiegen ist, während die Zufuhr des Brenngases zum Brennstoffzellenstapel 20 konstant gehalten wird und die Strömungsrate des Oxidationsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 so eingestellt wird, dass die gewünschte Leistung in Entsprechung zu einem Fahrpedalverstellweg erhalten wird. Wenn die Stapeltemperatur die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird der Betrieb auf Normalbetrieb geschaltet.
  • 4 zeigt ein Strom-Spannungs-Kennfeld des Brennstoffzellenstapels 20.
  • Während eines Normalbetriebs wird eine Betriebssteuerung in der Weise ausgeführt, dass sich ein Betriebspunkt (Ausgangsstrom Ifc, Ausgangsspannung Vfc) zum Verbessern der Leistungserzeugungseffizienz auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie (Kennlinienverlauf von Strom im Vergleich zu Spannung) 200 befindet. Während eines Niedereffizienzbetriebs wird hingegen eine Leistungserzeugungseffizienz vorsätzlich verringert, um den Wärmeverlust zu erhöhen bzw. zu verstärken, und somit wird der Betriebspunkt auf einen im Vergleich zu der Strom-Spannungs-Kennlinie niedrigen Spannungspunkt eingestellt, z. B. Ausgangsspannung Vfc = V1 oder Vfc = V2. In diesem Fall wird ein Aufwärmvorgang des Brennstoffzellenstapels 20 nicht nur beim Start oder Stopp eines Fahrzeugs, sondern auch während des normalen Fahrbetriebs ausgeführt. Bezüglich eines solchen Aufwärmvorgangs sollte die Ausgangsspannung Vfc vom Standpunkt eines erhöhten Wärmeverlustes (in anderen Worten also einer erhöhten bzw. verstärkten Wärmeerzeugung) aus betrachtet möglichst gering eingestellt werden. Die durch die Last (Antriebsleistungsmotor, verschiedene Hilfsmaschinen etc.) während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs angeforderte Spannung wird jedoch z. B. im Vergleich zu der zum Zeitpunkt des Starts des Fahrzeug angeforderten Spannung etc. hoch eingestellt. Daher wird die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 während eines Aufwärmvorgangs während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs im Niedereffizienzbetrieb (z. B. V2, wie in 4 gezeigt ist) im Vergleich zu der Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 während eines Aufwärmvorgangs zum Zeitpunkt des Starts oder Stopps des Fahrzeugs im Niedereffizienzbetrieb (z. B. V1, wie in 4 gezeigt ist) auf einen hohen Wert eingestellt.
  • In diesem Fall wird eine Leistungserzeugungssteuerung in Entsprechung zu einer Last derart ausgeführt, dass, während die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 während des Niedereffizienzbetriebs normalerweise konstant gehalten wird (z. B. V1 oder V2), der Ausgangsstrom Ifc eingestellt wird, indem die Strömungsrate des Oxidationsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 aus dem Luftkompressor 32 zugeführt wird, gesteuert wird (was nachstehend als eine Festspannungssteuerung bezeichnet wird). Die Ausgangssteuerung des Brennstoffzellenstapels 20 während eines Niedereffizienzbetriebs ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Leistungserzeugungssteuerung kann in Entsprechung zu einer Last derart ausgeführt werden, dass, während die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 entsprechend der durch die Last etc. angeforderten Spannung eingestellt bzw. angepasst wird, der Ausgangsstrom Ifc dadurch eingestellt bzw. angepasst wird, dass die Strömungsrate des Oxidationsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 aus dem Luftkompressor 32 zugeführt wird, gesteuert wird.
  • Betrieb im Fall eines Umschaltens von Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb
  • In einem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Betriebspunkt während eines Aufwärmbetriebs bzw. -vorgangs, der ausgeführt wird, während ein Fahrzeug in einem Niedereffizienzbetrieb gefahren wird, OP2 (I2, V2) ist. Wenn der Temperatursensor 74 während des Aufwärmbetriebs erfasst, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 70°C) überschritten hat, beurteilt die ECU 70, dass die Zeit gekommen ist, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf einen Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, und führt eine Betriebsumschaltverarbeitung aus dem Niedereffizienzbetrieb in den Normalbetrieb aus. Indem also genauer gesagt die Betriebsumschaltverarbeitung ausgeführt wird, wird der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 20 vom Betriebspunkt OP2 (I2, V2) während des Niedereffizienzbetriebs auf einen Betriebspunkt OP3 (I3, V3) umgeschaltet, der sich auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befindet. Bezüglich der nachstehenden Beschreibung ist zu beachten, dass die Leistungserzeugungssteuerung bezüglich der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 nach dem Umschalten auf den Normalbetrieb als eine Strom-Spannungs-Steuerung bezeichnet wird.
  • Wenn während des Umschaltens vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb in diesem Fall die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 in Abhängigkeit von der durch die externe Last 56 angeforderten Leistung ohne Berücksichtigung des Kondensators 29, der im Brennstoffzellenstapel 20 parasitär vorhanden ist, schwanken bzw. variieren, stimmt die von dem Brennstoffzellenstapel 20 der externen Last 56 zugeführte Leistung (die Gesamtheit der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung und der durch den Kondensator 29 abgeführten Leistung) nicht mit der Leistung überein, die durch die externe Last 56 angefordert wird. Dies führt zu Problemen wie z. B., dass der externen Last 56 unzureichend Leistung zugeführt wird und dass der externen Last 56 zuviel Leistung zugeführt wird.
  • Angesichts der vorstehenden Schilderungen wird der Umschaltvorgang vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb durch Ausführen einer ΔV-Steuerung derart ausgeführt, dass die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 der externen Last 56 zugeführte Leistung (die nachstehend als Zuführleistung bezeichnet wird) und die durch die externe Last 56 angeforderte Leistung (die nachstehend als eine Sollleistung bezeichnet wird) nicht miteinander übereinstimmen. Beim Ausführen der ΔV-Steuerung wird die Ausgangsspannung erhöht/gesenkt, während die Geschwindigkeit, mit der sich die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 verändert, derart eingestellt wird, dass die zugeführte Leistung mit der angeforderten Leistung bzw. Soll-Leistung übereinstimmt.
  • An dieser Stelle folgt eine ausführliche Beschreibung der Betriebsumschaltverarbeitung vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb.
  • Wenn die ECU (Einheit zum Steuern des Zufuhr des Oxidationsgases) 70 bestimmt, dass die Zeit, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, wie vorstehend beschrieben, gekommen ist, führt die ECU 70 eine Verarbeitung zum Erhöhen des dem Brennstoffzellenstapel 20 aus dem Luftkompressor 32 zugeführten Oxidationsgases um eine vorbestimmte Menge (z. B. 0,5 mol/s) als eine Vorverarbeitung vor einem Umschalten auf die ΔV-Steuerung (die nachstehend als eine ΔV-Auslöse- bzw. Triggerverarbeitung bezeichnet wird) aus. Der Niedereffizienzbetrieb wird normalerweise in einem Betriebsbereich mit einer im Vergleich zum Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz (einem Bereich unterhalb der Strom-Spannungs-Kennlinie in 4) ausgeführt. Daher wird z. B. mit einer erhöhten Oxidationsgasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel 20 während des Niedereffizienzbetriebs aus dem Luftkompressor 32 zugeführt werden soll, für den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 ein hoher Wert erreicht und infolgedessen auch die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 erhöht.
  • Unter Zuhilfenahme dieses Prinzips erfasst die ECU (Ableitungseinheit) 70 die Ausgangsleistungen vor und nach der ΔV-Auslöse- bzw. Triggerverarbeitung, berechnet eine Ausgangsleistungsabweichung Pd und vergleicht dann die Ausgangsleistungsabweichung Pd mit einem eingestellten Abweichungsschwellwert (Leistungsschwellwert) ΔP. Wird erfasst, dass die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP überschritten hat (wenn eine Einstellungsbedingung nicht erfüllt ist), betrachtet die ECU (Beurteilungseinheit) 70 dies als einen Auslöser, um die ΔV-Steuerung auszuführen. Die ECU 70 bestimmt dann eine Zeit, wenn die Steuerung basierend auf der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 von der ΔV-Steuerung auf die Strom-Spannungs-Steuerung umgeschaltet wird. Insbesondere wenn ein Ausgangsspannungs-Befehlswert des Brennstoffzellenstapels 20 kleiner oder gleich einem voreingestellten Schwellwert ist und dieser Zustand mehr als eine festgesetzte Zeit fortbesteht, schaltet die ECU 70 den Betriebspunkt so um, dass sich dieser dann auf der Strom-Spannungs-Kennline 200 befindet, und startet die Strom-Spannungs-Steuerung.
  • Wenn hingegen die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP nicht überschreitet, bestimmt die ECU 70, dass die Zeit, wenn die ΔV-Steuerung ausgeführt werden soll, noch nicht gekommen ist. Wenn, wie vorstehend beschrieben, bestimmt wird, dass die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP überschritten hat, betrachtet die ECU 70 dies als einen Auslöser, um die ΔV-Steuerung auszuführen. Wenn somit die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP nicht überschreitet, wird somit kein Umschaltvorgang vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb ausgeführt (wird also in anderen Worten keine Strom-Spannungs-Steuerung ausgeführt).
  • Es besteht jedoch beispielsweise dahingehend ein Problem, dass, auch nachdem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorbestimmte oder eine darüber liegende Temperatur erreicht hat, die die Notwendigkeit eines Aufwärmvorgangs im Niedereffizienzbetrieb aufhebt, der Niedereffizienzbetrieb mit seiner schlechten Leistungserzeugungseffizienz fortgesetzt wird, ohne auf einen Normalbetrieb umzuschalten, und zwar aus dem Grund, dass die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert P nicht überschreitet. Wenn in dieser Ausführungsform dementsprechend die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP für eine festgesetzte Zeit oder länger (t > 0) nach dem Start der ΔV-Verarbeitung nicht überschreitet (wenn die Einstellungsbedingung erfüllt ist), startet die ECU (Beurteilungseinheit) 70 automatisch die Strom-Spannungs-Steuerung, ohne die ΔV-Steuerung auszuführen. Wie vorstehend beschrieben, wird die Strom-Spannungs-Steuerung automatisch ausgeführt. Der Grund, warum die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert PD nicht länger als eine festgesetzte Zeit nach dem Start der ΔV-Verarbeitung überschreitet, ist, dass man davon ausgehen kann, dass der Betriebspunkt sich während des Niedereffizienzbetriebs auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befunden hat oder, auch wenn er sich nicht auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befunden hat, so zumindest in der Nähe der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 (siehe z. B. Betriebspunkt OP4 (I4, V4) in 4).
  • Nachdem bei einem solchen Verfahren der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb in dem Zustand überflüssig geworden ist, in dem sich der Betriebspunkt während des Niedereffizienzbetriebs auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befindet, wird die Strom-Spannungssteuerung (d. h. der Normalbetrieb) nach einer festgesetzten Zeit automatisch ausgeführt. Somit kann z. B. das vorstehend beschriebene Problem verhindert werden, dass, selbst nachdem der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb überflüssig geworden ist, der Umschaltvorgang auf den Normalbetrieb nicht ausgeführt werden kann, was einen fortgesetzten Niedereffizienzbetrieb mit einer schlechten Leistungserzeugungseffizienz zur Folge hat.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Betriebsumschaltverarbeitung von einem Niedereffizienzbetrieb auf einen Normalbetrieb zeigt, die durch ein durch die ECU 70 ausgeführtes Programm realisiert wird. In dem Beispiel von 5 wird von dem Fall ausgegangen, bei dem, während des Fahrbetriebs, ein Aufwärmvorgang in einem Niedereffizienzbetrieb ausgeführt und der Betrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet wird.
  • In dem Zustand, in dem z. B. ein Aufwärmvorgang während eines Fahrbetriebs im Niedereffizienzbetrieb am Betriebspunkt OP2 (I2, V2) in 4 ausgeführt wird, bestimmt die ECU (Umschaltbeurteilungseinheit) 70, dass, wenn der Temperatursensor (Erfassungseinheit) 74 erfasst, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 (in Beziehung stehende Temperatur) eine vorbestimmte Temperatur (70°C) überschritten hat, die Zeit gekommen ist, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet werden soll (Schritt S110: JA). Die ECU 70 bestimmt, dass die Zeit, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, gekommen ist (Schritt S110: JA). Wenn bestimmt wird, dass die Zeit, wenn der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, gekommen ist, führt die ECU 70 die Verarbeitung, bei der die Oxidationsgasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel 20 aus dem Luftkompressor 32 zugeführt werden soll, um eine vorbestimmte Menge (z. B. 0,5 mol/s) erhöht wird, als die Vorverarbeitung vor dem Umschalten auf die ΔV-Steuerung (z. B. ΔV-Auslöse- bzw. Triggerverarbeitung) aus (Schritt S120). Der Niedereffizienzbetrieb wird normalerweise in dem Betriebsbereich mit einer im Vergleich zum Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz (einem Bereich unterhalb der Strom-Spannungs-Kennlinie in 4) ausgeführt. Daher erreicht der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 z. B. bei einer erhöhten Oxidationsgasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel 20 während des Niedereffizienzbetriebs aus dem Luftkompressor 32 zugeführt werden soll, einen hohen Wert, und infolgedessen nimmt auch die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 zu.
  • Unter Zuhilfenahme dieses Prinzips erfasst die ECU 70 zuerst die Ausgangsleistungen vor und nach der ΔV-Triggerverarbeitung (Schritt S130). Die ECU 70 berechnet dann die Ausgangsleistungsabweichung Pd, vergleicht die Ausgangsleistungsabweichung Pd mit dem eingestellten Abweichungsschwellwert ΔP und beurteilt, ob die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP unterschreitet oder nicht; und ob dieser Zustand für eine festgesetzte Zeit oder länger fortbestanden hat (Schritt S140). Wenn die Ausgangsleistungsabweichung Pd größer oder gleich dem Abweichungsschwellwert ΔP ist, oder wenn die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP unterschreitet, doch dieser Zustand für eine festgesetzt Zeit oder länger nicht fortbestanden hat (Schritt S140; NEIN), betrachtet die ECU 70 dies als einen Auslöser, um die die ΔV-Steuerung auszuführen (Schritt S150). Die ECU 70 bestimmt dann basierend auf der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die Zeit, wenn die Steuerung von der ΔV-Steuerung auf die Strom-Spannungs-Steuerung umgeschaltet wird (Schritt S155). Insbesondere wenn der Ausgangsspannungs-Befehlswert des Brennstoffzellenstapels 20 kleiner oder gleich dem voreingestellten Schwellwert ist und dieser Zustand für eine festgesetzte Zeit oder länger fortbestanden hat (Schritt S155; JA), schaltet die ECU 70 den Betriebspunkt um, so dass sich dieser auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befindet, und startet die Strom-Spannungs-Steuerung (Schritt S160).
  • Wenn hingegen die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP unterschreitet und dieser Zustand für eine festgesetzte Zeit oder länger fortbestanden hat, bestimmt die ECU 70, dass die Zeit, wenn die ΔV-Steuerung auszuführen ist, noch nicht gekommen ist. Wenn wie vorstehend beschrieben bestimmt wird, dass die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP überschritten hat, betrachtet die ECU 70 dies als einen Auslöser zum Ausführen der ΔV-Steuerung. Erst wenn daher die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP überschreitet, wird vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet (wird also in anderen Worten keine Strom-Spannungs-Steuerung ausgeführt).
  • Es besteht jedoch beispielsweise dahingehend ein Problem, dass, auch nachdem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorbestimmte oder eine darüber liegende Temperatur erreicht hat, die die Notwendigkeit eines Aufwärmvorgangs im Niedereffizienzbetrieb aufhebt, nicht auf Normalbetrieb umgeschaltet wird, da die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert P nicht überschreitet, was zur Folge hat, dass der Niedereffizienzbetrieb mit der schlechten Leistungserzeugungseffizienz fortgesetzt wird. Wenn in dieser Ausführungsform dementsprechend die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP nicht für eine festgesetzte Zeit oder länger (t > 0) nach dem Start der ΔV-Trigger-Verarbeitung überschritten hat, startet die ECU 70 automatisch die Strom-Spannungs-Steuerung, ohne die ΔV-Steuerung auszuführen. Wie vorstehend beschrieben, wird die Strom-Spannungs-Steuerung automatisch ausgeführt. Der Grund dafür, warum die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert PD nicht für eine festgesetzte oder länger Zeit nach dem Start der ΔV-Trigger-Verarbeitung überschritten hat, ist, dass man davon ausgehen kann, dass der Betriebspunkt sich während des Niedereffizienzbetriebs auf der (oder in der Nähe der) Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befunden hat (siehe z. B. Betriebspunkt OP4 (I4, V4) in 4).
  • In einem solchen Verfahren wird die Strom-Spannungssteuerung (d. h. der Normalbetrieb) nach einer festgesetzten Zeit automatisch ausgeführt, nachdem der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb in dem Zustand überflüssig geworden ist, in dem der Betriebspunkt sich während des Niedereffizienzbetriebs auf der Strom-Spannungs-Kennlinie 200 befindet. Somit kann z. B. das vorstehend beschriebene Problem verhindert werden, dass, selbst nachdem der Aufwärmvorgang im Niedereffizienzbetrieb überflüssig geworden ist, der Umschaltvorgang auf Normalbetrieb nicht ausgeführt werden kann, was einen fortgesetzten Niedereffizienzbetrieb mit einer schlechten Leistungserzeugungseffizienz zur Folge hat.
  • Wenn in der vorstehenden Ausführungsform die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP unterschreitet und dieser Zustand für eine festgesetzte Zeit oder länger fortbestanden ist, wird die Strom-Spannungs-Steuerung automatisch ausgeführt, ohne die ΔV-Steuerung auszuführen (Schritt S140 bis Schritt S170 in 5). Wenn jedoch z. B. die Ausgangsleistungsabweichung Pd den Abweichungsschwellwert ΔP unterschreitet, kann die Strom-Spannungs-Steuerung ungeachtet der Fortbestandsdauer des vorstehenden Zustands automatisch ausgeführt werden.
  • In dieser Ausführungsform wird von dem Fall ausgegangen, dass der Betrieb während des Fahrbetriebs vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet wird. Die Ausführungsform kann jedoch auch auf den Fall angewendet werden, wo von einem Niedereffizienzbetrieb auf einen Normalbetrieb umgeschaltet wird, wobei dieser Umschaltvorgang ausgeführt wird, wenn das System gestartet oder gestoppt wird. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform basierend auf der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20, die durch den Temperatursensor 74 erfasst wird, bestimmt, ob der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll oder nicht. Es kann jedoch ein Sensor (eine Erfassungseinheit) zum Erfassen der mit dem Brennstoffzellenstapel 20 in Beziehungen stehenden Temperaturen, wie z. B. einer Umgebungstemperatur in der Nähe des Brennstoffzellenstapels, einer Komponententemperatur und einer Außenlufttemperatur, vorgesehen sein, und basierend auf den in Beziehung stehenden Temperaturen, die durch diesen Sensor erfasst werden, kann beurteilt werden, ob der Betrieb vom Niedereffizienzbetrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet werden soll.
  • B. Zweite Ausführungsform
  • Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wird die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 während des Niedereffizienzbetriebs konstant gehalten, und die Strömungsrate des Oxidationsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 aus dem Luftkompressor 32 zugeführt werden soll, wird gesteuert, wodurch der Ausgangsstrom Ifc eingestellt wird, wodurch in Entsprechung zu einer Last eine Leistungserzeugungssteuerung ausgeführt wird (Festspannungssteuerung).
  • In Bezug auf den während des Fahrbetriebs stattfindenden Niedereffizienzbetrieb ist jedoch festgestellt worden, dass, wenn die Ausgangsspannung Vfc während der Festspannungssteuerung konstant gehalten wird, ein Bereich, der eine eingestellte zulässige Wasserstoffkonzentration eines Abgases nicht erreichen kann, abhängig vom Wert des Ausgangsstroms Ifc vorhanden ist. In dieser Ausführungsform wird dementsprechend eine in mehreren Stufen ablaufende Festspannungssteuerung ausgeführt, die eine eingestellte zulässige Wasserstoffkonzentration des Abgases ungeachtet des Wert des Ausgangsstroms Ifc während des Niedereffizienzbetriebs stets erreichen kann. Unter der in mehreren Stufen ablaufenden Festspannungssteuerung versteht man eine Steuerung, bei der: mehrere Werte (wobei es sich in dieser Ausführungsform um zwei Werte handelt) der Ausgangsspannung Vfc in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom Ifc eingestellt werden, ohne dabei die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 während des Niedereffizienzbetriebs konstant auf einem feststehenden Wert zu halten, um die eingestellte zulässige Wasserstoffkonzentration des Abgases zu erreichen; und ein Schalten der eingestellten Ausgangsspannungen Vfc entsprechend ausgeführt wird.
  • 6 ist ein Diagramm, dass ein Ausgangsstrom-/Ausgangsspannungs-Kennfeld einer Brennstoffzelle in Bezug auf die jeweiligen Temperaturen des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt.
  • Wie in 6 gezeigt ist, führt eine höhere Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu einer höheren Spannungsuntergrenze, die auf der zulässigen Wasserstoffkonzentration des Abgases basiert. In dieser Ausführungsform wird in einem Experiment etc. die Spannungsuntergrenze, die auf der zulässigen Wasserstoffkonzentration des Abgases basiert, im Voraus für den Fall eingestellt, dass die höchste Temperatur erreicht wird (wobei es sich in diesem Fall um die Temperatur T5 handelt), und der Schaltvorgang der Ausgangsspannung Vfc wird zwischen den Ausgangsspannungen Vfc1 und Vfc2 (> Vfc1) in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom Ifc ausgeführt, um die zulässige Wasserstoffkonzentration des Abgases zu erreichen.
  • Wenn im vorliegenden Fall die Ausgangsspannung Vfc zwischen den Ausgangsspannungen Vfc1 und Vfc2 umgeschaltet wird, wird der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 20 unter Verwendung der ΔV-Steuerung umgeschaltet. Wenn beim Ausführen der ΔV-Steuerung die Ausgangsspannung Vfc rasch erhöht oder gesenkt wird (insbesondere von Vfc1 auf Vfc2, von Vfc2 auf Vfc1), kommt es dahingehend zu Problemen, dass z. B. die der externen Last 56 zugeführte Leistung unzureichend ist und der externen Last 56 zuviel Leistung zugeführt wird. Bei der Ausführung der ΔV-Steuerung wird dementsprechend die Ausgangsspannung erhöht/verringert, während die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 sich verändert, so eingestellt wird, dass die zugeführte Leistung mit der Soll-Leistung übereinstimmt.
  • Indem die vorstehend beschriebene Steuerung ausgeführt wird, kann die zulässige Wasserstoffkonzentration im Abgas auch während des Niedereffizienzbetriebs zuverlässig erreicht werden, und darüber hinaus können Probleme verhindert werden, wie z. B. dass der externen Last 56 unzureichend oder zuviel Leistung zugeführt wird.
  • 7 stellt ein Spannungs-/Strom-Schaltkennfeld MP dar, das in der ECU (Speichereinheit) 70 gespeichert ist. Das Spannungs-/Strom-Schaltkennfeld MP ist ein Kennfeld (Information über die Wasserstoffkonzentration im Abgas), das die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung Vfc und dem Ausgangsstrom Ifc des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt, mit der die Wasserstoffkonzentration im Abgas (Untergrenze der Wasserstoffkonzentration im Abgas) erreicht werden kann. Die ECU (Beurteilungseinheit) 70 nimmt Bezug auf das Strom-/Spannungs-Schaltkennfeld MP und wählt die Ausgangsspannung Vfc1 aus, wenn z. B. der Ausgangsstrom Ifc den Ausgangsstrom Ifc1 (näherungsweise z. B. 50 A) unterschreitet, oder wählt die Ausgangsspannung Vfc (< Vfc1) aus, wenn der Ausgangsstrom Ifc größer oder gleich dem Ausgangsstrom Ifc1 ist (siehe 6).
  • 8 ist ein Flussdiagramm, dass die in mehreren Stufen ablaufende Festspannungs-Steuerungsverarbeitung erläutert, die durch die ECU 70 ausgeführt wird.
  • Wenn der Niedereffizienzbetrieb gestartet wird, bestimmt die ECU 70 basierend auf der Soll-Systemleistung und dem Strom-/Spannungs-Schaltkennfeld MP zuerst die Ausgangsspannung Vfc und den Ausgangsstrom Ifc (Schritt S210).
  • Danach bestimmt die ECU (Beurteilungseinheit) 70, ob die Zeit, wenn die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 geschaltet wird, gekommen ist oder nicht, während sie auf die Spannungsuntergrenze Bezug nimmt, die auf der zulässigen Wasserstoffkonzentration im Abgas basiert, die in 6 (S220) gezeigt ist,. In dem Zustand, z. B., in dem die Ausgangsspannung Vfc2 und der Ausgangsstrom Ifc1 an dem Strompunkt eingestellt sind, wenn der Ausgangsstrom Ifc so eingestellt werden muss, dass er kleiner oder gleich dem Ausgangsstrom Ifc1 ist, bestimmt die ECU 70, dass die Zeit, wenn die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 geschaltet wird, gekommen ist (Schritt S220: JA). Dann schaltet die ECU 70 die Ausgangsspannung Vfc von der Ausgangsspannung Vfc2 auf die Ausgangsspannung Vfc1, indem eine ΔV-Steuerung ausgeführt wird (Schritt S230 bis Schritt S240), und beendet die Verarbeitung. In beispielsweise dem Zustand hingegen, wo die Ausgangsspannung Vfc2 und der Ausgangsstrom Ifc1 auf den Strompunkt eingestellt werden, wenn der Ausgangsstrom Ifc auf einen Wert nicht kleiner oder gleich dem Ausgangsstrom Ifc1 eingestellt werden muss, bestimmt die ECU 70, dass die Zeit, wenn die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 geschaltet wird, noch nicht gekommen ist (Schritt S220; NEIN), und überspringt die Schritte S230 und S240, um die Verarbeitung zu beenden.
  • Wie vorstehend beschrieben wird gemäß dieser Ausführungsform beim Ausführen des Niedereffizienzbetriebs die in mehreren Stufen ablaufende Festspannungssteuerung in Bezug auf die Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 ausgeführt, um die zulässige Wasserstoffkonzentration im Abgas zu erreichen, und darüber hinaus wird, wenn die Ausgangsspannung Vfc geschaltet wird, die ΔV-Steuerung ausgeführt. Dementsprechend kann die zulässige Wasserstoffkonzentration im Abgas auch während des Niedereffizienzbetriebs zuverlässig erreicht werden, und darüber hinaus auch Probleme verhindert werden, wie z. B. dass die der externen Last 56 zugeführte Leistung unzureichend ist und der externen Last 56 zuviel Leistung zugeführt wird.
    • (1) In der vorstehenden Ausführungsform ist der Vorgang des Schaltens der Ausgangsspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 von der niedrigen Ausgangspannung Vfc2 zur hohen Ausgangsspannung Vfc1 (z. B. der Reduktion der Soll-Systemleistung) beschrieben worden. Diese Ausführungsform kann andererseits aber auch auf einen Schaltvorgang von der hohen Ausgangsspannung Vfc1 auf die niedrige Ausgangsspannung Vfc2 (z. B. die Erhöhung der Soll-Systemleistung) angewendet werden.
    • (2) Gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist als ein Beispiel für die in mehreren Stufen ablaufende Festspannungssteuerung eine in zwei Stufen ablaufende Festspannungssteuerung zwischen den beiden Ausgangsspannungen Vfc1 und Vfc2 beschrieben worden. Die in mehreren Stufen ablaufende Festspannungssteuerung kann jedoch auch durch ein Schalten zwischen drei oder mehr Ausgangsspannungen ausgeführt werden. Durch Erhöhen der Anzahl der schaltbaren Ausgangsspannungen kann nämlich eine Ausgangsspannungssteuerung mit einer höheren Leistungserzeugungseffizienz (oder Wärmeerzeugungseffizienz) ausgeführt werden.
  • Beschreibung der Bezugszeichen
    • 10: Brennstoffzellensystem, 20: Brennstoffzellenstapel, 30: Oxidationsgas-Zuführsystem, 40: Brenngas-Zuführsystem, 50: Leistungssystem, 60: Kühlsystem, 70: Steuerung

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem (10), das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem ein Niedereffizienzbetrieb mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, aufweisend: eine Beurteilungseinheit (70), um eine Beurteilung darüber vorzunehmen, ob eine Einstellungsbedingung erfüllt ist oder nicht, wenn ein Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird, wobei, wenn die Einstellungsbedingung nicht erfüllt ist, der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb, über eine ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird, indem eine ΔV-Steuerung ausgeführt wird, wobei eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während Auf- und Entladebeträge in Bezug auf eine Kapazitätskomponente (29) der Brennstoffzelle berücksichtigt werden, wohingegen, wenn die Einstellungsbedingung erfüllt ist, der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb, nicht über die ΔV-Steuerung, auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Oxidationsgaszuführ-Steuerungseinheit (70) zum Erhöhen einer der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgasmenge um eine vorbestimmte Menge, wenn der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet wird; und eine Ableitungseinheit (70) zum Ableiten einer Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle durch Erfassen einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle vor und nach der Erhöhung der Oxidationsgasmenge, wobei, wenn die abgeleitete Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle einen Soll-Leistungsschwellwert unterschreitet, die Beurteilungseinheit (70) beurteilt, dass die Einstellungsbedingung erfüllt ist.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei, wenn die abgeleitete Ausgangsleistungsabweichung der Brennstoffzelle den Soll-Leistungsschwellwert für eine vorbestimmte Zeit oder länger unterschreitet, die Beurteilungseinheit (70) beurteilt, dass die Einstellungsbedingung erfüllt ist.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: eine Erfassungseinheit (74) zum Erfassen einer zur Brennstoffzelle in Beziehung stehenden Temperatur; und eine Umschaltbestimmungseinheit (70) zum Bestimmen, basierend auf der erfassten in Beziehung stehenden Temperatur, ob der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll oder nicht, wobei, wenn die Umschaltbestimmungseinheit (70) bestimmt, dass der Betrieb von dem Niedereffizienzbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet werden soll, die Beurteilungseinheit (70) eine Beurteilung darüber vornimmt, ob die Einstellungsbedingung erfüllt ist oder nicht.
  5. Brennstoffzellensystem (10), das eine Brennstoffzelle aufwärmt, indem ein Niedereffizienzbetrieb mit einer im Vergleich zu einem Normalbetrieb niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird, aufweisend: eine Beurteilungseinheit (70), um eine Beurteilung darüber vorzunehmen, ob eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle während des Niedereffizienzbetriebs verändert werden soll oder nicht; und eine Spannungssteuerungseinheit (70), um, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsspannung verändert werden soll, die Ausgangsspannung zu verändern, indem eine DV-Steuerung ausgeführt wird, bei der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass eine Soll-Systemleistung erreicht wird, während Auf- und Entladebeträge in Bezug auf eine Kapazitätskomponente (29) der Brennstoffzelle berücksichtigt werden, wobei das Brennstoffzellensystem (10) ferner eine Speichereinheit aufweist, zum Speichern von Informationen über eine Wasserstoffkonzentration eines Abgases, die eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung und einem Ausgangstrom der Brennstoffzelle darstellen, die eine Untergrenze der Wasserstoffkonzentration des Abgases erreicht, wobei die Beurteilungseinheit (70), basierend auf den Informationen über die Wasserstoffkonzentration eines Abgases, eine Beurteilung darüber vornimmt, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle während des Niedereffizienzbetriebs verändert werden soll.
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