DE112009004773B4

DE112009004773B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009004773B4
Application number: DE112009004773.4T
Authority: DE
Inventors: Tomotaka Ishikawa; Keigo Suematsu; Nobuo Watanabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JPWO2010131351A1; CN102422473A; US8728672B2; DE112009004773T5; CN102422473B; US20120058404A1; JP5273244B2; WO2010131351A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2) mit einem Zellstapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wobei die Brennstoffzelle (2) mit einem Oxidationsgas und einem Brenngas als Reaktionsgase versorgt wird, die dem Zellstapelkörper zugeführt werden, und durch eine elektrochemische Reaktion der Reaktionsgase elektrische Leistung erzeugt; und einen Steuerabschnitt (7), der das Brennstoffzellensystem (1) steuert, wobei der Steuerabschnitt (7) umfasst: ein Ausgangsstromsteuermittel (71) zum zeitweiligen Erhöhen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle (2) während eine Menge des Oxidationsgasesdas der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, beibehalten wird; ein Widerstandskomponentenberechnungsmittel (72: 72b) zum Berechnen einer Widerstandskomponente aus einem Ausgangsstromwert und einem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle (2), wenn der Ausgangsstrom zeitweilig durch das Ausgangsstromsteuermittel (71) erhöht ist; ein Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel (72: 72c) zum Berechnen des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle (2) entsprechend der von dem Widerstandskomponentenberechnungsmittel (72: 72b) berechneten Widerstandskomponente; ein Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel (72: 72d) zum Bestimmen, ob der von dem Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel (72: 72c) berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als ein Trockenzustandgrenzwert ist, der zum Bestimmen des Trockenzustands dient; und ein Feuchtigkeitsgehalterhöhungsmittel (73) zum Ausführen eines Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozesses, der einen Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (2) erhöht, wenn durch das Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel (72: 72d) bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem
Stand der Technik
Die JP 2008-123783 A offenbart eine Technik zum Feststellen des Feuchtigkeitsgehalts in einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird die Änderungsrate einer Zellspannung, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle mit einer bestimmten Änderungsrate geändert wird, bestimmt, und der Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle wird entsprechend der Differenz zwischen der Änderungsrate der Zellspannung und der Änderungsrate der vorgegebenen Referenzspannung bestimmt.
Die DE 100 07 973 A1 offenbart weiter ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vom Polymerelektrolyttyp, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen, von denen jede eine Elektrolytmembran besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden steht, wobei das System eine Brennstoffgaszuführung, die der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zuführt, einen Brennstoffgasbefeuchter, der das Brennstoffgas befeuchtet, einen Stromdetektor, der einen von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Strom erfaßt, einen Widerstandsdetektor, der einen Widerstand der Brennstoffzelle erfaßt, und eine Befeuchtungszustandsbestimmungseinrichtung, die einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen auf Basis des von dem Stromdetektor erfaßten Stroms und des von dem Widerstandsdetektor erfaßten Widerstands bestimmt, einschließt. Dieses Brennstoffzellensystem bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen, basierend auf dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Strom und dem elektrischen Widerstand der Brennstoffzelle, welcher direkt bestimmt wird durch den Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen.
Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Wenn bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle mit einer bestimmten Änderungsrate verändert wird, wird die Zufuhrmenge an Brenngas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verändert. Wenn die Zufuhrmenge des Brenngases verändert wird, verändern sich Bedingungen wie Druck, die Menge des erzeugten Wassers etc. und verursachen dadurch Schwierigkeiten beim genauen Feststellen des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle.
Die vorliegende Erfindung dient dazu, die Probleme des vorstehend beschriebenen Standes der Technik zu beseitigen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit zu stellen, das geeignet ist den Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle zu bestimmen, ohne eine Abweichung im Zufuhrzustand des Reaktionsgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verursachen.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, weist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle mit einem Zellstapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wobei die Brennstoffzelle mit einem Oxidationsgas und einem Brenngas als Reaktionsgase versorgt wird, die dem Zellstapelkörper zugeführt werden, und durch eine elektrochemische Reaktion der Reaktionsgase elektrische Leistung erzeugt; und einen Steuerabschnitt, der das Brennstoffzellensystem steuert, wobei der Steuerabschnitt umfasst: ein Ausgangsstromsteuermittel zum zeitweiligen Erhöhen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle während eine Menge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, beibehalten wird; ein Widerstandskomponentenberechnungsmittel zum Berechnen einer Widerstandskomponente aus einem Ausgangsstromwert und einem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle, wenn der Ausgangsstrom zeitweilig durch das Ausgangsstromsteuermittel erhöht ist; ein Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel zum Berechnen des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle entsprechend der von dem Widerstandskomponentenberechnungsmittel berechneten Widerstandskomponente; ein Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob der von dem Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als ein Trockenzustandgrenzwert ist, der zum Bestimmen des Trockenzustands dient; und ein Feuchtigkeitsgehalterhöhungsmittel zum Ausführen eines Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozesses, der einen Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle erhöht, wenn durch das Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle zu erfassen während die Menge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, beibehalten wird.
Da das Brennstoffzellensystem das Feuchtigkeitsgehalterhöhungsmittel aufweist, ist es möglich, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle erhöht wird, wenn das Innere der Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand ist.
Ferner ist es möglich, den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle basierend auf der Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle zu berechnen, und den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als der Trockenzustandsgrenzwert ist.
Bei dem vorgenannte Brennstoffzellensystem kann das vorgenannte Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel ferner ein Feuchtigkeitsgehaltschätzmittel umfassen, zum Schätzen des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle unter Verwendung eines Wertes, der nach der Subtraktion einer aus der Brennstoffzelle abgeführten Wassermenge von einer durch eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugten Wassermenge erhalten wird, wobei, wenn der Trockenzustand der Brennstoffzelle bestimmt werden soll, das Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel bestimmt, ob der berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger ist als der Trockenzustandsgrenzwert, wenn der Feuchtigkeitsgehalt vom Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsmittel berechnet wird, und bestimmt, ob der vom Feuchtigkeitsgehaltschätzmittel geschätzte Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger ist als der Trockenzustandsgrenzwert, wenn der Feuchtigkeitsgehalt nicht vom Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel berechnet wird.
Dies macht es möglich, dass der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle genau bestimmt wird, da der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt, in dem leicht Fehler auftreten können, durch einen hoch genauen Feuchtigkeitsgehalt korrigiert werden kann, der durch das Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel berechnet wird.
Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem kann das Ausgangsstromsteuermittel zeitweilig den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle erhöhen, während die Zufuhrmenge an Oxidationsgas beibehalten wird, wenn die Brennstoffzelle sich in einem intermittierenden Betrieb befindet.
Dies ermöglicht eine genaue Berechnung der Widerstandskomponente, da ein so genanntes Stromziehen (current sweep) in einem Zustand ausgeführt werden kann, in dem die Zufuhrmenge, Druck etc. des Reaktionsgases nicht variieren.
Das vorgenannte Brennstoffzellensystem kann ferner ein Katalysatoraktivierungsmittel aufweisen, um während des intermittierenden Betriebs einen Strom von der Brennstoffzelle auszugeben, so dass eine Spannung der Brennstoffzelle in einem Reduktionsbereich eines in der Brennstoffzelle enthaltenen Katalysators liegt, wobei das Widerstandskomponentenberechnungsmittel den Widerstand entsprechend eines Abweichungszustands des durch das Katalysatoraktivierungsmittel aktivierten Katalysators korrigiert.
Dies ermöglicht die Erfassung des Abnahmezustands bzw. Verschlechterungszustands des Katalysators nachdem der Katalysator während des intermittierenden Betriebs aktiviert wurde, und die Korrektur der Widerstandskomponente entsprechend des festgestellten Abnahmezustands.
Das vorstehend genannte Brennstoffzellensystem kann ferner ein Feuchtigkeitsgehaltabsenkmittel aufweisen, um einen Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozess auszuführen, der den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle absenkt, wenn durch das Feuchtigkeitszustandbestimmungsmittel bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle ein Naßzustand ist.
Dies ermöglicht es den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle abzusenken, wenn das Innere der Brennstoffzelle in einem Naßzustand ist.
Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem kann das Feuchtigkeitszustandbestimmungsmittel ein Zellspannungsbestimmungsmittel aufweisen, zum Bestimmen, ob jede der durch einen Zellspannungsbestimmungsabschnitt, der die Spannung der Einheitszelle bestimmt, bestimmten Spannungen einen Naßzustandsgrenzwert, der zum Bestimmen des Naßzustandes dient, oder einen niedrigeren Wert erreicht hat, während der Ausgangsstrom zeitweilig durch das Ausgangsstromsteuermittel erhöht wird, wobei das Feuchtigkeitsgehaltabsenkmittel den Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozess ausführt, wenn durch das Zellspannungsbestimmungsmittel bestimmt wird, dass die Spannung den Naßzustandsgrenzwert oder den niedrigeren Wert erreicht hat.
Dies macht es möglich, durch Erfassen, ob die Zellspannung gleich oder geringer als der Naßzustandsgrenzwert ist, festzustellen, ob das Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand ist oder nicht, und, wenn das Innere der Brennstoffzelle in einem Naßzustand ist, kann der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle abgesenkt werden.
Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle erfasst werden, ohne eine Abweichung im Zufuhrzustand des Reaktionsgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verursachen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Konfigurationsdarstellung, die schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß den Ausführungsformen zeigt;
2 zeigt ein Blockschaubild, das eine funktionelle Anordnung eines Steuerabschnittes gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
3 zeigt ein Flussdiagramm, zum Erläutern eines Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozesses gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozesses in einer ersten Ausführungsform;
5 zeigt ein Blockschaubild, das eine funktionelle Anordnung eines Steuerabschnittes gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
6 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozesses in einer zweiten Ausführungsform;
7 zeigt ein Blockschaubild, das eine funktionelle Anordnung eines Steuerabschnittes gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt; und
8 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozesses gemäß einer dritten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Jede Ausführungsform beschreibt einen Fall, bei dem das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung als fahrzeuggestütztes Leistungserzeugungssystem für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug (BZHV) verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch für andere mobile Gegenstände als das Brennstoffzellenhybridfahrzeug verwendet werden (z. B. Roboter, Schiffe und Flugzeuge) und kann zudem auch für ortsfeste Leistungserzeugungssysteme verwendet werden, die als Leistungserzeugungsvorrichtungen für Bauwerke (Häuser, Gebäude etc.) Anwendung finden.
Erste Ausführungsform
Zunächst wird die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine Darstellung, die schematisch die Konfiguration des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1: eine Brennstoffzelle 2, die mit einem Oxidationsgas und einem Brenngas als Reaktionsgase versorgt wird und elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt; ein Oxidationsgasleitungssystem 3, das Luft als das Oxidationsgas der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Brenngasleitungssystem 4, das Wasserstoff als Brenngas der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Kühlsystem 5, das Kühlwasser zirkuliert und der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein elektrisches Leistungssystem 6, das elektrische Leistung des Systems lädt und entlädt; und einen Steuerabschnitt 7, der zentral das gesamte System steuert.
Das Brennstoffzellensystem 2 ist beispielsweise eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle und hat eine Stapelstruktur, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist. Die Einheitszellen haben jeweils eine Kathode (Luftelektrode) an einer Fläche eines Elektrolyts, das aus einer Ionenaustauschmembran besteht, sowie eine Anode (Brennstoffelektrode) an der anderen Fläche des Elektrolyts. Für die Elektroden, einschließlich der Kathoden und Anoden, wird Platin PT basierend auf einem porösen Kohlenstoffmaterial als Katalysator (Elektrodenkatalysator) verwendet. Die Einheitszelle umfasst ferner ein paar Separatoren, welche die Anode und die Kathode zwischen sich aufnehmen. Bei dieser Konfiguration wird Wasserstoffgas einem Wasserstoffgasströmungsweg in einem Separator zugeführt, während das Oxidationsgas einem Oxidationsgasströmungsweg im anderen Separator zugeführt wird, und diese Reaktionsgase reagieren chemisch miteinander um elektrische Leistung zu erzeugen.
Das Brennstoffzellensystem 2 ist mit einem Spannungssensor V versehen, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfasst, sowie einem Stromsensor A, der einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle erfasst. Jede Einheitszelle der Brennstoffzelle 2 ist mit einer Zellüberwachungseinrichtung (einem Zellspannungserfassungsabschnitt, nicht dargestellt) zum Erfassen einer Spannung der Einheitszelle ausgestattet.
Das Oxidationsgasleitungssystem 3 umfasst einen Kompressor 31, der die durch einen Filter eingebrachte Luft verdichtet und die verdichtete Luft als Oxidationsgas ausgibt; einen Oxidationsgaszufuhrströmungsweg 32 zum Zuführen des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 2; und einen Oxidationsabgasströmungsweg 33 zum Abgeben des Oxidationsabgases, das von der Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird.
Die Auslaßseite des Kompressors 31 ist mit einem Durchflussmengensensor F versehen, der die Durchflussmenge des Oxidationsgases, das vom Kompressor 31 ausgegeben wird, misst. Der Oxidationsabgasströmungsweg 33 ist mit einem Gegendruckventil 34 versehen, das den Druck des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle 2 einstellt. Ein Drucksensor P, der den Druck des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle 2 erfasst, ist an der Auslaßseite der Brennstoffzelle 2 des Oxidationsabgasströmungswegs 33 angeordnet.
Das Brenngasleitungssystem 4 umfasst: Einen Brennstofftank 40, der als Brennstoffzufuhrquelle dient, die Brenngas speichert, das unter hohem Druck steht; einen Brenngaszufuhrströmungsweg 41, zum Zuführen des Brenngases vom Brennstofftank 40 zur Brennstoffzelle 2; sowie einen Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 zum Zurückführen eines Brennstoffabgases, das aus der Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird, zum Brenngaszufuhrströmungsweg 41. Der Brenngaszufuhrströmungsweg 41 ist mit einem Druckregelventil 43 ausgestattet, dass den Druck des Brenngases auf einen vorgegebenen Sekundär-Druck regelt, und der Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 ist mit einer Brenngaspumpe 44 versehen, die das Brennstoffabgas im Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 unter Druck setzt und das Brenngas in Richtung zum Brenngaszufuhrströmungsweg 41 sendet.
Das Kühlsystem 5 umfasst: einen Kühler 51, der das Kühlwasser kühlt; einen Kühlwasserzirkulationsströmungsweg 52, zum Zirkulieren und Zuführen des Kühlwassers zur Brennstoffzelle 2 und dem Kühler 51; sowie eine Kühlwasserpumpe 53, die das Kühlwasser im Kühlwasserzirkulationsströmungsweg 52 zirkuliert. Der Kühler 51 ist mit einem Kühlgebläse 54 versehen. Die Auslaßseite der Brennstoffzelle 2 des Kühlwasserzirkulationsströmungsweges 52 ist mit einem Temperatursensor T versehen, der die Temperatur des Kühlwassers erfasst. Die Position des Temperatursensors T kann an der Einlaßseite der Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein.
Das elektrische Leistungssystem 6 umfasst einen DC/DC-Wandler 61, eine Batterie 62, die eine Sekundär-Batterie ist; einen Traktionsinverter 63; einen Traktionsmotor 64 als Leistungsverbrauchsvorrichtung; sowie zahlreiche Hilfsinverter, die nicht dargestellt sind. Der DC/DC-Wandler 61 ist ein Gleichstromspannungswandler, der umfasst: eine Funktion zum Regeln einer Gleichstromspannung, die von der Batterie 62 eingegeben wird, sowie zum Ausgeben der geregelten Spannung zum Traktionsinverter 63; und eine Funktion zum Regeln einer Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 2 über den Traktionsmotor 64 eingegeben wird, und zum Ausgeben der geregelten Spannung zur Batterie 62. Diese Funktionen des DC/DC-Wandlers 61 laden und entladen die Batterie 62.
Die Batterie 62 umfasst gestapelte Batteriezellen und stellt eine gewisse Hochspannung als Klemmenspannung zur Verfügung, wobei die Batterie 62 geeignet ist, mit überschüssiger Energie geladen zu werden und elektrische Leistung zur Unterstützung unter der Steuerung eines (nicht dargestellten) Batteriecomputers abzugeben. Der Traktionsinverter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen 3-Phasen-Wechselstrom um und führt den 3-Phasen-Wechselstrom dem Traktionsmotor 64 zu. Der Traktionsmotor 64 ist beispielsweise ein 3-Phasen-Wechselstrommotor, der eine Hauptleistungsquelle für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist, darstellt. Die Hilfsinverter sind elektrische Motorsteuereinheiten, welche den Antrieb der jeweiligen Motoren steuern, wobei die Hilfsinverter einen Gleichstrom in einen 3-Phasen-Wechselstrom umwandeln und den 3-Phasen-Wechselstrom den jeweiligen Motoren zuführen.
Der Steuerabschnitt 7 misst die Menge bzw. Größe des Betriebs bzw. der Betätigung eines Beschleunigungselements (eines Beschleunigers), das im Brennstoffzellenhybridfahrzeug vorgesehen ist, empfängt Steuerinformationen, wie z. B. einen Beschleunigungsanfragewert, (z. B. die Menge der Leistungserzeugung, die von Leistungsverbrauchsvorrichtungen wie dem Traktionsmotor 64 benötigt wird) und steuert den Betrieb verschiedener Vorrichtungen im System. Beispiele für die Leistungsverbrauchsvorrichtung können, zusätzlich zum Traktionsmotor 64, Hilfsvorrichtungen enthalten, die notwendig sind, um die Brennstoffzelle 2 zu betreiben (z. B. Motoren für den Kompressor 31, die Brenngaspumpe 44, die Kühlwasserzirkulationspumpe 53 etc.); Aktuatoren, die in verschiedenen Vorrichtungen, die für das Fahren des Fahrzeugs relevant sind verwendet werden (z. B. Drehzahländerungsgetriebe, Radsteuerungsvorrichtungen, Lenkgetriebe und -Aufhängungen); sowie Air-Conditioning-Vorrichtungen (Klimaanlagen) Beleuchtungsequipment, Audiosysteme etc. die in den Fahrgasträumen vorgesehen sind.
Der Steuerabschnitt 7 enthält als physische Bauteile beispielsweise eine CPU; einen Speicher sowie ein Eingabe/Ausgabe-Interface. Der Speicher umfasst beispielsweise ein ROM, das ein Steuerprogramm sowie Steuerdaten speichert, die von der CPU verarbeitet werden, sowie ein RAM, das hauptsächlich dazu verwendet wird, zahlreiche Arbeitsbereiche für die Steuerverarbeitung zu bieten. Diese Elemente sind miteinander über einen Bus verbunden. Das Eingabe/Ausgabe-Interface ist mit zahlreichen Sensoren, wie z. B. dem Spannungssensor V, dem Stromsensor A, dem Drucksensor P, dem Temperatursensor T und dem Durchflussratensensor F, sowie mit zahlreichen Antrieben zum Antreiben des Kompressors 31, der Brenngaspumpe 44 und der Kühlwasserzirkulationspumpe 53 etc. verbunden.
Die CPU empfängt Messergebnisse der jeweiligen Sensoren über das Eingabe/Ausgabe-Interface und verarbeitet die erfassten Messergebnisse unter Verwendung von unterschiedlichen Datenarten im RAM gemäß dem im ROM gespeicherten Steuerprogramm, und führt dadurch unterschiedliche Steuerprozesse aus. Die CPU gibt Steuersignale an die verschiedenen Antriebe über die Eingabe/Ausgabe-Interfaces aus, und steuert dadurch das gesamte Brennstoffzellensystem 1. Ein Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess, der durch einen Steuerabschnitt 7 in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird, wird nachfolgend beschrieben. Der Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess der ersten Ausführungsform wird während eines normalen Betriebs durchgeführt. Betriebszustände der Brennstoffzelle umfassen einen normalen Betrieb und einen intermittierenden Betrieb. Der intermittierende Betrieb ist ein Betriebsmodus, der dem Brennstoffhybridzellenfahrzeug ermöglicht, lediglich mit der elektrischen Leistung zu fahren, die von der Batterie 62 zur Verfügung gestellt wird, und der Normalbetrieb ist ein anderer Betriebsmodus als der intermittierende Betrieb.
Wie in 2 dargestellt umfasst der Steuerabschnitt 7 funktionell: einen Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 (Ausgangsstromsteuermittel); einen Feuchtigkeitszustandbestimmungsabschnitt 72 (Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel); einen Feuchtigkeitsgehalterhöhungsverarbeitungsabschnitt 73 (Feuchtigkeitsgehalterhöhungsmittel); sowie einen Feuchtigkeitsgehaltabsenkverarbeitungsabschnitt 74 (Feuchtigkeitsgehaltabsenkmittel). Der Speicher 79 des Steuerabschnitts 7 speichert verschiedene Kennfelder für die vorgenannten Abschnitte.
Der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 erhöht zeitweilig den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 während die Menge des der Brennstoffzelle 2 zugeführten Oxidationsgases beibehalten wird. Die Erhöhung des Ausgangsstromes wird durch Absenken der Spannung der Brennstoffzelle 2 auf eine Spannung unter der benötigen Spannung und erzwungenes Abgreifen eines Stromes, der höher als der benötigte Strom von der Brennstoffzelle 2 ist, durchgeführt (nachfolgend als Stromziehen, „current sweep”, bezeichnet). Der während des Stromziehens gleichbleibend zu haltende Parameter ist nicht auf die Zufuhrmenge des Oxidationsgases beschränkt. Die Zufuhrmenge des Brenngases kann ebenfalls beibehalten werden, oder die Zufuhrmenge sowohl des Oxidationsgases als auch des Brenngases kann beibehalten werden.
Der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 führt zeitweilig das Stromziehen ohne Ändern der Zufuhrmenge des Oxidationsgases, Drucks etc. aus. Allgemein gesprochen ist, wenn das Stromziehen ohne Änderung der Zufuhrmenge des Oxidationsgases etc. ausgeführt wird, das Oxidationsgas unzureichend und das stöchiometrische Verhältnis würde auf einen Wert unter 1 abnehmen, wodurch die Leistungserzeugung nicht fortgesetzt werden könnte. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch das Abnehmen des stöchiometrischen Verhältnisses, das während des Stromziehens auftritt, durch zeitweiliges Ausführen des Stromziehens vermieden.
Dies basiert auf dem Wissen, dass, da Sauerstoff und Wasserstoff in den Stapeln der Brennstoffzelle 2, insbesondere im Katalysator, zurückbleiben, selbst wenn das Stromziehen ausgeführt wird, während die Zufuhrmenge des Oxidationsgases beibehalten wird, das Stromziehen bei gleichbleibendem stöchiometrischen Verhältnis ausgeführt werden kann solange dies nur ausgeführt wird, bis der verbleibende Sauerstoff und der verbleibende Wasserstoff verschwinden. So ermöglicht das effektive Nutzen des verbleibenden Sauerstoffs und des verbleibenden Wasserstoffs im Stapel das zeitweilige beibehalten des stöchiometrischen Verhältnisses selbst wenn ein Stromziehen ausgeführt wird, während die Zufuhrmenge des Oxidationsgases beibehalten wird. Das stöchiometrische Verhältnis bezieht sich auf das Verhältnis der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases und der Menge des durch die Brennstoffzelle verbrauchten Gases, wobei das stöchiometrische Verhältnis durch die Gleichung: stöchiometrisches Verhältnis = Zufuhrgasmenge/Verbrauchsgasmenge dargestellt ist.
Der Zeitpunkt zum Ausführen des Stromziehens kann entsprechend der Menge an verbleibendem Sauerstoff und der Menge an verbleibendem Wasserstoff eingestellt werden. Beispielsweise kann die Zeit, die benötigt wird, um die Menge an elektrischer Leistung die vom verbleibenden Sauerstoff und verbleibenden Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden kann, als obere Grenzzeit zum Ausführen des Stromziehens eingestellt werden. Die Menge an elektrischer Leistung, die durch den verbleibenden Sauerstoff und den verbleibenden Wasserstoff bereitgestellt werden kann, kann beispielsweise durch das Design des Stapels der Brennstoffzelle, die Bedingungen der Zufuhrmenge, Druck, etc. des Oxidationsgases und des Brenngases, den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle etc. bestimmt werden. Wenn die Menge an elektrischer Leistung, die durch den verbleibenden Sauerstoff und den verbleibenden Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden kann festgestellt ist, kann der Strom, der für das Stromziehen benötigt wird, und die obere Grenzzeit des Stromziehens bestimmt werden.
Beispielsweise kann die Zeit, die benötigt wird, um die Menge an Daten in denen Bestimmungsfehler, die auftreten, wenn der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle bestimmt wird innerhalb eines gewährbaren Bereichs liegen, als untere Grenzzeit zum Ausführen des Stromziehens bestimmt werden. Die während des Stromziehens erhaltenen Daten stellen den Ausgangsstromwert und den Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle dar. Die Bestimmung des Feuchtigkeitszustands geschieht basierend auf der Widerstandskomponente, die durch Teilen des erhaltenen Ausgangsspannungswerts durch den Ausgangsstromwert erhalten wird.
Auf Grund der Beziehung, bei welcher der Ausgangsstrom zunimmt wenn die Geschwindigkeit der Spannungsabnahme der Brennstoffzelle zunimmt (nachfolgend als Ziehgeschwindigkeit „sweep speed” bezeichnet), ist es notwendig die Ziehgeschwindigkeit gemäß dem benötigten Strom zu bestimmen. Falls zudem die Spannung der Brennstoffzelle zu niedrig oder zu hoch ist, würde der verbleibende Sauerstoff verringert, dass die Reduktionsreaktion des Katalysators verringert würde. Wenn der verbleibende Sauerstoff abnimmt, nimmt der Strom, der von der Brennstoffzelle genommen werden kann, ab. Daher ist es vorzuziehen, dass die Spannung innerhalb des Bereichs variiert, in dem die Reduktionsreaktion des Katalysators nicht abnimmt.
Der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle kann breit aufgefasst werden, z. B. als geeigneter Zustand, als trockener (ausgetrockneter) Zustand und als nasser (überfluteter) Zustand. Der geeignete Zustand betrifft den Zustand, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt, der trockene Zustand betrifft den Zustand, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt geringer als der geeignete Bereich ist, und der nasse Zustand betrifft den Zustand, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt größer als der geeignete Bereich ist. Der geeignete Bereich des Feuchtigkeitsgehalts ist in einem Bereich vorgesehen, in welchem die Eigenschaften der Brennstoffzelle 2 erfüllt werden können.
Der Feuchtigkeitszustandsbestimmungsabschnitt 72 bestimmt den Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 zu dem Zeitpunkt, während das Stromziehen zeitweilig durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird. Der Feuchtigkeitszustandsbestimmungsabschnitt 72 umfasst einen Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a (Feuchtigkeitsgehaltschätzmittel); einen Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b (Widerstandskomponentenberechnungsmittel); sowie einen Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c (Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel); einen Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d (Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel) und einen Zellspannungsbestimmungsabschnitt 72e (Zellspannungsbestimmungsmittel).
Der Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a schätzt den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des durch Subtraktion der aus der Brennstoffzelle 2 entnommenen Wassermenge von der durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wassermenge (nachfolgend als „Wasserbalance” bezeichnet) erhaltenen Werts. Genauer gesagt schätzt der Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle durch Addieren der augenblicklich berechneten Wasserstoffbilanz zum vorher geschätzten Feuchtigkeitsgehalt.
Die aus der Brennstoffzelle 2 entnommene Wassermenge kann anhand der Feuchtigkeit und Menge des Gases am Kathodenauslass der Brennstoffzelle 2 berechnet werden. Die Feuchtigkeit des Gases kann basierend auf der Temperatur des Kühlwassers und der Leistungserzeugungsmenge berechnet werden. Daher kann ein Kennfeld zum Berechnen der Feuchtigkeit des Gases aus der Temperatur des Kühlwassers und der Menge der Leistungserzeugung vorab durch Experimente etc. erhalten werden und wird in einem Speicher 79 gespeichert.
Parameter zum Berechnen der Wasserbalance können beispielsweise einen Erfassungswert eines Stromsensors A (Stromwert der Brennstoffzelle), einen Erfassungswert eines Temperatursensors T (Temperatur des Kühlwassers), einen Erfassungswert eines Drucksensors P (Kathodendruck der Brennstoffzelle), einen Erfassungswert eines Durchflussratensensors F (Durchflussrate des Oxidationsgases), eine Kathodenfeuchte der Brennstoffzelle (die als 100% angenommen werden kann, wenn sie unbekannt ist) etc. enthalten.
Der durch den Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a geschätzte Feuchtigkeitsgehalt wird im vorher geschätzten Feuchtigkeitsgehalt gespeichert. Wenn jedoch der Feuchtigkeitsgehalt durch einen Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsabschnitt 72c, der nachfolgend erklärt wird, berechnet wird, wird dieser berechnete Feuchtigkeitsgehalt im vorher geschätzten Feuchtigkeitsgehalt gespeichert. Daher kann der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt, in welchem leicht Fehler auftreten, durch den hoch genauen Feuchtigkeitsgehalt, der durch den Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsabschnitt 72c berechnet wurde, korrigiert werden, wodurch die Schätzgenauigkeit des Feuchtigkeitsgehalts verbessert werden kann.
Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet die Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsstromwerts und des Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelle 2 zu dem Zeitpunkt wenn ein Stromziehen zeitweilig durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird. Die Widerstandskomponente kann durch Teilen des Ausgangsspannungswertes durch den Ausgangsstromwert erhalten werden. Wenn die Änderung im Ausgangsspannungswert bezüglich des Ausgangsstromwertes in einer Koordinatenebene dargestellt wird, in welcher der Ausgangsstrom eine horizontale Achse bildet und die Ausgangsspannung eine vertikale Achse bildet, ist diese Widerstandskomponente als Steigung in einem Graph, der in dem Koordinatensystem dargestellt ist, abgebildet.
Der Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsabschnitt 72c berechnet den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung der Widerstandskomponente, welche durch den Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet wurde. Der Feuchtigkeitsgehalt kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben berechnet werden. Zunächst existiert eine Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und dem Feuchtigkeitsgehalt derart, dass der Feuchtigkeitsgehalt zunimmt, wenn die Widerstandskomponente abnimmt, und das der Feuchtigkeitsgehalt abnimmt, wenn die Widerstandskomponente zunimmt. Daher ist ein Kennfeld, das eine derartige Beziehung speichert, im Speicher hinterlegt. Der Feuchtigkeitsgehaltberechungsabschnitt 72c berechnet den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 2 unter Bezugnahme auf das vorgenannte Kennfeld basierend auf der Widerstandskomponente, welche durch den Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet wurde und Extrahieren des Feuchtigkeitsgehalts entsprechend der Widerstandskomponente aus dem Kennfeld.
Der Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d bestimmt ob der durch den Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a geschätzte Feuchtigkeitsgehalt oder der durch den Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als ein vorgegebener Trockenzustandsgrenzwert ist. Der Feuchtigkeitsgehalt, der mit dem Trockenzustandsgrenzwert zu vergleichen ist, ist im Allgemeinen der Feuchtigkeitsgehalt, der durch den Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a geschätzt wurde. Wenn jedoch der Feuchtigkeitsgehalt durch den Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsabschnitt 72c berechnet wird, entspricht der zu vergleichende Feuchtigkeitsgehalt diesem berechneten Feuchtigkeitsgehalt. Um eine Bestimmung basierend auf einem derartigen Feuchtigkeitsgehalt auszuführen, ist beispielsweise ein Element zur Bestimmung, bezeichnet als Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands, vorgesehen, und dieser Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands kann, wie nachfolgend beschrieben, zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands werden.
Genauer gesagt wird jedes Mal, wenn der Feuchtigkeitsgehalt durch den Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a geschätzt wird, der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt im Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands gespeichert. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt durch den Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c berechnet wird, wird der berechnete Feuchtigkeitsgehalt dazu verwendet, um den Gehalt des Feuchtigkeitsgehalts zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands zu aktualisieren. Auf Grund dessen kann der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt, bei dem leicht Fehler auftreten können, durch den hoch genauen Feuchtigkeitsgehalt, der durch den Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c berechnet wurde, korrigiert werden, wodurch eine genaue Bestimmung des Feuchtigkeitszustands der Brennstoffzelle möglich ist.
Ein oberer Feuchtigkeitsgehaltgrenzwert der dazu geeignet ist, Festzustellen, dass das Innere der Brennstoffzelle in einem Trockenzustand ist, kann als der vorgenannte Trockenzustandgrenzwert gesetzt werden. Dies ermöglicht eine Bestimmung, dass der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand ist, wenn der Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als der Trockenzustandsgrenzwert ist.
Ein Zellspannungsbestimmungsabschnitt 72e bestimmt, ob die minimale Zellspannung der Zellspannungen, welche durch die Zellüberwachungseinrichtung erfasst werden, während das Stromziehen zeitweilig durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird, den vorgegebenen Naßzustandgrenzwert oder einen geringeren Wert erreicht haben. Ein oberer Spannungsgrenzwert, der geeignet ist festzustellen, dass das Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand ist, kann als Naßzustandgrenzwert verwendet werden. Dies ermöglicht eine Feststellung, dass der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand ist, wenn die Zellspannung gleich oder niedriger als der Naßzustandgrenzwert ist. Der mit dem Naßzustandgrenzwert zu vergleichende Parameter ist nicht auf die minimale Zellspannung begrenzt. Es kann auch darauf basierend festgestellt werden, ob jede einzelne der Zellspannungen, die von der Zellüberwachungsvorrichtung erfasst werden, den Naßzustandgrenzwert oder den niedrigeren Wert erreicht hat.
Der Feuchtigkeitsgehalterhöhungsverarbeitungsabschnitt 73 führt einen Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozess aus, der den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle erhöht, wenn durch den Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d festgestellt wird, dass der vorgenannte Feuchtigkeitsgehalt gleich oder geringer als der Trockenzustandgrenzwert ist. Der Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozess entspricht beispielsweise jedem der nachfolgenden Prozesse: einem Kathoden-Stöchiometrie-Absenkprozess, der die Durchflussrate des Kompressors 31 senkt und die Kathodenstöchiometrie senkt; einem Oxidationsgasdruckerhöhungsprozess, der ein Gegendruckventil 34 einstellt und den Druck des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle erhöht; und einem Kühlwassertemperaturabsenkprozess, der die Temperatur des Kühlwassers senkt, beispielsweise durch Ansteuern des Kühlgebläses 54.
Der Feuchtigkeitsgehaltabnahmeverarbeitungsabschnitt 74 führt einen Feuchtigkeitsgehaltabnahmeprozess aus, der den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle senkt, wenn durch den Zellspannungsbestimmungsabschnitt 72e bestimmt wird, dass die minimale Zellspannung den Naßzustandgrenzwert oder den niedrigeren Wert erreicht hat (d. h. kleiner oder gleich dem Naßzustandgrenzwert ist). Der Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozess entspricht beispielsweise jedem der nachfolgenden Prozesse: einem Oxidationsgasblasprozess, der die Strömungsrate bzw. Durchflussrate des Kompressors 31 erhöht, und die Durchflussrate des Oxidationsgases erhöht; einem Oxidationsgasdruckpulsprozess, der den Öffnungsgrad des Gegendruckventils 34 steuert und Abweichungen im Druck des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle erzeugt; sowie einem Brenngaspumpendrehzahlerhöhungsprozess, der die Drehzahl des Motors in der Brennstoffpumpe 44 erhöht.
Nachfolgend wird der Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess, der in dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, unter Verwendung der Flussdiagramme, der 3 und 4 beschrieben. 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Bestimmen des Trockenzustands und 4 zeigt ein Flussdiagramm zum Bestimmen des Naßzustands. Diese Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozesse sind Prozesse, die parallel ausgeführt werden können und werden beispielsweise gestartet, wenn der Zündschlüssel eingeschalten wird und werden wiederholt durchgeführt, bis der Betrieb endet.
Nachfolgend wird der in 3 dargestellte Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess zum Bestimmen des Trockenzustands beschrieben. Zunächst schätzt der Feuchtigkeitszustandschätzabschnitt 72a des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 2 basierend auf der Wasserbilanz (Schritt S101) und setzt diesen geschätzten Feuchtigkeitsgehalt als Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands (Schritt S102).
Anschließend bestimmt der Steuerabschnitt 7, ob der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für ein Stromziehen ist (Schritt S103), wobei, sofern der Zeitpunkt nicht der Zeitpunkt für das Stromziehen ist (Schritt S103: Nein) der Prozess mit Schritt S108 fortfährt, der nachfolgend beschrieben wird.
Wenn andererseits der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für das Stromziehen ist (Schritt S103: Ja) führt der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 des Steuerabschnitts 7 zeitweilig das Stromziehen aus, während die Menge des der Brennstoffzelle 2 zugeführten Oxidationsgases beibehalten wird (Schritt S104).
Dann berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b des Steuerabschnitts 7 die Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsstromwerts und des Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt, wenn das Stromziehen zeitweilig durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird (Schritt S105).
Dann berechnet der Feuchtigkeitsgehaltsberechnungsabschnitt 72c des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung der Widerstandskomponente, welche durch den Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet wurde (Schritt S106) und aktualisiert den Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands mit dem berechneten Feuchtigkeitsgehalt (Schritt S107).
Dann bestimmt der Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d des Steuerabschnitts 7, ob der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist (Schritt S108). Falls festgestellt wird, dass dem nicht so ist (Schritt S108: Nein) beendet der Steuerabschnitt 7 den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess.
Wenn dagegen bei der Bestimmung im vorgenannten Schritt S108 festgestellt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist (Schritt S108: Ja) führt der Feuchtigkeitsgehalterhöhungsverarbeitungsabschnitt 73 des Steuerabschnitts 7 einen Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozess aus (Schritt S109).
Nachfolgend wird der in 4 gezeigte Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess zum Bestimmung des Naßzustands beschrieben. Zunächst bestimmt der Steuerabschnitt 7, ob der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für ein Stromziehen ist (Schritt S151) und, wenn der Zeitpunkt nicht der Zeitpunkt für das Stromziehen ist (Schritt S151: Nein), beendet der Steuerabschnitt 7 den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess.
Wenn andererseits der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für das Stromziehen ist (Schritt S151: Ja) führt der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 des Steuerabschnitts 7 zeitweilig das Stromziehen aus, während die Menge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, beibehalten wird (Schritt S152).
Dann erhält bzw. bestimmt der Zellspannungsbestimmungsabschnitt 72e des Steuerabschnitts 7 jede der Zellspannungen, welche durch die Zellüberwachungseinrichtung erfasst wurden, während zeitweilig ein Stromziehen durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird (Schritt S153), und bestimmt, ob die Minimalzellspannung einer jeden Zellspannung den Naßzustandgrenzwert oder einen niedrigeren Wert erreicht hat oder nicht (Schritt S154). Falls festgestellt wird, dass dem nicht so ist (Schritt S154: Nein) beendet der Steuerabschnitt 7 den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess.
Wenn dagegen bei der in Schritt S154 wie vorstehend beschrieben durchgeführten Bestimmung festgestellt wird, dass die Minimalzellspannung gleich oder niedriger als der Naßzustandgrenzwert ist (Schritt S154: Ja) führt der Feuchtigkeitszustandabsenkverarbeitungsabschnitt 74 des Steuerabschnitts 7 einen Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozess aus (Schritt S155).
Wie vorstehend beschrieben kann, gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der ersten Ausführungsform, der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle erfasst werden, während die Menge des der Brennstoffzelle 2 zugeführten Oxidationsgases beibehalten wird. Zudem ermöglicht die Bestimmung, ob der Feuchtigkeitsgehalt, der basierend auf der Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle berechnet wurde, gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist, eine Feststellung, ob das Innere der Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand ist. Wenn das Innere der Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand ist, kann der Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle erhöht werden. Darüber hinaus ermöglich die Bestimmung, ob die Zellspannung gleich oder niedriger als der Naßzustandgrenzwert ist, eine Feststellung, ob das Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand ist. Wenn das Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand ist, kann der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle gesenkt werden.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform darin, dass das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform die Zufuhrmenge des Oxidationsgases gemäß der erhöhten benötigten Menge an Leistungserzeugung erhöht, wenn die benötigte Leistungserzeugungsmenge während des Stromziehens erhöht wird, wohingegen das Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform das Stromziehen durchführt während die Zufuhrmenge des Oxidationsgases beibehalten wurde. Der Unterschied zwischen der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform und der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform besteht darin, dass das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform mit einer neuen Funktion im Steuerabschnitt 7 versehen ist. Da die anderen Bestandteile ähnlich der Bestandteile und Konfiguration des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform sind wurden dieselben Bezugszeichen verwendet, um diese Elemente zu beschreiben, und auf eine erneute Beschreibung derselben wurde verzichtet. Die Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem der ersten und zweiten Ausführungsform werden nachfolgend im Wesentlichen beschrieben.
Wie in 5 dargestellt, umfasst der Steuerabschnitt 7 der zweiten Ausführungsform ferner, zusätzlich zu den Abschnitten der ersten Ausführungsform, einen Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 (Gaszufuhrmengensteuermittel).
Wenn die Menge der Leistungserzeugung, welche vom Traktionsmotor 64 benötigt wird, erhöht wird, wenn zeitweilig ein Stromziehen durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird, erhöht der Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 die Zufuhrmenge des Oxidationsgases entsprechend der benötigten Menge der Leistungserzeugung. Dies ermöglicht die Ausführung des Stromziehens während Oxidationsgas entsprechend der benötigten Menge an erzeugter Leistung zugeführt wird, selbst wenn die benötigte Menge an erzeugter Leistung während des Stromziehens erhöht wird. Daher ist es möglich, einfach auf die benötigte Last zu reagieren ohne die Zufuhr mit Oxidationsgas zu verzögern.
Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b korrigiert die Widerstandskomponente, wenn die Zufuhrmenge des Oxidationsgases durch den Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 erhöht wird. Dies liegt darin begründet, dass die Menge des verbleibenden Sauerstoff und des verbleibenden Wasserstoffs etc. sich verändert, wenn die Zufuhrmenge des Oxidationsgases während des Stromziehens erhöht wird, wodurch sich die Widerstandskomponente verändert. Beispielsweise kann die Korrektur der Widerstandskomponente wie nachfolgend beschrieben ausgeführt werden.
Da eine Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und dem Kathodendruck besteht, wonach die Widerstandskomponente abnimmt wenn der Kathodendruck zunimmt, ist ein Kennfeld, das diese Beziehung speichert, im Speicher 79 hinterlegt. Zu Beginn berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b die Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsstromwertes und des Ausgangsspannungswertes der Brennstoffzelle 2 zu dem Zeitpunkt, wenn das Stromziehen zeitweilig durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird. Dann bestimmt der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b anhand eines Drucksensors P den Kathodendruck vor und nach der Zunahme der Zufuhrmenge des Oxidationsgases wenn die Zufuhrmenge des Oxidationsgases durch den Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 erhöht wird. Anschließend greift der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72 auf das vorgenannte Kennfeld basierend auf dem erhaltenen Kathodendrücken zurück und entnimmt aus dem Kennfeld die Widerstandskomponente entsprechend jedem der Kathodendrücke. Dann berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b den Grad der Abweichung bzw. der Änderung der Widerstandskomponente durch Verwenden der extrahierten Widerstandskomponenten und korrigiert die Widerstandskomponente, die während des vorgenannten Stromziehens berechnet wurde, unter Verwendung des Abweichungsgrades.
Es gibt eine Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und der Kathodenstöchiometrie in der Gestalt, dass die Widerstandskomponente abnimmt wenn die Kathodenstöchiometrie zunimmt, und es gibt ferner eine Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und der Kühlwassertemperatur derart, dass die Widerstandskomponente abnimmt, wenn die Kühlwassertemperatur zunimmt. Daher kann anstelle des Kennfeldes, das die vorgenannte Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und dem Kathodendruck speichert, ein Kennfeld verwendet werden, das die Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und der Kathodenstöchiometrie speichert, oder ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Widerstandskomponente und der Kühlwassertemperatur speichert, um die Widerstandskomponente unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie bei der vorgenannten Korrekturmethode zu korrigieren.
Das Verfahren zum Korrigieren der Widerstandskomponente ist nicht auf das vorgenannte Verfahren beschränkt. Auch andere Verfahren können verwendet werden, sofern es möglich ist, die Widerstandskomponente gemäß den Bedingungen der Gasmenge, dem Druck, der Temperatur etc. zu erhalten, die auf Grund der Zunahme der Zufuhrmenge des Oxidationsgases während des Stromziehens abweichen.
Nachfolgend Bezug nehmend auf das Flussdiagramm in 6 wird ein bei der zweiten Ausführungsform durchgeführter Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess im Brennstoffzellensystem beschrieben. 6 zeigt ein Flussdiagramm zum Bestimmen eines Trockenzustands. Dieser Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess wird beispielsweise gestartet, wenn der Zündschlüssel eingeschalten wird und wiederholt ausgeführt bis der Betrieb endet.
Zunächst schätzt der Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a des Steuerbereichs 7 den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 2 basierend auf der Wasserbalance (Schritt S201) und stellt diesen geschätzten Feuchtigkeitsgehalt als Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands ein (Schritt S202).
Dann bestimmt der Steuerabschnitt 7 ob der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt zum Stromziehen ist (Schritt S203). Falls dies nicht der Zeitpunkt zum Stromziehen ist (Schritt S203: Nein) fährt das Verfahren mit Schritt S213 fort, der später beschrieben wird.
Wenn der augenblickliche Zeitpunkt dagegen der Zeitpunkt für ein Stromziehen ist (Schritt S203: Ja), startet der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 des Steuerabschnitts 7 das Stromziehen während die Menge der Brennstoffzelle 2 zugeführten Oxidationsgases beibehalten wird (Schritt S204).
Dann bestimmt der Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 des Steuerabschnitts 7, ob die benötigte Menge an Leistungserzeugung zu dem Zeitpunkt, wenn das Stromziehen gestartet wurde, um mehr als die benötigte Menge der Leistungserzeugung zugenommen hat (Schritt S205). Wenn dem nicht so ist (Schritt S205: Nein), berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b des Steuerabschnitt 7 die Widerstandskomponente der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsstromwerts und des Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelle 2 zum Zeitpunkt des Ausführens des Stromziehens durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 (Schritt S206). Dann berechnet der Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung der Widerstandskomponente, welche durch den Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet wurde (Schritt S207) und aktualisiert den Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitzustands mit diesem berechneten Feuchtigkeitsgehalt (Schritt S212). Dann führt das Verfahren mit Schritt S213 fort, der später beschrieben wird.
Wenn dagegen bei der Bestimmung des vorgenannten Schritts S205 festgestellt wird, dass die benötigte Menge an Leistungserzeugung mehr zugenommen hat als die benötigte Menge an Leistungserzeugung zum Zeitpunkt des Starts des Stromziehens (Schritt S205: Ja) erhöht der Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt 75 des Steuerabschnitts 7 die Zufuhrmenge des Oxidationsgases entsprechend der erhöhten benötigten Menge an Leistungserzeugung (Schritt S208).
Dann berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b des Steuerabschnitts 7 die Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsspannungswert und des Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelle 2 zu dem Zeitpunkt, wenn das Stromziehen durch den Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ausgeführt wird (Schritt S209) und korrigiert diese berechnete Widerstandskomponente unter Bezugnahme auf die vorgenannten Kennfelder etc. (Schritt S210).
Dann berechnet der Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle unter Verwendung der korrigierten Widerstandskomponente (Schritt S211) und aktualisiert den Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands mit diesem berechneten Feuchtigkeitsgehalt (Schritt S212).
Dann bestimmt der Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d des Steuerabschnitts 7 ob der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist (Schritt S213). Falls dem nicht so ist (Schritt S213: Nein) beendet der Steuerabschnitt 7 den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess.
Wenn bei der vorgenannten Feststellung im Schritt S213 dagegen festgestellt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustand gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist (Schritt S213: Ja) führt der Feuchtigkeitszustanderhöhungsverarbeitungsabschnitt 73 des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitszustandserhöhungsprozess aus (Schritt S214).
Wie vorstehend beschrieben erzielt das Brennstoffzellensystem 1 der zweiten Ausführungsform ähnliche Effekte wie das Brennstoffzellensystem 1 der ersten Ausführungsform und ist zudem geeignet ein Stromziehen durchzuführen, während das Oxidationsgas entsprechend der benötigten Menge der Leistungserzeugung zugeführt wird, selbst wenn die benötigte Menge der Leistungserzeugung während des Stromziehens erhöht wird. Daher ist es geeignet, leicht auf die benötigte Last zu reagieren ohne die Zufuhr von Oxidationsgas zu verzögern.
Dritte Ausführungsform:
Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform darin, dass das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess durchführt, wenn das Brennstoffzellensystem sich im intermittierenden Betrieb befindet, wohingegen das Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess während eines normalen Betriebs durchführt. Der Unterschied zwischen der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform und der Konfiguration des Brennstoffzellensystem der vorgenannten ersten Ausführungsform liegt darin, dass das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform mit einer neuen Funktion im Steuerabschnitt 7 vorgesehen ist. Da die anderen Bestandteile ähnlich zu den Bestandteilen des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform sind, werden die gleichen Bezugszeichen für die jeweiligen Elemente verwendet und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Unterschiede zwischen den Brennstoffzellensystemen der ersten und der dritten Ausführungsformen werden nachfolgend im Wesentlichen beschrieben.
Die Widerstandskomponente des Brennstoffzellensystems 2 variiert entsprechend dem Abnahmezustand bzw. dem Verschlechterungszustand des in der Brennstoffzelle 2 enthaltenen Katalysators. Um den Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle daher exakt zu verstehen, ist es notwendig, die Widerstandskomponente entsprechend dem Abnahmezustand des Katalysators zu berechnen. Jedoch oxidiert der Katalysator auf Grund seiner Verwendung. Wenn der Katalysator oxidiert ist, ist seine Oberfläche mit einer Oxidschicht überzogen und der Wirkbereich ist verringert. Um den Abnahmezustand des Katalysators daher ausreichend zu verstehen ist es notwendig, den Abnahmezustand nach Aktivierung (Reduzierung) des Katalysators und Ausgleichen des Wirkbereichs des Katalysators zu bestimmen. Bei dem Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform wird der Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess während eines intermittierenden Betriebs durchgeführt, und der Abnahmezustand des Katalysators wird nach Aktivierung des Katalysators zum Verbessern der Bestimmungsgenauigkeit des Abnahmezustands bestimmt, und dann wird die Widerstandskomponente entsprechend dem bestimmten Abnahmezustand korrigiert.
Wie in 7 dargestellt, umfasst der Steuerabschnitt 7 in der dritten Ausführungsform, zusätzlich zu den anderen Abschnitten der ersten Ausführungsform, einen Katalysatoraktivierungsabschnitt 76 (Katalysatoraktivierungsmittel).
Der Katalysatoraktivierungsabschnitt 76 führt einen Katalysatoraktivierungsprozess durch, wenn sich die Brennstoffzelle 2 in einem intermittierenden Betrieb befindet. Der Katalysatoraktivierungsprozess ist ein Prozess zum Reduzieren und Aktivieren des Katalysators durch Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 auf eine Spannung in einem Bereich, in welchem eine Reduktionsreaktion am Katalysator auftritt (Reduktionsbereich).
Der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 führt zeitweilig ein Stromziehen aus, während die Zufuhrmenge des Oxidationsgases beibehalten wird, wenn die Brennstoffzelle 2 in einem intermittierenden Betrieb ist. Der intermittierende Betrieb umfasst zwei Fälle: einen Fall bei dem die Zufuhr an Oxidationsgas gestoppt ist, und einen Fall bei dem lediglich ein gewisser Betrag an Oxidationsgas zugeführt wird. In jedem Fall führt der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 ein Stromziehen durch, während die Zufuhrmenge des Oxidationsgases an diesem Punkt beibehalten wird (null oder ein gewisser Bereich).
Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b bestimmt den Abnahmezustand des Katalysators, der durch den Katalysatoraktivierungsabschnitt 76 reduziert wurde. Das Verfahren zum Bestimmen des Abnahmezustands des Katalysators kann weithin bekannte Verfahren umfassen. Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b korrigiert die Widerstandskomponente entsprechend dem bestimmten Abnahmezustand des Katalysators. Insbesondere wird eine Beziehung zwischen dem Abnahmezustand des Katalysators und der Widerstandskomponente experimentell etc. erhalten, und die erhaltene Beziehung wird in einem Kennfeld gespeichert. Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b entnimmt dem Kennfeld die Widerstandskomponente entsprechend des bestimmten Abnahmezustands des Katalysators. Der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b verwendet die entnommene Widerstandskomponente zum Korrigieren der Widerstandskomponente, welche durch den Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b berechnet wurde.
Das Verfahren zum Korrigieren der Widerstandskomponente kann jedwedes Verfahren verwenden, so lange es möglich ist, die Widerstandskomponente entsprechend den Bedingungen des Stromwerts, des Spannungswerts, etc. zu erhalten, die entsprechend dem Abnahmezustand des Katalysators variieren.
Nachfolgend Bezug nehmend auf das Flussdiagramm aus 8 wird ein Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess, der im Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform beschrieben wird, beschrieben. 8 zeigt ein Flussdiagramm zum Bestimmen eines Trockenzustands. Dieser Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess wird beispielsweise gestartet, wenn der Zündschlüssel eingesteckt wird und wiederholt ausgeführt bis der Betrieb endet.
Zunächst bestimmt der Steuerabschnitt 7, ob der Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 ein intermittierender Betriebszustand ist (Schritt S301) und beendet, falls dem nicht so ist (Schritt S301: Nein) den Feuchtigkeitszustandbestimmungsprozess.
Wenn dagegen der Bestimmungszustand der Brennstoffzelle 2 als intermittierender Betrieb festgestellt wird (Schritt S301: Ja) schätzt der Feuchtigkeitsgehaltschätzabschnitt 72a des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 2 basierend auf der Wasserbalance (Schritt S302) und stellt diesen geschätzten Feuchtigkeitsgehalt als Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands ein (Schritt S303).
Dann bestimmt der Steuerabschnitt 7, ob der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für ein Stromziehen ist (Schritt S304). Falls der Zeitpunkt kein Stromziehzeitpunkt ist (Schritt S304: Nein), fährt das Verfahren mit Schritt S311 fort, welcher später beschrieben wird.
Wenn hingegen der augenblickliche Zeitpunkt der Zeitpunkt für das Stromziehen ist (Schritt S304: Ja), führt der Katalysatoraktivierungsabschnitt 76 des Steuerabschnitts 7 einen Katalysatoraktivierungsprozess aus (Schritt S305).
Dann fährt der Ausgangsstromsteuerabschnitt 71 des Steuerabschnitts 7 zeitweilig ein Stromziehen aus, während die Menge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, beibehalten wird (Schritt S306).
Dann berechnet der Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt 72b des Steuerabschnitts 7 die Widerstandskomponente in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung des Ausgangsstromwerts und der Ausgangsspannung in der Brennstoffzelle 2 zum Zeitpunkt des zeitweiligen Ausführens des Stromziehens durch den Ausgansstromsteuerabschnitt 71 (Schritt S307) und korrigiert die berechneten Widerstandskomponente entsprechend dem Abnahmezustand des Katalysators (Schritt S308).
Dann berechnet der Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt 72c des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung der korrigierten Widerstandskomponente (Schritt S309) und aktualisiert den Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustand mit diesem berechneten Feuchtigkeitsgehalt. (Schritt S310).
Dann bestimmt der Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt 72d des Steuerabschnitts 7, ob der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustands gleich oder geringer als der Trockenzustandgrenzwert ist (Schritt S311). Falls dem nicht so ist (Schritt S311: Nein) beendet der Steuerabschnitt 7 den Feuchtigkeitszustandsbestimmungsprozess.
Wenn dagegen bei der vorgenannten Bestimmung aus Schritt S311 festgestellt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt zum Bestimmen des Feuchtigkeitszustand gleich oder geringer als der Trockenzustandgrenzwert ist, (Schritt S311: Ja), führt der Feuchtigkeitszustandserhöhungsverarbeitungsabschnitt 73 des Steuerabschnitts 7 den Feuchtigkeitszustandserhöhungsprozess aus (Schritt S312).
Wie vorstehend beschrieben erzielt das Brennstoffzellensystem 1 der dritten Ausführungsform ähnliche Effekte wie das Brennstoffzellensystem 1 der vorgenannten ersten Ausführungsform und ist ebenso dazu geeignet, ein Stromziehen während eines intermittierenden Betriebs auszuführen, in dem die Zufuhrmenge des Oxidationsgases, der Druck etc. nicht mehr variiert. Somit ist es geeignet, die Widerstandskomponente genau zu berechnen. Da es möglich ist, den Abnahmezustand des Katalysators nach Aktivierung des Katalysators zu bestimmen und die Widerstandskomponente entsprechend des bestimmten Abnahmezustands zu korrigieren, kann überdies der Feuchtigkeitzustands der Brennstoffzelle genau bestimmt werden.
Die funktionellen Bestandteile des Steuerabschnitts einer jeden der vorgenannten Ausführungsformen können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.
Industrielle Anwendbarkeit:
Das Brennstoffzellensystem der vorgenannten Erfindung ist geeignet zum Bestimmen des Feuchtigkeitzustands der Brennstoffzelle ohne eine Abweichung im Zufuhrzustand des Reaktionsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verursachen.
Beschreibung der Bezugszeichen

1 ... Brennstoffzellensystem; 2 ... Brennstoffzelle; 3 Oxidationsgasleitungssystem; 4 ... Brenngasleitungssystem; 5 ... Kühlsystem; 6 ... Elektrisches Leistungssystem; 7 Kontrollabschnitt; 31 ... Kompressor; 34 ... Gegendruckventil; 40 Brennstofftank; 44 ... Brenngaspumpe; 51 ... Kühler; 53 ... Kühlwasserzirkulationspumpe; 54 ... Kühlgebläse; 61 DC/DC-Wandler; 62 ... Batterie; 64 ... Traktionsmotor; 71 ... Ausgangsstromsteuerabschnitt; 72 ... Feuchtigkeitszustandbestimmungsabschnitt; 72a ... Feuchtigkeitszustandschätzabschnitt, 72b Widerstandskomponentenberechnungsabschnitt; 72c ... Feuchtigkeitsgehaltberechnungsabschnitt; 72d ... Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsabschnitt; 72e ... Zellspannungsbestimmungsabschnitt; 73 ... Feuchtigkeitsgehalterhöhungsverarbeitungsabschnitt; 74 ... Feuchtigkeitsgehaltabsenkverarbeitungsabschnitt; 75 ... Oxidationsgaszufuhrmengensteuerabschnitt; 76 ... Katalysatoraktivierungsabschnitt, 79 ... Speicher; V ... Spannungssensor; A ... Stromsensor; P ... Drucksensor; T ... Temperatursensor; F ... Durchflussratensensor;

Claims

Brennstoffzellensystem (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2) mit einem Zellstapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wobei die Brennstoffzelle (2) mit einem Oxidationsgas und einem Brenngas als Reaktionsgase versorgt wird, die dem Zellstapelkörper zugeführt werden, und durch eine elektrochemische Reaktion der Reaktionsgase elektrische Leistung erzeugt; und einen Steuerabschnitt (7), der das Brennstoffzellensystem (1) steuert, wobei der Steuerabschnitt (7) umfasst: ein Ausgangsstromsteuermittel (71) zum zeitweiligen Erhöhen eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle (2) während eine Menge des Oxidationsgasesdas der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, beibehalten wird; ein Widerstandskomponentenberechnungsmittel (72: 72b) zum Berechnen einer Widerstandskomponente aus einem Ausgangsstromwert und einem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle (2), wenn der Ausgangsstrom zeitweilig durch das Ausgangsstromsteuermittel (71) erhöht ist; ein Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel (72: 72c) zum Berechnen des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle (2) entsprechend der von dem Widerstandskomponentenberechnungsmittel (72: 72b) berechneten Widerstandskomponente; ein Feuchtigkeitsgehaltbestimmungsmittel (72: 72d) zum Bestimmen, ob der von dem Feuchtigkeitsgehaltberechnungsmittel (72: 72c) berechnete Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als ein Trockenzustandgrenzwert ist, der zum Bestimmen des Trockenzustands dient; und ein Feuchtigkeitsgehalterhöhungsmittel (73) zum Ausführen eines Feuchtigkeitsgehalterhöhungsprozesses, der einen Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (2) erhöht, wenn durch das Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel (72: 72d) bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt gleich oder niedriger als der Trockenzustandgrenzwert ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsstromsteuermittel (71) zeitweilig den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (2) erhöht während eine Zufuhrmenge an Oxidationsgas beibehalten wird, wenn die Brennstoffzelle (2) sich in einem intermittierenden Betrieb befindet, wobei der intermittierende Betrieb einen Fall umfasst, bei dem die Zufuhr von Oxidationsgas gestoppt ist und einen Fall, bei dem lediglich eine gewisse Menge an Oxidationsgas zugeführt wird, wobei das Brennstoffzellensystem (1) ferner ein Katalysatoraktivierungsmittel (76) zum Ausgeben eines Stroms von der Brennstoffzelle (2) während des intermittierenden Betriebs aufweist, so dass eine Spannung der Brennstoffzelle (2) in einem Reduktionsbereich eines in der Brennstoffzelle (2) enthaltenen Katalysators liegt, wobei der Reduktionsbereich ein Bereich ist, in welchem eine Reduktionsreaktion im Katalysator auftritt, und wobei das Widerstandskomponentenberechnungsmittel (72: 72b) den Widerstandswert entsprechend eines Abnahmezustands des durch das Katalysatoraktivierungsmittel (76) aktivierten Katalysators korrigiert.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner aufweisend ein Feuchtigkeitsgehaltabsenkmittel (74) zum Ausführen eines Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozesses, der einen Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (2) verringert, wenn durch das Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel (72: 72d) bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffzelle (2) ein Naßzustand ist, wobei das Feuchtigkeitszustandsbestimmungsmittel (72: 72d) ein Zellspannungsbestimmungsmittel (72: 72e) aufweist, zum Bestimmen, ob jede der durch einen Zellspannungsbestimmungsabschnitt, der die Spannung der Einheitszelle bestimmt, bestimmten Spannungen einen Naßzustandgrenzwert, der zum Bestimmen des Naßzustands dient, oder einen niedrigeren Wert erreicht hat während der Ausgangsstrom zeitweilig durch das Ausgangsstromsteuermittel (71) erhöht wird, wobei das Feuchtigkeitsgehaltabsenkmittel (74) den Feuchtigkeitsgehaltabsenkprozess ausführt, wenn durch das Zellspannungsbestimmungsmittel (72: 72e) bestimmt wird, dass die Spannung den Naßzustandgrenzwert oder den niedrigeren Wert erreicht hat.