DE112008003533B4 - Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn die erfasste Zellspannung in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigsten-Spannung fällt, und dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an vermindert.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist.
  • Stand der Technik
  • Bei Brennstoffzellen zum Erzeugen von elektrischer Leistung unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff sind Polymerelektrolytbrennstoffzellen allgemein bekannt. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst einen Stapel, welcher aus einer Mehrzahl von gestapelten Zellen besteht. Die Zellen, welche den Stapel ausbilden, umfassen jeweils eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Luftelektrode), wobei eine Festpolymerelektrolytmembran mit einer Sulfonsäuregruppe als eine Ionenaustauschgruppe zwischen jeder Anode und Kathode angeordnet ist.
  • Ein Brenngas, das ein Brenngas (wasserstoffangereicherter reformierter Wasserstoff durch Reformieren von Wasserstoffgas oder Kohlenwasserstoff erhalten wird) enthält, wird der Anode zugeführt, während ein Gas enthaltender Sauerstoff als ein Oxidationsmittel (Oxidationsgas), z. B. Luft, der Kathode zugeführt wird. Nach dem Zuführen des Brenngases zu der Anode, reagiert Wasserstoff, der in dem Brenngas enthalten ist, mit einem Katalysator in einer Katalysatorschicht, welche die Anode ausbildet, wodurch Wasserstoffionen erzeugt werden. Die erzeugten Wasserstoffionen passieren durch die Festpolymerelektrolytmembran und reagieren elektrisch mit Sauerstoff in der Kathode. Somit wird durch die elektrochemische Reaktion eine elektrische Leistung erzeugt.
  • Hierzu offenbart das untenstehende Patentdokument 1 eine Technik, in welcher eine Brennstoffzelle mit einem kurzen Zuführen von zumindest einem Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und/oder einem Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird, gestartet wird, so dass eine Überspannung in einem Teil der Elektroden ansteigt und mehr Hitze bzw. Wärme erzeugt wird, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird. Die Patentdokumente 2 und 3 beschreiben Techniken zur Strombegrenzung für Brennstoffzellensysteme.
    • Patentdokument 1: JP 2003-504807 A
    • Patentdokument 2: JP 2005-183126 A
    • Patentdokument 3: JP 2007-095588 A
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Obwohl eine Zellspannung der Brennstoffzelle auf einen voreingestellten Schwellwert (zulässiger Wert) vermindert werden muss, wenn ein schnelles Aufwärmen ausgeführt wird, ist im Stand der Technik ein Strom nicht begrenzt worden, bevor eine Zellspannung unter einen zulässigen Wert fällt. Wenn jedoch eine Strombegrenzung ausgeführt wird, nachdem die Zellspannung unter einen zulässigen Wert fällt, hat dies zu dem Problem geführt, dass die Zellspannung aufgrund des schnellen Abfalls der Zellspannung während des schnellen Aufwärmens signifikant unter den zulässigen Wert fällt, was zu einer unbefriedigenden Strombegrenzung führt.
  • Die vorliegende Erfindung ist im Lichte der obenstehenden Umstände gemacht worden, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, dass eine angemessene Strombegrenzung ausführen kann, selbst wenn eine Zellspannung durch z. B. ein schnelles Aufwärmen vermindert wird.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Um das obenstehende Problem zu lösen, sieht die vorliegende ein Brenngassystem bzw. Brennstoffzellensystem vor, mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung bzw. niedrigste Zielspannung für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, in welcher die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung schrittweise aktualisiert, wenn die Beziehung zwischen der erfassten Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Spannung eine vorbestimmte Voraussetzung erfüllt.
  • Mit solch einer Konfiguration wird die Ziel-Niedrigste-Spannung schrittweise aktualisiert, wenn die Beziehung zwischen der erfassten Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Spannung eine vorbestimmte Voraussetzung erfüllt (z. B., wenn die Zellspannung nahe der Ziel-Niedrigste-Spannung kontinuierlich für eine gegebene Zeitdauer ist, oder wenn die Zellspannung nicht nahe der Ziel-Niedrigste-Spannung ist, sondern kontinuierlich für eine gegebene Zeitdauer höher als die Ziel-Niedrigste-Spannung ist). Der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, der wie obenstehend aktualisiert wird, wird verwendet, wenn eine Strombegrenzung ausgeführt wird, wodurch ein Problem verhindert werden kann, derart dass: die Zellspannung und die Ziel-Niedrigste-Spannung sich stark voneinander unterscheiden; wodurch die Zellspannung nicht mehr zu kontrollieren ist, was dazu führt, dass die Zellspannung signifikant unter die Ziel-Niedrigste-Spannung fällt.
  • In der obenstehenden Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung bzw. niedrigste Zielspannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die erfasste Zellspannung in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigste-Spannung fällt, und dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an vermindert.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die erfasste Zellspannung eine vorbestimmte Anzahl oder öfter in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigste-Spannung fällt, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung vermindert.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die erfasste Zellspannung einen Wert, der durch Hinzufügen einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigste-Spannung erhalten wird, überschreitet, und dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an erhöht.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die erfasste Zellspannung eine vorbestimme Anzahl oder öfters einen Wert überschreitet, der durch Hinzufügen einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigste-Spannung erhalten wird, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung erhöht.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass ferner eine Zulässiger-Wert-Einstelleinheit bzw. eine Einstelleinheit für einen zulässigen Wert, die den niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung basierend auf einem Betriebszustand der Brennstoffzelle einstellt, vorgesehen ist.
  • Ferner ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle eine entsprechende Temperatur der Brennstoffzelle, einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, und/oder einen Zuführzustand eines Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle anzeigt.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein weiteres Brennstoffzellensystem vor, mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung bzw. niedrigste Zielspannung für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, in welcher die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an mit einer tatsächlichen Zellspannung, die durch die Erfassungseinheit erfasst wird, aktualisiert, wenn ein Befehlswert für einen Ausgangsstrom bezüglich der Brennstoffzelle auf einen unteren Grenzwert des Ausgangsstroms für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger eingestellt wird, während die Steuereinheit die Strombegrenzung ausführt.
  • Auswirkung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine angemessene Strombegrenzung ausgeführt werden, selbst wenn ein schneller Abfall einer Zellspannung, oder dergleichen auftritt.
  • Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
  • A. Ausführungsform
  • 1 stellt die Konfiguration eines Fahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem 10 ausgestattet ist, gemäß einer Ausführungsform schematisch dar. Obwohl die nachfolgende Beschreibung von einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (engl.: fuel cell hybrid vehicle, FCHV) als ein Beispiel für Fahrzeuge ausgeht, kann das Brennstoffzellensystem auch in elektrischen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen angewandt werden. Zudem kann das Brennstoffzellensystem nicht nur in den Fahrzeugen Anwendung finden, sondern auch in verschiedenen mobilen Vorrichtungen (z. B. Schiffen, Flugzeugen und Robotern), stationären Leistungsquellen und mobilen Brennstoffzellensystemen.
  • In 1 enthält das Brennstoffzellensystem 10: Ein Brenngaszuführsystem 4 zum Zuführen eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases zu einer Brennstoffzelle 20; ein Oxidationsgaszuführsystem 7, zum Zuführen eines Luft enthaltenden Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 20; ein Kühlmittelzuführsystem 3, zum Kühlen der Brennstoffzelle 20; und ein Leistungssystem 9, zum Laden und Entladen von Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird.
  • Die Brennstoffzelle 20 enthält eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 24, welche durch Ausbilden einer Anode 22 und einer Kathode 23 durch beispielsweise einen Siebdruck auf entsprechenden Seiten einer Polymerelektrolytmembran 21, die aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran ausgebildet ist, die zum Beispiel aus einem Fluorharz besteht, bereitgestellt worden ist. Beide Seiten der Membranelektrodenanordnung 24 sind durch Separatoren (nicht dargestellt) sandwichartig aufgenommen, welche beide mit Durchflusswegen für das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel aufweisen, wobei ein ausgenommener bzw. eingekerbter Anodengaskanal 25 und ein eingekerbter Kathodengaskanal 26 entsprechend zwischen dem Separator und der Anode 22, sowie zwischen dem Separator und der Kathode 23 ausgebildet sind. Die Anode 22 ist mit einer Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen, während die Kathode 23 mit einer Luftelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen ist. Die Katalysatorschichten dieser Elektroden sind zum Beispiel mit Platinpartikeln behaftet.
  • Die Oxidationsreaktion, die untenstehend als Formel (1) dargestellt ist, tritt an einer Anode 22 auf, und die Reduktionsreaktion, die untenstehend als Formel (2) dargestellt ist, an einer Kathode 23. Die elektromotorische Reaktion, die untenstehend als Formel (3) dargestellt ist, tritt in der gesamten Brennstoffzelle 20 auf. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H++ 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Dabei ist zu beachten, dass obwohl eine Struktur einer Einheitszelle einschließlich der Membranelektrodenanordnung 24, dem Anodengaskanal 25 und dem Kathodengaskanal 26 in 1 zu Veranschaulichungszwecken schematisch dargestellt ist, umfasst die Brennstoffzelle eigentlich eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl von Einheitszellen (Zellgruppe), welche über die obenstehend beschriebenen Separatoren in Serie miteinander verbunden sind.
  • Das Kühlmittelzuführsystem 3 des Brennstoffzellensystems 10 ist mit einem Kühlmittelweg 31 zum Zirkulieren des Kühlmittels, einem Temperatursensor 32 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das von der Bennstoffzelle 20 ausgelassen wird, einem Radiator (Wärmetauscher) 33 zum Abstrahlen der Wärme des Kühlmittels an die Umgebung, einem Ventil 34 zum Einstellen eines Betrags bzw. einer Menge des Kühlmittels, das in den Radiator 10 einzuführen ist, einem Kühlmittelpumpe 35 zum Druckbeaufschlagen und Zirkulieren des Kühlmittels, einen Temperatursensor 36 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das der Brennstoffzelle 20 zuzuführen ist, und dergleichen.
  • In dem Brenngaszuführsystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 sind angeordnet: eine Brenngaszuführvorrichtung 42 zum Speichern eines Brenngases (Anodengas), z. B. Wasserstoffgas; ein Brenngasdurchflussweg 40 zum Zuführen des Brenngases von der Brenngaszuführvorrichtung 42 an den Anodengaskanal 25; und ein Zirkulationsdurchflussweg (Zirkulationsweg) 51 zum Zirkulieren eines Brenn-Abgases, das von dem Anodengaskanal 25 an den Brenngasdurchflussweg 40 abgelassen wird, wobei diese Gasdurchflusswege das Brenngaszirkulationssystem ausbilden.
  • Die Brenngaszuführvorrichtung 42 besteht zum Beispiel aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoff absorbierenden Legierung und einem Reformer. Der Brenngasdurchflussweg 40 ist vorgesehen mit: einem Abschaltventil (Hauptventil) 43 zum Steuern des Brenngasausflusses von der Brenngaszuführvorrichtung 42; einem Drucksensor 44 zum Erfassen des Druckes des Brenngases; einem Regelventil (Ejektor) 45, zum Regeln des Brenngasdruckes des Zirkulationsweges 51; und einem Abschaltventil 46 zum Steuern der Brenngaszuführung zu der Brennstoffzelle 20.
  • Der Zirkulationsdurchflussweg 51 ist vorgesehen mit: einem Abschaltventil 52 zum Steuern der Brenn-Abgaszuführung von der Brennstoffzelle 20 zum Zirkulationsweg 51; einem Gas-Flüssigkeit-Separator 53 und einem Auslassventil 54 zum Entfernen bzw. Auslassen von Wasser, das in dem Brenn-Abgas enthalten ist; einer Wasserstoffpumpe (Zirkulationspumpe) 55 zum Verdichten des Brenn-Abgases, welches während des Passierens durch den Anodengaskanal 25 an Druck verloren hat, um den Gasdruck. auf einen passenden Druck anzuheben und das Brenn-Abgas an den Brenngasdurchflussweg 40 zurückzuführen; und einem Prüfventil 56 zum Verhindern, dass das Brenngas in dem Brenngasdurchflussweg 40 in den Zirkulationsdurchflussweg 51 zurückfließt. Durch Ansteuern der Wasserstoffpumpe 55 mit einem Motor wird das Brenn-Abgas, das vom Antrieb der Wasserstoffpumpe 55 kommt, im Brenngasdurchflussweg 40 mit dem Brenngas verbunden bzw. vermischt, das von der Brenngaszuführvorrichtung 42 zugeführt wird, und anschließend an die Brennstoffzelle 20 weitergeleitet und wiederverwendet. Dabei ist zu beachten, dass die Wasserstoffpumpe 55 vorgesehen ist mit: einem Drehzahlsensor 57 zum Erfassen der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55; und Drucksensoren 58 und 59 zum Erfassen der Drücke im Zirkulationsweg, vor und nach der Wasserstoffpumpe 55.
  • Außerdem ist in dem Zirkulationsdurchflussweg 51 ein Abgasdurchflussweg 61 zum Ablassen des Brenn-Abgases, welches von der Brennstoffzelle 20 von einem Fahrzeug nach außen abgelassen worden ist, über einen Verdünner (z. B., eine Wasserstoffkonzentrationsverringerungsvorrichtung) 62, auf solch eine Weise vorgesehen, dass der Ablassdurchflussweg 61 von dem Zirkulationsdurchflussweg 51 abzweigt. Der Ablassdurchflussweg 61 ist mit einem Spülventil 63 vorgesehen und konfiguriert, den Ablass des Brenn-Abgases zu steuern. Durch Öffnen oder Schließen des Spülventils 63, um die Zirkulation in der Brennstoffzelle 20 zu wiederholen, kann der Abgasdurchflussweg 61 das Brenn-Abgas, in welchem die Konzentration von Unreinheiten erhöht worden ist, nach außen ablassen, und frisches Brenngas einführen, wodurch verhindert wird, dass die Zellspannung abfällt. Zudem kann der Abgasdurchflussweg 61 über den Innendruck des Zirkulationsdurchflussweges 51 einen Impuls erzeugen, und Wasser, welches sich im Gasdurchflussweg angesammelt hat, entfernen bzw. auslassen.
  • Hierbei sind in dem Oxidationsgaszuführsystem 7 des Brennstoffzellensystems 10 ein Oxidationsgasdurchflussweg 71 zum Zuführen eines Oxidationsgases (Kathodengas) zu dem Kathodengaskanal 26 und ein Kathodenabgasdurchflussweg 72 zum Ablassen des Kathodenabgases, das von dem Kathodengaskanal 26 abgelassen wird, angeordnet. Der Oxidationsgasdurchflussweg 71 ist vorgesehen mit: einem Luftreiniger 74 zum Einführen von Luft aus der Umgebung; und einem Luftkompressor 75 zum Verdichten der eingeführten Luft und Weiterleiten der verdichteten Luft an den Kathodengaskanal 26 als ein Oxidationsgas. Der Luftkompressor 75 ist mit einem Drucksensor 73 zum Erfassen des Luftzuführdrucks des Luftkompressors 75 vorgesehen. Ein Befeuchter 76 zum Durchführen eines Feuchtigkeitsaustausches ist zwischen dem Oxidationsgasdurchflussweg 71 und dem Kathodenabgasdurchflussweg 72 vorgesehen. Der Kathodenabgasdurchflussweg 73 ist mit einem Druckregelventil 77 zum Regeln des Ablassdruckes des Kathodenabgasdurchflussweges 72, einem Gas-Flüssigkeit-Separator 64 zum Entfernen von Wasser, dass in dem Kathodenabgas enthalten ist, und einem Schalldämpfer 65 zum Absorbieren von Ablass- bzw. Abgasgeräuschen des Kathodenabgases, vorgesehen. Das Kathodenabgas, das von dem Gas-Flüssigkeit-Separator 64 abgelassen wird, wird verzweigt, und ein Teil des abgezweigten Kathodenabgases fließt in den Verdünnen 62 und wird mit dem Brenn-Abgas, das in dem Verdünnen 62 gehalten wird, um verdünnt zu werden, vermischt, während der andere Teil des abgezweigten Kathodenabgases durch den Schalldämpfer 65 adsorbiert wird, mit dem Gas vermischt wird, welches durch den Verdünner 62 gemischt und verdünnt wird, und anschließend vom Fahrzeug nach außen abgelassen wird.
  • Das Leistungssystem 9 im Brennstoffzellensystem 10 ist verbunden mit: einem DC-DC-Wandler 90, mit welchem ein Ausgangsanschluss einer Batterie 91 an einer Primärseite verbunden ist, und ein Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 20 an einer Sekundärseite; der Batterie 91 als eine Sekundärbatterie zum Speichern von Überschussleistung; einem Batteriecomputer 92 zum Aufzeichnen des Ladezustands der Batterie 91; einem Inverter 93 zum Zuführen bzw. Einspeisen einer AC-Leistung an einen Fahrzeugsantriebsmotor 94, welcher als Last oder Vorgabe, die durch die Brennstoffzelle 20 anzutreiben ist, dient; und einem Inverter 95 zum Zuführen einer AC-Leistung an verschiedene Hochspannungshilfsgeräte 96 im Brennstoffzellensystem 10; einem Spannungssensor 97 zum Messen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20; und einem Stromsensor 98 zum Messen eines Ausgangsstroms.
  • Zudem ist die Brennstoffzelle 20 mit einem Zellmonitor 101 zum Erfassen einer Spannung in jeder Zelle der Brennstoffzelle 20 verbunden. Der Zellmonitor (Erfassungseinheit) 101 ist konfiguriert, die Zellspannung von jeder Zelle zu erfassen, und ferner die niedrigste Zellspannung zu erfassen, welche die Zellspannung ist, die den niedrigsten Wert der Zellspannungen aufweist.
  • Der DC-DC-Konverter 90 führt eine Spannungsumwandlung bezüglich der Überschussleistung der Brennstoffzelle 20 oder einer Regenerationsleistung, die aus einem Bremsbetrieb des Fahrzeugsantriebsmotors 94 resultiert, durch, und führt die Leistung der Batterie 91 zum Laden der Batterie 91 zu. Um das Verringern der Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, bezüglich der Leistung, welche der Fahrzeugantriebsmotor 94 benötigt, zu kompensieren, führt der DC-DC-Wandler 90 auch eine Spannungswandlung bezüglich einer Ausgangsleistung von der Batterie 91 durch, und gibt die Leistung an die Sekundärseite aus.
  • Die Inverter 93 und 95 wandeln einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, und geben den gewandelten Strom entsprechend an den Fahrzeugantriebsmotors 94 und die Hochspannungshilfsgeräte 96 aus. Der Fahrzeugantriebsmotor 94 ist mit einem Drehzahlsensor 99 zum Erfassen der Drehzahl des Motors 94 vorgesehen. Der Motor 94 ist mechanisch mit den Rädern 100 über ein Differential verbunden, so dass das Drehmoment des Motors 94 in eine Antriebsleistung für das Fahrzeug gewandelt werden kann.
  • Der Spannungssensor 97 und der Stromsensor 98 werden zum Messen einer AC-Impedanz basierend auf der Phase und Amplitude eines Stroms entsprechend der Spannung eines AC-Signals, das in das Leistungssystem 9 eingebracht bzw. aufgeschaltet bzw. überlagert ist, verwendet. Der Zustand (Wassergehalt, Leistungserzeugungszustand; etc.) der Brennstoffzelle 20 kann anhand des Messergebnisses der AC-Impedanz entnommen werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 ist ferner mit einer Steuerung 80 zum Steuern der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 12 vorgesehen. Die Steuerung 80 besteht aus einem Universalcomputer, der zum Beispiel eine CPU (Central Processing Unit), ein RAM, ein ROM und eine Schnittstellenschaltung enthält. Die Steuerung 80 ist konfiguriert, um: Sensorsignale von den Temperatursensoren 32 und 36, den Drucksensoren 44, 58 und 59 und den Drehzahlsensoren 57 und 99, sowie Signale von dem Spannungssensor 97, dem Stromsensor 98 und einem Zündschalter 82 zu erlangen; die Drehzahlen der Wasserstoffpumpe 55 und des Luftkompressors 75 durch Antreiben der entsprechenden Motoren gemäß dem Zustand des Batteriebetriebs, z. B. Leistungslast, einzustellen; und verschiedene Ventile zu öffnen bzw. zu schließen oder die Öffnungsgrade bzw. -winkel der Ventile einzustellen. In dieser Ausführungsform sind die Temperatursensoren 32 und 36 als Beispiele der Sensoren zum Messen der Temperatur des Kühlmittels in der Brennstoffzelle 20 gegeben, können jedoch auf Temperaturen bezüglich der Brennstoffzelle 20 (hiernach zusammenfassend als stapelbezogene Temperatur bezeichnet), wie zum Beispiel eine Außenlufttemperatur in der Umgebung der Brennstoffzelle und eine Komponententemperatur, erfassen.
  • Beim Steuern der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 10, zum Beispiel bei einem schnellen Aufwärmen, berechnet die Steuerung 80 eine Fahrzeugsystem-Anforderungsleistung (System-Anforderungsleistung, die durch das System angefordert bzw. benötigt wird) Preq, basierend auf einer Verlustleistung eines Fahrzeughilfsgeräts, einem Ladebetrag bzw. einer Lademenge der Batterie und einer Leistungsgrenzenrate des Hochspannungshilfsgeräts 96, und berechnet einen Fahrzeugsystem-Anforderungsstrom Ireq durch Teilen der System-Anforderungsleistung Preq durch eine Sekundärspannungsausgabe vom DC-DC-Wandler 90. Zu diesem Zeitpunkt führt die Steuerung 80 den Strombegrenzungsprozess basierend auf der niedrigsten Zellspannung, die durch das Zellkontrollgerät 101 erfasst wird, durch.
  • In dieser Ausführungsform wird ein Niedrigeffizienzbetrieb gestartet (Einschalten von einem Startvorbereitungszustand in einen Niedrigeffizienzbetriebszustand), wenn bestimmt wird, dass die stapelbezogene Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 0°C) in den Zustand fällt, in dem der Betrieb des Fahrzeugs gestoppt wird (d. h., in einen Startvorbereitungsschritt vor dem Fahren des Fahrzeugs; hiernach als Startvorbereitungszustand bezeichnet), wodurch ein schnelles Aufwärmen der Brennstoffzelle 20 ausgeführt wird.
  • Hierbei bezieht sich der Niedrigeffizienzbetrieb auf einen Betrieb mit einer niedrigen Leistungserzeugungseffizienz, welche durch Reduzieren der Luftzufuhr, im Vergleich zu einem Normalbetrieb (z. B., Einstellen eines stöchiometrischen Luftverhältnisses auf ca. 1,0) erreicht wird, um einen Leistungserzeugungsverlust zu steigern. Wenn der Niedrigeffizienzbetrieb mit einem niedrig eingestellten stöchiometrischen Verhältnis ausgeführt wird, wird die Konzentrationsüberspannung im Vergleich zum Normalbetrieb groß. Dadurch tritt ein Anstieg eines Wärmeverlusts bzw. einer Wärmeumwandlung (Leistungserzeugungsverlust) einer Energie auf, welche durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden kann.
  • Das obenstehend beschriebene schnelle Aufwärmen während des Niedrigeffizienzbetriebs wird nicht nur vor dem Fahren des Fahrzeugs ausgeführt (der Startvorbereitungszustand zum Niedrigeffizienzbetriebszustand), sondern auch z. B. während eines Fahrens des Fahrzeugs oder wenn das Fahrzeug gestoppt wird (dem Normalbetriebszustand zum Niedrigeffizienzbetriebszustand). Auch das stöchiometrische Luftverhältnis (d. h., Überschussverhältnis) während des Niedrigeffizienzbetriebs soll nicht auf ca. 1,0 begrenzt sein, sondern kann beliebig eingestellt bzw. verändert werden, falls das Verhältnis im Vergleich zum Normalbetrieb klein ist.
  • 2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm, welches durch eine Steuerung 80 realisiert wird, die ein vorbestimmtes bzw. voreingestelltes Computerprogramm ausführt.
  • Wie in 2 dargestellt, enthält die Steuerung 80 ein Schnelles-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a, ein Anforderungsleistung-Berechnungsteil 80b, ein Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c, ein Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d und ein Strom/SpannungsbefehlswertBerechnungsteil 80e.
  • Das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a bestimmt den Start/Stopp einer Ausführung eines schnellen Aufwärmens basierend auf der stapelbezüglichen Temperatur, die durch die Temperatursensoren 32 und 35 erfasst wird. Genauer gesagt, wenn das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst, dass die stapelbezügliche Temperatur in einem Startvorbereitungszustand unter einer ersten Schwellwerttemperatur (z. B. 0°C) liegt, bestimmt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a, dass das Ausführen des schnellen Aufwärmens gestartet werden sollte, und gibt anschließend Schnelles-Aufwärmen-Startbefehle an das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d und das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus. Wenn hierbei das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst, dass die stapelbezügliche Temperatur gleich oder höher als eine zweite Schwellwerttemperatur ist (z. B. 0 bis 80°C), oder dass eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Start des schnellen Aufwärmens vergangen ist, gibt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a einen Schnelles-Aufwärmen-Auführungsstoppbefehl an das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus.
  • Das Anforderungsleistung-Berechnungsteil 80b berechnet eine Systemanforderungsleistung (hier: Anforderungsleistung für die Brennstoffzelle 12) basierend auf einer Verlustleistung eines Fahrzeughilfsgeräts, eines Ladebetrags der Batterie, einer Leistungsgrenzrate des Hochspannungshilfsgeräts 96, etc., und gibt die berechnete Anforderungsleistung an das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus.
  • Das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil (Zulässiger-Wert-Einstelleinheit) 80c weist eine Funktion zum Einstellen eines Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes basierend auf dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 auf. Der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert stellt eine Spannung dar, welche für den Schutz der Brennstoffzelle als eine Zellspannung während einer niedrigen Temperatur zulässig ist (niedrigster zulässiger Wert der Zellspannung), und wird z. B. durch ein Umkehrpotential während einer Wasserstoffgasverminderung um einen Reduzierungsbetrag des Kathodenpotentials aufgrund eines Widerstandswertes berechnet. Der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird experimentell erhalten, wobei ein Zulässiger-Wert-Kennfeld zum Bestimmen des Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes basierend auf den Ergebnissen des Experiments erstellt wird. Verschiedene Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Werte werden gemäß dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 aufgezeichnet, genauer gesagt, die stapelbezügliche Temperatur, ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 20, der Zuführzustand des Brenngases zur Brennstoffzelle 20 (Normal- oder Abnormalzuführzustand des Brenngases), etc.
  • Der Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c erkennt den Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 anhand der stapelbezüglichen Temperatur, die durch die Temperatursensoren 32 und 35 erfasst wird, des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20, welche durch den Stromsensor 98 erfasst wird, einer Brenngasdurchflussrate pro Zeiteinheit, welche durch den Drucksensor, einen Durchflussmesser (nicht dargestellt) erfasst wird, etc., und bezieht sich auf das Zulässige-Wert-Kennfeld, um den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert gemäß des Betriebszustandes einzustellen. Das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c benachrichtigt anschließend das Ziel-Zellenspannungswert-Einstellteil 80d über den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert.
  • Das Ziel-Zellenspannungswert-Einstellteil (Einstelleinheit) 80d weist eine Funktion zum schrittweisen Einstellen eines Zielwertes für die niedrigste Zellspannung auf (Ziel-Niedrigste-Spannung), eine Funktion zum Aktualisieren eines Zielwertes für die niedrigste Zellspannung (hiernach als Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert bezeichnet), wenn eine erfasste Zellspannung einen vorbestimmten Zustand bzw. eine vorbestimmte Voraussetzung bezüglich des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes erfüllt, und eine Funktion zum Ausgeben des aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e, auf. Der aktualisierte Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert ist immer auf einen Wert gleich oder höher als der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert eingestellt. Der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird hier nicht weiter beschrieben, da Betriebe bzw. Prozesse bezüglich des Einstellen und Aktualisierens des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert nachfolgend im Detail beschrieben werden.
  • Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80b und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Werteausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus. Der Strombefehlswert und Spannungsbefehlswert dienen als Steuersignale zum Spezifizieren eines tatsächlichen Ausgangsstroms und einer Ausgangsspannung in der Brennstoffzelle 20. Außerdem führt das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil (Steuereinheit) 80e eine Strombegrenzung unter Verwendung einer PI-Steuerung bezüglich des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes aus, wenn die erfasste Zellspannung (niedrigste Zellspannung) den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert erreicht.
  • 3 zeigt ein Zeitdiagramm, das Betriebe in konventionellen Strombegrenzungsprozessen erläutert. 4 zeigt ein Zeitdiagramm, das Betriebe in einem Strombegrenzungsprozess in dieser Ausführungsform erläutert. In den 3 und 4 zeigen die Vertikalachsen eine Zellspannung der Brennstoffzelle 20, einen Ausgangsstrom (Fahrzeugsystem-Anforderungsstrom 10) und eine Ausgangsspannung, und die Horizontalachse eine vergangene Zeit.
  • Wie in 3 dargestellt, ist in den konventionellen bzw. herkömmlichen Strombegrenzungsprozessen nur ein Zulässiger-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vph eingestellt worden, während ein Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert nicht eingestellt worden ist. Daher ist keine Strombegrenzung ausgeführt worden, bevor die niedrigste Zellspannung den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert nach dem Start eines schnellen Aufwärmens in dem Niedrigeffizienzbetrieb erreicht. Allerdings hat das Ausführen einer Strombegrenzung nach dem Erreichen des Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes zu einem Problem geführt, dass die Zellspannungen aufgrund eines schnellen Abfalls der Zellspannung während des Niedrigeffizienzbetriebs signifikant unter den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert abfallen (siehe α dargestellt in 3).
  • Im Lichte des Obenstehenden wird in dieser Ausführungsform ein Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth gleich oder höher als der zulässige Niedrigste-Zellspannung-Wert Vph eingestellt, während der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth schrittweise aktualisiert wird, und eine Strombegrenzung unter Verwendung des aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth wie in 4 dargestellt ausgeführt wird. Genauer gesagt wird eine Strombegrenzung über eine PI-Steuerung bezüglich des aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth ausgeführt, wodurch das Problem verhindert wird, dass eine Zellspannung signifikant unter den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert fällt.
  • Der Strombegrenzungsprozess in dieser Ausführungsform wird untenstehend bezüglich 4 im Detail beschrieben.
  • Wenn das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst, dass die stapelbezügliche Temperatur unter der ersten Schwellwerttemperatur (z. B. 0°C) in einem Startvorbereitungszustand ist, und einen Befehl zum Starten eines schnellen Aufwärmens im Niedrigeffizienzbetrieb ausgibt, erkennt das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 als den relevanten Moment, und stellt einen Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vph gemäß dem Betriebszustand durch Bezugnahme auf das Zulässige-Wert-Kennfeld ein (siehe 4). Hierbei stellt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d einen Initialwert für einen Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ein (z. B. –0,05 V) (siehe 4). Dabei ist zu beachten, dass der Initialwert des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes nicht nur ein fester Wert sein kann, sondern auch beliebig gemäß der FC-Bezüglichen-Temperatur bzw. der Temperatur bzgl. der Brennstoffzelle, etc. verändert werden kann.
  • Das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 aus, um die Zellspannung der Brennstoffzelle in Richtung Initialwert auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vt zu vermindern. Durch Ausführen einer solchen Steuerung fällt die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf die Ziel-Niedrigste-Zellspannung Vth ab.
  • Betrieb für den Fall eines abfallenden Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
  • Das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d vergleicht die niedrigste Zellspannung, die durch das Zellkontrollgerät 101 erfasst wird, mit dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d beurteilt anschließend, unter Verwendung des Bedingungsausdrucks (1), ob die niedrigste Zellspannung für eine vorgegebene Zeitdauer (vorbestimmte Zeitdauer) kontinuierlich nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist. Dabei ist zu beachten, dass die Schwellwertspannung Vr (≥ 0) und eine vorgegebene Zeitdauer TR (≥ 0) beliebig eingestellt bzw. verändert werden können. |Vth – Vd| ≤ Vr, das für die vorbestimmte Zeitdauer Tr oder länger andauert (1)
  • Vth steht für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, Vd für die niedrigste Zellspannung und Vr für die Schwellwertspannung (Grenzwertbereich).
  • Wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass der Bedingungsausdruck (1) zutrifft (siehe β1, dargestellt in 4), aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Vermindern des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth erhalten wird, nur um eine Aktualisierungsweite ΔV (z. B., 0,05 V). Vth = Vth – ΔV (2)
  • Ferner gibt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e aus. Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a, der zulässigen Zellspannungswertausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertausgabe von dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus. Durch Ausführen einer solchen Steuerung fällt die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf den aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ab. Die obenstehend beschriebene Steuerung wird wiederholend ausgeführt, wodurch der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth schrittweise vermindert wird.
  • Betrieb für den Fall eines ansteigenden Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
  • Das Ziel-Zellspannung-Einstellteil 80d beurteilt unter Verwendung eines Bedingungsausdrucks (3), ob die niedrigste Zellspannung für eine gegebene Zeitdauer (vorbestimmte Zeitdauer) kontinuierlich nicht nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth und höher als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist oder nicht. Dabei ist zu beachten, dass eine Zielwert-Aktualisierungsgrenze Vr'(≥ 0) und eine vorbestimmte Zeitdauer Tr' (≥ 0), wie im Bedingungsausdruck (1) dargestellt, beliebig eingestellt bzw. verändert werden können. Vd > Vth + Vr', das für die vorbestimmte Zeitdauer Tr' oder länger andauert (3)
  • Vth steht für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, Vd steht für die niedrigste Zellspannung und Vr' steht für die Zielwert-Aktualisierungsgrenze (Aktualisierungsgrenze).
  • Wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass der Bedingungsausdruck (3) zutrifft (siehe β2, dargestellt in 4), aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Erhöhen der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth erhalten wird, nur um eine Aktualisierungsweite ΔV' (z. B. 0,05 V). Vth = Vth + ΔV' (4)
  • Der Grund für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, der schrittweise vermindert worden ist und anschließend wieder angehoben wurde, ist, dass wenn die Differenz zwischen der niedrigsten Zellspannung und dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert groß wird, diese große Differenz zu einem schnellen Abfall der niedrigsten Zellspannung auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert führt, was eine nicht mehr steuerbare Zellspannung zur Folge hat (d. h., Verursachen der Zellspannung, signifikant unter den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert zu fallen).
  • Demgemäß wird der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit dem Wert aktualisiert, der durch Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth ausschließlich um ΔV' (z. B. 0,05 V) erhalten wird, und der aktualisierte Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e ausgegeben, wenn die niedrigste Zellspannung, wie obenstehend beschrieben, nicht kontinuierlich für eine gegebene Zeitdauer (vorbestimmte Zeitdauer) nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth und höher als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist.
  • Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a und der Ziel-Niedrigste-Zellspannungswerte-Ausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus. Die obenstehend beschriebene Steuerung wird ausgeführt, wodurch ein Problem verhindert wird, dass: die niedrigste Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert sich stark voneinander unterscheiden; und als Ergebnis die Zellspannung nicht mehr steuerbar ist, was dazu führt, dass die Zellspannung signifikant unter den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert fällt.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das den obenstehenden Strombegrenzungsprozess erläutert. Eine Sequenz von Prozessabläufen durch die Steuerung 80 wird untenstehend bezüglich dem Flussdiagramm in 5 beschrieben.
  • Zuerst beurteilt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a, ob die stapelbezügliche Temperatur im Startvorbereitungszustand unter der ersten Schwellwerttemperatur (z. B. 0°C) liegt oder nicht. Wenn das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst, dass die stapelbezügliche Temperatur, die durch die Temperatursensoren 32, 36 erfasst wird, unterhalb der ersten Schwellwerttemperatur liegt, bestimmt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a, dass ein schnelles Aufwärmen in einem Niedrigeffiziensbetrieb gestartet werden sollte, und gibt Schnelles-Aufwärmen-Startbefehle an das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus (Schritt S10 bis Schritt S20).
  • Wenn das zulässige Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den Schnelles-Aufwärmen-Startbefehl erhält, erkennt das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 als den relevanten Moment, und stellt anschließend den Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth gemäß dem Betriebszustand unter Bezugnahme auf das Zulässige-Wert-Kennfeld ein (Schritt S20). Hierbei stellt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d einen Initialwert für einen Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ein (z. B. –0,05 V) (Schritt S30).
  • (Schritt S30; siehe Fig. 4)
  • Das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 aus, um die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf den eingestellten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth (hier: Initialwert) zu vermindern (Schritt S40). Durch Ausführen einer solchen Steuerung fällt die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ab.
  • Das Ziel-Niedrigste-Zellspannungswert-Einstellteil 80d vergleicht anschließend die niedrigste Zellspannung, die durch das Zellkontrollgerät 101 erfasst wird, mit dem eingestellten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth, und beurteilt dadurch, ob der Zeitpunkt, wenn der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert aktualisiert wird, aufgetreten ist oder nicht (Schritt S50). Genauer gesagt beurteilt das Ziel-Niedrigste-Zellspannungswert-Einstellteil 80 unter Verwendung des Bedingungsausdrucks (1), ob die niedrigste Zellspannung für eine gegebene Zeitdauer kontinuierlich nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist oder nicht (ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert abgefallen ist oder nicht), oder beurteilt unter Verwendung des obenstehenden Bedingungsausdrucks (3), ob die niedrigste Zellspannung für eine gegebene Zeitdauer kontinuierlich nicht nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth und höher als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist oder nicht (ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert angestiegen ist oder nicht).
  • Wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass weder der Bedingungsausdruck (1) noch der Bedingungsausdruck (3) zutrifft, und der Zeitpunkt, wenn der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert aktualisiert wird, nicht aufgetreten ist (Schritt S50; NEIN), schreitet der Prozessablauf zu Schritt S40 zurück. Wenn hingegen einer der obenstehenden Bedingungsausdrücke (1) und (3) zutrifft, führt das Ziel-Zellspannungswert 80d einen Prozessablauf zum Vermindern oder Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth gemäß dem zugetroffenen Zustandsausdruck aus.
  • Genauer gesagt aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Vermindern des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV (siehe Ausdruck (2)) erhalten wird, um den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert zu vermindern, wenn der obenstehende Zustandsausdruck (1) zutrifft (siehe β1, dargestellt in 4) (Schritt S50, über Schritt S60, bis S80).
  • Hierbei aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV' (siehe Ausdruck (4)) erhalten wird, um den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert anzuheben, wenn der obenstehende Zustandsausdruck (3) zutrifft (siehe β2, dargestellt in 4) (Schritt S50, über Schritt S60, bis S70).
  • Das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aktualisiert den Ziel-Zellspannung-Wert wie obenstehend beschrieben, und gibt anschließend den aktualisierten Ziel-Zellspannung-Wert an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e aus. Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen Strombefehlswert und ein Spannungsbefehlswert an den DC-DC Wandler 90 basierend auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a, der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertausgabe von dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d, etc. aus (Schritt S40). Die obenstehend beschriebene Steuerung wird ausgeführt, wodurch ein Problem verhindert wird, dass: sich die niedrigste Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert stark voneinander unterscheiden; und als Ergebnis, die Zellspannung nicht mehr zu kontrollieren ist, was dazu führt, dass die Zellspannung signifikant unter den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert fällt.
  • B. Modifikationen
  • Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die obenstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt sein, sondern kann auf verschiedene Arten und Weisen modifiziert sein.
  • Modifikation 1
  • Obwohl der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert in der obenstehenden Ausführungsform aktualisiert wird, wenn entweder der Zustandsausdruck (1) oder der Zustandsausdruck (3) zutrifft, kann zudem (oder anstelle dessen) der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert auch aktualisiert werden, wenn der untenstehende Zustandausdruck (5) zutrifft. Ic = Il, was für eine neu eingestellte Zeitdauer Ts während einer Strombegrenzung oder länger andauert (5)
  • Ic steht für einen Strombefehlswert, und Il für einen untere-Grenze-Stromwert.
  • Wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass der Zustandsausdruck (5) zutrifft, aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit der niedrigsten Zellspannung Vr von dem gegenwärtigen Moment an, wie im untenstehenden Ausdruck (6) dargestellt. Vth = Vr (6)
  • Vr steht für eine niedrigste Zellspannung Vr von diesem bzw. dem gegenwärtigen Moment an.
  • Wie obenstehend beschrieben aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil (Einstelleinheit) 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit der niedrigsten Zellspannung von dem gegenwärtigen Moment an (tatsächliche Zellspannung) Vr, wenn der Strombefehlswert der Brennstoffzelle 20 für die neu eingestellte Zeitdauer oder länger (z. B., 500 ms) während der Strombegrenzung gleich dem Untere-Grenze-Stromwert (z. B. 10 A) ist. Der Grund für das Ausführen einer solchen Steuerung ist der, wenn die niedrigste Zellspannung selbst nach einer Strombegrenzung für eine gegebene Zeitdauer nicht auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert ansteigt, bleibt der Strombefehlswert der Brennstoffzelle 20 auf einem Untere-Grenze-Stromwert VI. Um das obenstehende Problem zu lösen aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellungsteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit der niedrigsten Zellspannung Vr von dem gegenwärtigen Moment an, wenn der Strombefehlswert der Brennstoffzelle 20 für eine gegebene Zeitdauer oder länger (neu eingestellte Zeitdauer) gleich dem Untere-Grenze-Stromwert ist. Dabei ist zu beachten, dass der Untere-Grenze-Stromwert Il und die neu eingestellte Zeitdauer Ts beliebig eingestellt bzw. verändert werden können.
  • Modifikation 2
  • Der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert kann aktualisiert werden, wenn die Zustandsausdrücke (1)' und (3)' anstelle (oder zusätzlich zu) den umstehenden Zustandsausdrücken (1) und (3) zutreffen. Hierbei ist zu beachten, dass die vorbestimmten Nummern Nr (≥ 1) und Nr' (≥ 1) beliebig eingestellt bzw. verändert werden können. |Vth – Vd| ≤ Vr, das die vorbestimmte Anzahl Nr oder öfter erfasst wird (1)' Vd > Vth + Vr', das die vorbestimmte Anzahl Nr' oder öfter erfasst ist (3)'
  • Genauer gesagt aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Vermindern des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV, wie durch den Ausdruck (2) dargestellt, erhalten wird, wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil (Einstelleinheit) 80d bestimmt, dass der Zustandsausdruck (1)' zutrifft; wobei, wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass der Zustandsausdruck (3)' zutrifft, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert aktualisiert, der durch Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV, wie in Ausdruck (4) dargestellt, erhalten wird. Wie obenstehend beschrieben kann nicht basierend auf der Zeitdauer, während welcher die niedrigste Zellspannung nahe dem Ziel-niedirgste-Zellspannung-Wert Vth oder Zeitdauer, während welcher die niedrigste Zellspannung nicht nahe dem Ziel-niedirgste-Zellspannung-Wert Vth ist, sondern basierend auf der Anzahl, wenn die niedrigste Zellspannung nahe den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth oder der Anzahl, wenn die niedrigste Zellspannung nicht nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist, beurteilt werden, ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert aktualisiert wird oder nicht.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt ein Systemkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerung gemäß der Ausführungsform.
  • 3 zeigt ein Zeitdiagramm, das Betriebe konventioneller Stormbegrenzungsprozessabläufe erläutert.
  • 4 zeigt ein Zeitdiagramm, das Betriebe von Strombegrenzungsabläufen der Ausführungsform erläutert.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das den Strombegrenzungsprozessablauf der Ausführungsform erläutert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    20
    Brennstoffzelle
    32, 36
    Temperatursensoren
    101
    Zellkontrollgerät
    80a
    Schnelles-Aufwärmen-Bestimmungsteil
    80b
    Anforderungsleistung-Berechnungsteil
    80c
    Zulässiger-Zellspannungswert-Einstellteil
    80d
    Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil
    80e
    Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil

Claims (7)

  1. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn die erfasste Zellspannung in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigsten-Spannung fällt, und dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an vermindert.
  2. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn die erfasste Zellspannung für eine vorbestimmte Anzahl oder öfter in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigsten-Spannung fällt, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung vermindert.
  3. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn die erfasste Zellspannung einen Wert überschreitet, der durch Hinzufügen einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigsten-Spannung erhalten wird, und dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an erhöht.
  4. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn die erfasste Zellspannung eine vorbestimmte Anzahl oder öfters einen Wert überschreitet, der durch Hinzufügen einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigsten-Spannung erhalten wird, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung erhöht.
  5. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer Zulässiger-Wert-Einstelleinheit, die den niedrigsten zulässigen Wert der Zellspannung basierend auf einem Betriebszustand der Brennstoffzelle einstellt.
  6. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 5, wobei der Betriebszustand der Brennstoffzelle eine entsprechende Temperatur der Brennstoffzelle, einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, und/oder einen Zuführzustand eines Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle anzeigt.
  7. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung für die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, wobei wenn ein Befehlswert für einen Ausgangsstrom bezüglich der Brennstoffzelle auf einen unteren Grenzwert des Ausgangsstroms für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger eingestellt wird, während die Steuereinheit die Strombegrenzung ausführt, aktualisiert die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an mit einer tatsächlichen Zellspannung, die durch die Erfassungseinheit erfasst wird.
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