DE112009005108B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellensystem (FCS) umfassend: eine Brennstoffzelle (FC) und eine mit der Brennstoffzelle (FC) verbundene Last (ES4), wobei das Brennstoffzellensystem (FCS) weiter umfaßt: einen zwischen der Brennstoffzelle (FC) und der Last (ES4) eingefügten Umwandler (ES6), der die Ausgangsspannung anhebt, um sie an die Last (ES4) anzulegen; einen Wechselrichter (ES3), der eine vom Umwandler (ES6) ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt und die Leistung an die Last (ES4) ausgibt; und eine Steuerung (EC), die die Brennstoffzelle (FC), den Umwandler (ES6) und den Wechselrichter (ES3) steuert, wobei der Umwandler (ES6) eine Umwandlersteuereinheit (ECa1) besitzt, die zur Steuerung des Umwandlers (ES6) ein Signal an die Steuerung (EC) überträgt oder von dieser empfängt, der Wechselrichter (ES3) eine Wechselrichtersteuereinheit (ECb1) besitzt, die zur Steuerung des Wechselrichters (ES3) ein Signal an die Steuerung (EC) überträgt und von dieser empfängt und, wenn eine Unregelmäßigkeit in entweder dem Umwandler (ES6) oder dem Wechselrichter (ES3) auftritt, ein Unregelmäßigkeitssignal zur Information über das Auftreten der Unregelmäßigkeit nicht die Umwandlersteuereinheit (ECa1) oder die Wechselrichtersteuereinheit (ECb1) durchquert, sondern auf die andere Vorrichtung übertragen wird, um sowohl den Umwandler (ES6) als auch den Wechselrichter (ES3) zu stoppen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine mit der Brennstoffzelle verbundene Last umfaßt.
• Stand der Technik
• Als ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine mit der Brennstoffzelle verbundene Last umfaßt, ist ein im Patentdokument 1 beschriebenes System bekannt. In dem System wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch einen ersten Gleichstromumrichter angehoben und an die Last ausgegeben. Überdies verknappt sich eine für die Last benötigte Leistung, wenn die einzige Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ausgegeben wird. In diesem Falle wird eine Leistung zum Kompensieren der Verknappung von einem Akkumulator über einen zweiten Gleichstromumrichter an die Last ausgegeben. Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle die Leistung der Last übersteigt, wird die Leistung von der Brennstoffzelle dem Akkumulator über den ersten und den zweiten Gleichstromumrichter zugeführt, um den Akkumulator zu laden.
• In einer Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems, beschrieben im Patentdokument 1, wird die Zielleistung eines Motors als Last berechnet. Die Steuervorrichtung berechnet die Zielspannung des Motors entsprechend seiner Zielleistung, um den Zielausgangsstrom der Brennstoffzelle zu berechnen. Die Steuervorrichtung steuert durch Rückkopplung den Zielausgangsstrom als den Zielstrom des ersten Gleichstromumwandlers und steuert durch Rückkopplung die Zielspannung des Motors als die Zielspannung des zweiten Gleichstromumwandlers. Zudem besitzt das Brennstoffzellensystem einen Wechselrichter. Der Wechselrichter wandelt eine vom zweiten Gleichstromumwandler ausgegebene elektrische Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung um, um die Leistung an einen Motor auszugeben.
• Patentdokument 2 beschreibt ein Fahrzeug mit einer Batterie zum Speichern von Leistung und Ausgeben der gespeicherten Leistung, einem Wandler, welcher mit der Batterie verbunden ist und die von der Batterie ausgegebene Leistung erhöht, einem Wechselrichter, der mit dem Wandler verbunden ist und die Leistung von DC hin zu AC wandelt, einem Motor, welcher mit dem Wechselrichter verbunden ist und durch AC-Leistung angetrieben wird, und einer elektrischen Last, die mit der Batterie verbunden ist, um parallel zu dem Wandler zu sein. Das Fahrzeug besitzt ferner eine Wechselrichter-Stop-Einrichtung zum Anhalten des Betriebs des Wechselrichters, wenn eine Fehlfunktion in einem Antriebssystem einschließlich des Motors erfasst wird, und eine Wandler-Stop-Einrichtung zum Anhalten des Betriebs des Wandlers, wenn der Betrieb des Wechselrichters durch die Wechselrichter-Stop-Einrichtung angehalten wird.
• Aus Patentdokument 3 ist ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle als eine Gleichspannungsenergiequelle und einer Erhöhungseinrichtung, die eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, bekannt. Die Erhöhungseinrichtung besitzt eine Haupterhöhungseinheit, die einen Schalter und eine Spule aufweist und die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit gegenelektromotorischer Kraft der Spule erhöht, die dadurch erzeugt wird, dass der Schalter einen Schaltvorgang mit Bezug auf die Spule durchführt, und eine Hilfserhöhungseinheit, die einen Dämpfungskondensator aufweist, der eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden des Schalters durch einen Betrag von gespeicherter Energie ausgleicht und die den Schaltverlust des Schalters durch Anpassen des gespeicherten Energie des Dämpfungskondensators bei einem Schaltvorgang anpasst. Die Energie des Dämpfungskondensators, welche freigegeben wird, wenn der Betrag gespeicherter Energie des Dämpfungskondensators reduziert wird, wird durch die Hilfserhöhungseinheit veranlasst, in eine andere Verarbeitungseinheit als die Brennstoffzelle zu fließen.
• Darüber hinaus ist aus Patentdokument 4 eine Leistungserzeugungsvorrichtung bekannt, welche mit einem Leistungsgenerator, der Gleichstromleistung erzeugt, einem Leistungsverbraucher, einem Stromdetektor, welcher einen zwischen einer System-Leistungszuführung und einem System-Verbindungspunkt fließenden Strom erfasst, und einer Schaltvorrichtung, welche den Leistungsverbraucher durch Schalten einer Gleichstromleistung von dem Leistungsgenerator und einer Wechselstromleistung von der System-Leistungszuführung durch den System-Verbindungspunkt schaltet, vorgesehen ist.
• [Dokumente zum Stand der Technik]
• [Patentdokumente]
• [Patentdokument 1] Japanische offengelegte Patentanmeldung JP 2007-318 938 A .
• [Patentdokument 2] Japanische offengelegte Patentanmeldung JP 2009-027 888 A .
• [Patentdokument 3] Offenlegungsschrift der internationalen Patentanmeldung mit der Nummer WO 2009/084 649 A1 .
• [Patentdokument 4] Offenlegungsschrift der internationalen Patentanmeldung mit der Nummer WO 2008/102 542 A1 .
• Zusammenfassung der Erfindung
• Durch die Erfindung zu lösendes Problem
• Bei einer im Patentdokument 1 beschriebenen Technologie wird beispielsweise, wenn in einem ersten, Funktionen einer Leistungsversorgungsquelle und eines Aufwärtswandlers besitzenden Gleichstromumwandler eine Unregelmäßigkeit auftritt, um den Betrieb zu stoppen, dadurch den Stopp eines Wechselrichters (eines Motors) als einer Leistung verbrauchenden Vorrichtung zu verzögern, ein großer Strom aus einem zweiten Gleichstromumwandler als einem normalen Batterieumwandler (battery converter) gezogen. Der zweite Gleichstromumwandler oder ein Akkumulator könnte zu einer Betriebsstörung führen.
• Andererseits wird, wenn eine Unregelmäßigkeit beim Wechselrichter (dem Motor) als der Leistung verbrauchenden Vorrichtung auftritt, zum Stoppen des Betriebs, dadurch den Stopp des ersten Gleichstromumwandlers verzögernd, überschüssige Leistung nicht verbraucht und die Spannung erhöht sich nach der Verstärkung (boost) übermäßig. Der erste Gleichstromumwandler könnte ausfallen.
• Deshalb ist es in einem Falle, in dem die Unregelmäßigkeit beim ersten Gleichstromumwandler als dem Aufwärtswandler einer Brennstoffzelle oder dem Wechselrichter auftritt, erforderlich, sofort nicht nur die Vorrichtung zu stoppen, bei der die Unregelmäßigkeit aufgetreten ist, sondern auch eine andere Vorrichtung. Jedoch überträgt eine konventionelle Technologie ein Signal, das anzeigt, daß eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist, an eine das ganze Brennstoffzellensystem steuernde Steuerung, wodurch die Steuerung Einheiten des Systems auf der Basis des Signals stoppt. Die Informationsverarbeitung in der Steuerung wird zwischengeschaltet, weshalb die Einheiten nicht sofort gestoppt werden können.
• Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein derartiges Problem zu lösen und es ist eine ihrer Aufgaben, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das eine Gestaltung aufweist, bei der selbst dann, wenn bei einem Aufwärtswandler oder einem Wechselrichter eine Unregelmäßigkeit auftritt, kein Ausfall eines anderen Systems auftritt.
• Mittel zur Lösung des Problems
• Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorlegenden Erfindung zur Lösung der obigen Aufgabe ist ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle und eine mit der Brennstoffzelle verbundene Last. Dieses Brennstoffzellensystem umfaßt einen zwischen der Brennstoffzelle und der Last eingefügten Umwandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle anhebt, um die Spannung an die Last anzulegen; einen Wechselrichter, der eine vom Umwandler ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt und die Leistung an die Last ausgibt, und eine Steuerung, die die Brennstoffzelle, den Umwandler und den Wechselrichter steuert. Der Umwandler besitzt eine Umwandlersteuereinheit, die zur Steuerung des Umwandlers ein Signal an die Steuerung überträgt oder von dieser empfängt. Der Wechselrichter besitzt eine Wechselrichtersteuereinheit, die zur Steuerung des Wechselrichters ein Signal an die Steuerung überträgt und von dieser empfängt. Wenn eine Unregelmäßigkeit in entweder dem Umwandler oder dem Wechselrichter auftritt, durchquert ein Unregelmäßigkeitssignal zur Information über das Auftreten der Unregelmäßigkeit nicht die Umwandlersteuereinheit oder die Wechselrichtersteuereinheit, sondern wird auf die andere Vorrichtung übertragen, um sowohl den Umwandler als auch den Wechselrichter zu stoppen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung durchquert, wenn die Unregelmäßigkeit im Umwandler oder Wechselrichter auftritt, das Unregelmäßigkeitssignal, das das Auftreten der Unregelmäßigkeit anzeigt, nicht die Umwandlersteuereinheit und die Wechselrichtersteuereinheit, sondern wird auf die andere Vorrichtung übertragen. Das Unregelmäßigkeitssignal kann rasch auf die andere Vorrichtung übertragen werden, ohne in der Umwandlersteuereinheit, der Wechselrichtersteuereinheit oder der Steuerung irgendeine Informationsverarbeitung zwischenzuschalten. Deshalb können, wenn die Unregelmäßigkeit beim Umwandler oder dem Wechselrichter auftritt, sowohl der Umwandler als auch der Wechselrichter im wesentlichen gleichzeitig mit dem Auftreten der Unregelmäßigkeit gestoppt werden. Sowohl eine Leistungsversorgungsquelle als auch eine Leistung verbrauchende Vorrichtung werden sofort gestoppt, wodurch ein weiteres Auftreten der Unregelmäßigkeit oder weiterer Ausfall verhindert werden kann.
• Wirkung der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, das eine Beschaffenheit aufweist, die selbst dann, wenn eine Unregelmäßigkeit bei einem Aufwärtswandler oder einem Wechselrichter auftritt, keinerlei Betriebsstörung in einem anderen Bereich auftritt.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 ist ein Schaltbild, das die Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und
• 2 ist ein Schaltbild, das einen Teil des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems einschließlich eines Aufwärtswandlers und eines Fahrwechselrichters zeigt.
• Beste Weise die Erfindung auszuführen
• Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, werden die gleichen Bauelemente in den Zeichnungen, wo immer möglich, mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet, wodurch deren überflüssige Beschreibung vermieden wird.
• Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebautes Brennstoffzellensystem FCS gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1 ist ein Schaltbild, das die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems FCS zeigt, das als bordeigenes Leistungsquellensystem des Brennstoffzellenfahrzeug fungiert. Das Brennstoffzellensystem FCS kann in einem Fahrzeug, wie einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV), einem Elektrowagen oder einem Hybridwagen eingebaut sein.
• Das Brennstoffzellensystem FCS umfaßt eine Brennstoffzelle FC, ein Oxidansgasversorgungssystem ASS, ein Brenngasversorgungssystem FSS, ein Leistungssystem ES, ein Kühlsystem CS und eine Steuerung EC. Die Brennstoffzelle FC empfängt eine Versorgung mit einem Reaktansgas (ein Brenngas und ein Oxidansgas), um Leistung zu erzeugen. Das Oxidansgasversorgungssystem ASS ist ein System zur Zufuhr von Luft als Oxidansgas zur Brennstoffzelle FC. Das Brenngasversorgungssystem FSS ist ein System zur Zufuhr eines Wasserstoffgases als Brenngas zur Brennstoffzelle FC. Das Leistungssystem ES ist ein System zur Steuerung der Ladung/Entladung der Leistung. Das Kühlsystem CS ist ein System zur Kühlung der Brennstoffzelle FC. Die Steuerung EC (eine Steuereinheit) ist eine Steuerung, die allgemein das ganze Brennstoffzellensystem FCS steuert.
• Die Brennstoffzelle besitzt eine Gestaltung mit einem Zellenstapel das Typs mit einem festen Polymerelektrolyten, in dem eine große Zahl von Zellen (Einzelzellen (Leistungsgeneratoren), deren jede eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten umfaßt) in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle FC findet während einer üblichen Aktion eine Oxidationsreaktion nach Formel (1) in der Anode und eine Reduktionsreaktion nach Formel (2) in der Kathode statt. In der gesamten Brennstoffzelle FC findet eine elektromotorische Rektion nach der Formel (3) statt. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → ... H₂O (3)
• Das Oxidansgasversorgungssystem ASS besitzt einen Oxidansgasströmungspfad AS3 und einen Oxidansabgasströmungspfad AS4. Der Oxidansgasströmungspfad AS3 ist ein Strömungspfad, durch den der Kathode der Brennstoffzelle FC zuzuführendes Oxidansgas strömt. Der Oxidansabgasströmungspfad AS4 ist ein Strömungspfad, durch den aus der Brennstoffzelle FC abgeführtes Oxidansabgas strömt.
• Der Oxidansgasströmungspfad AS3 ist mit einem Luftverdichter S2 und einem Befeuchter AS5 versehen. Der Luftverdichter AS2 ist ein Luftverdichter, der das Oxidansgas über einen Luftfilter AS1 aus der Atmosphäre entnimmt. Der Befeuchter AS5 ist ein Befeuchter, der das durch den Luftverdichter AS2 unter Druck gesetzte Oxidansgas befeuchtet.
• Der Oxidansabgasströmungspfad AS4 ist mit einem Druckfühler S6, einem Rückdruckregler A3 und dem Befeuchter AS5 versehen. Der Rückdruckregler A3 ist ein Ventil zur Regelung des Versorgungsdrucks des Oxidansgases. Der Befeuchter AS5 ist vorgesehen, um Wasser zwischen dem Oxidansgas (eine trockenen Gas) und einem Oxidansabgas (einem feuchten Gas) auszutauschen.
• Das Brenngasversorgungssystem FSS besitzt eine Brenngasversorgungsquelle FS1, einen Brenngasströmungspfad FS3, einen Kreislaufströmungspfad FS4, eine Umwälzpumpe FS5 und einen Gas/Wasserableitungspfad FS6. Der Brenngasströmungspfad FS3 ist ein Strömungspfad, über den das von der Brenngasversorgungsquelle FS1 der Anode der Brennstoffzelle FC zuzuführende Brenngas fließt. Der Kreislaufströmungspfad FS4 ist ein Strömungspfad zur Rückführung eines von der Brennstoffzelle FC austretenden Brennstoffabgases zum Brenngasströmungspfad FS3. Die Umwälzpumpe FS5 ist eine Pumpe, die unter Druck das Brennstoffabgas aus dem Kreislaufströmungspfad FS4 zum Brenngasströmungspfad FS3 fördert. Der Gas/Wasserableitungspfad FS6 ist ein Strömungspfad, der vom Kreislaufströmungspfad FS4 abzweigt und mit diesem verbunden ist.
• Die Brenngasversorgungsquelle FS1 wird beispielsweise von einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoff speichernden Legierung oder dergleichen gebildet und speichert das Wasserstoffgas, das einen hohen Druck (z. B. von 35 MPa bis 70 MPa) aufweist. Wenn ein Absperrventil geöffnet wird, fließt das Brenngas aus der Brenngasversorgungsquelle FS1 zum Brenngasströmungspfad FS3. Der Druck des Brenngases wird beispielsweise durch einen Regler oder einen Injektor FS2 auf etwa 200 kPa gesenkt und das Gas wird der Brennstoffzelle FC zugeführt.
• Der Brenngasströmungspfad FS3 ist mit dem Absperrventil H1, dem Regler H2, dem Injektor FS2, einem Absperrventil H3 und eine Druckfühler S4 versehen. Das Absperrventil H1 ist ein Ventil, dazu geeignet, die Zufuhr des Brenngases von der Brenngasversorgungsquelle FS1 abzusperren oder zuzulassen. Der Regler H2 regelt den Druck des Brenngases. Der Injektor FS2 steuert die Menge des zur Brennstoffzelle FC zuzuführenden Brenngases. Das Absperrventil H3 ist ein Ventil zur Absperrung der Zufuhr des Brenngases zur Brennstoffzelle FC.
• Der Regler H2 ist eine Vorrichtung, die den Druck auf ihrer stromauf gelegenen Seite (den Primärdruck) auf einen vorgegebenen Sekundärdruck regelt. Beispielsweise wird der Regler H2 von einem mechanischen Druckregelventil zur Reduzierung des Primärdrucks oder dergleichen gebildet. Das mechanische Druckregelventil besitzt ein Gehäuse, in dem eine Rückdruckkammer und eine Druckregelkammer mit einer dazwischen eingefügten Membran ausgebildet sind. Das Druckreduzierventil besitzt eine Gestaltung, bei der der Primärdruck in der Druckregelkammer durch den Rückdruck in der Rückdruckkammer auf einen vorgegebenen Druck abgesenkt wird, um den Sekundärdruck zu erhalten. Der Regler H2 kann auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors FS2 angeordnet sein, um wirkungsvoll den Druck auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors FS2 zu verringern.
• Der Injektor FS2 ist eine Ein-Aus-Ventilbauart mit elektromagnetischem Antrieb, bei der ein Ventilkörper direkt durch eine elektromagnetische Antriebskraft während einer vorgegebenen Betätigungsperiode betätigt und zur Regelung eines Gasdurchflusses oder eines Gasdrucks von Ventilsitz abgehoben werden kann. Der Injektor FS2 umfaßt einen Ventilsitz mit einem Düsenloch, durch das ein gasförmiger Brennstoff, wie Brenngas, ausgestoßen wird, einen Düsenkörper, der den gasförmigen Brennstoff dem Düsenloch zuführt, wobei der Ventilkörper so eingeschlossen und gehalten ist, daß er in Richtung einer axialen Linie (einer Gasströmungsrichtung) gegenüber diesem Düsenkörper beweglich ist, um das Düsenloch zu öffnen und zu schließen.
• Der Ventilkörper des Injektors FS2 wird durch ein Solenoid betätigt, das eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ist und eine Gestaltung aufweist, durch die die Dauer und der Zeitpunkt des Gasausstoßes des Injektors FS2 durch ein Steuersignal gesteuert werden kann, das von der Steuerung EC ausgegeben wird. Um das Gas mit einem auf der stromab gelegenen Seite des Injektors geforderten Durchfluß zuzuführen, verändert der Injektor FS2 wenigstens entweder den Öffnungsquerschnitt (Öffnungsgrad) oder die Öffnungsdauer des im Gasströmungspfad des Injektors vorgesehenen Ventilkörpers, wodurch der Durchfluß (oder die molare Konzentration des Wasserstoffs) des auf der stromab gelegenen Seite zugeführten Gases geregelt wird.
• Der Kreislaufströmungspfad FS4 ist mit einem Absperrventil H4 versehen und mit dem Gas/Wasserableitungsströmungspfad FS6 verbunden. Der Gas/Wasserableitungsströmungspfad FS6 ist mit einem Gas/Wasserableitungsventil H5 versehen. Das Gas/Wasserableitungsventil H5 ist ein Ventil, das entsprechend einem Befehl aus der Steuerung EC betätigt wird, um das Verunreinigungen enthaltende Brennstoffabgas im Kreislaufströmungspfad FS4 und Wasser nach außen abzuführen. Das Gas/Wasserableitungsventil H5 wird geöffnet, um die Konzentration von Verunreinigungen abzusenken, die im Brennstoffabgas im Kreislaufströmungspfad FS4 enthalten sind, wodurch die Wasserstoffkonzentration in dem über ein Kreislaufsystem zirkulierenden Brennstoffabgas erhöht werden kann.
• Das über das Gas/Wasserableitungsventil H5 abgeführte Brennstoffabgas ist mit dem Oxidansabgas vermischt, das durch den Oxidansabgasströmungspfad AS4 strömt, und wird durch eine (nicht gezeigte) Verdünnungsvorrichtung verdünnt. Die Unwälzpumpe FS5 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brennstoffabgas umzuwälzen und es einem Kreislaufsystem der Brennstoffzelle FC zuzuführen.
• Das Leistungssystem ES umfaßt einen Gleichstromumwandler ES1, eine Batterie ES2, einen Fahrwechselrichter ES3, einen Fahrmotor ES4, Hilfsmaschinen ES5 und einen Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6. Das Brennstoffzellensystem FCS besitzt eine Gestaltung eines parallelen Hybridsystems, in dem der Gleichstromwandler ES1 und der Fahrwechselrichter ES3 parallel mit der Brennstoffzelle FC verbunden sind. Der Gleichstromwandler ES1 und der Fahrwechselrichter ES3 bilden eine Leistungssteuereinheit (PCU).
• Der Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 ist ein Gleichstromumwandler, der eine Funktion aufweist, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle FC anhebt, um die Spannung an den Fahrwechselrichter ES3 und den Fahrmotor ES4 auszugeben. Der Gleichstromumwandler ES1 hat eine Funktion, eine durch die Batterie ES2 angelegte Gleichspannung anzuheben, um die Spannung am Fahrwechselrichter ES3 anzulegen. Der Gleichstromumwandler ES1 hat eine Funktion, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugte Gleichstromleistung oder eine regenerative Leistung, die durch den Fahrmotor ES4 durch regeneratives Bremsen aufgenommen wird, abzusenken, um die Leistung in die Batterie ES2 zu laden. Durch diese Funktionen des Gleichstromumwandlers ES1 wird das Laden/Entladen der Batterie ES2 gesteuert. Überdies wird die Spannungsumwandlung durch den Gleichstromumwandler ES1 gesteuert, wodurch der Betriebspunkt (eine Spannung an der Ausgangsklemme und ein Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC gesteuert wird. Ein Spannungssensor S1 und ein Stromsensor S2 sind der Brennstoffzelle FC zugeordnet. Der Spannungssensor S1 ist ein Sensor zur Feststellung der durch den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 angehobenen Spannung an einer Ausgangsklemme der Brennstoffzelle FC. Der Stromsensor S2 ist ein Sensor zur Feststellung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle FC. Zudem ist zwischen dem Aufwärtswandler ES6 und dem Fahrwechselrichter ES3 ein Temperatursensor S7 zur Feststellung der Temperatur oder eine Leistungsleitung eingefügt.
• Die Batterie ES2 fungiert als eine Speicherquelle einer Überschußleistung, eine Speicherquelle regenerativer Energie während des regenerativen Bremsens oder als Leistungspuffer während der Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Als die Batterie ES2 ist beispielsweise eine Nickel/Kadmium-Akkumulatorenbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulatorenbatterie, oder eine Sammelbatterie, wie eine Lithiumsammelbatterie, geeignet. Ein Sensor S3 zur Feststellung des Ladungszustands (SOC) ist an der Batterie ES2 angebracht.
• Der Fahrwechselrichter ES3 ist beispielsweise ein Wechselrichter für Pulsbreitenmodulation, der beispielsweise von einem System für Pulsbreitenmodulation getrieben wird. Der Fahrwechselrichter ES3 wandelt den Gleichspannungsausgang aus der Brennstoffzelle FC oder der Batterie ES2 gemäß einem Steuerbefehl von der Steuerung EC zur Steuerung des Drehmoments des Fahrmotors ES4 in eine Dreiphasenwechselspannung um. Der Fahrmotor ES4 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor und bildet eine Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug.
• Die Hilfsmaschinen ES5 schließen im allgemeinen Motoren ein, die in Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS angeordnet sind (beispielsweise Leistungsquellen für Pumpen, etc.), Wechselrichter für den Antrieb dieser Motoren und verschiedene bordeigene Hilfsmaschinen (beispielsweise der Luftverdichter, der Injektor, eine Kühlwasserumwälzpumpe, ein Kühler, usw.).
• Das Kühlsystem CS besitzt einen Kühler CS1, eine Pumpe CS2 für die Kühllösung (cooling solution), einen Zuleitungspfad CS3 für die Kühllösung und einen Rückleitungspfad CS4 für die Kühllösung. Der Kühler CS1 strahlt die Wärme einer Kühllösung zur Kühlung der Brennstoffzelle FC ab, um die Lösung zu kühlen. Die Pumpe CS2 für die Kühllösung ist eine Pumpe zur Umwälzung der Kühllösung zwischen der Brennstoffzelle FC und dem Kühler CS1. Der Zuleitungspfad CS3 für die Kühllösung ist ein Strömungspfad, der den Kühler CS1 mit der Brennstoffzelle FC verbindet und mit der Pumpe CS2 für die Kühllösung versehen ist. Wenn die Pumpe CS2 für die Kühllösung angetrieben wird, strömt die Kühllösung über den Zuleitungspfad CS3 vom Kühler CS1 zur Brennstoffzelle FC. Der Rückleitungspfad CS4 für die Kühllösung ist ein Strömungspfad zur Verbindung der Brennstoffzelle FC mit dem Kühler CS1 und ist mit einem Wassertemperatursensor S5 versehen. Wenn die Pumpe CS2 für die Kühllösung angetrieben wird, kehrt die Kühllösung, die die Brennstoffzelle FC gekühlt hat, zum Kühler CS1 zurück.
• Die Steuerung EC (die Steuereinheit) ist ein Computersystem, das eine CPU, ein ROM, ein RAM und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle umfaßt und die Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS steuert. Beispielsweise startet die Steuerung EC die Aktion des Brennstoffzellensystems FCS, nachdem sie von einem Zündschalter ein Startsignal IG empfangen hat. Danach beschafft die Steuerung EC die vom gesamten Brennstoffzellensystem FCS angeforderte Leistung basierend auf einem von einem Fahrpedalsensor ausgegebenen, den Öffnungsgrad des Fahrpedals anzeigenden Signal ACC, einem von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, oder dergleichen. Die vom gesamten Brennstoffzellensystem FCS angeforderte Leistung ist ein Gesamtwert einer Fahrzeugfahrleistung und einer Hilfsmaschinenleistung.
• Dabei schließt die Hilfsmaschinenleistung eine Leistung ein, die von bordeigenen Hilfsmaschinen verbraucht wird (dem Befeuchter, de, Luftverdichter, der Wasserstoffpumpe, der Kühlwasserumwälzpumpe, usw.), eine Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die erforderlich sind, um das Fahrzeug zu bewegen (ein Getriebe, eine Radsteuerungsvorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung, usw.), eine Leistung, die von Vorrichtungen im Insassenraum (eine Klimaanlage, Beleuchtung, Audioanlage, usw.) und dergleichen verbraucht wird.
• Des weiteren bestimmt die Steuerung EC die Verteilung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle FC und der Batterie ES2. Die Steuerung EC steuert das Oxidansgasversorgungssystem ASS und das Brenngasversorgungssystem FSS derart, daß die Menge der von der Brennstoffzelle zu erzeugenden Leistung der Zielleistung entspricht. Zudem gibt die Steuerung EC ein Befehlssignal an den Gleichstromumwandler ES1 aus, gestattet dem Gleichstromumwandler ES1 die Umwandlersteuerung durchzuführen und steuert den Betriebspunkt (die Spannung an der Ausgangsklemme und den Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC. Außerdem gibt die Steuerung EC beispielssweise Wechselspannungsbefehlswerte für die U-, V- und W-Phasen als Schaltbefehle an den Fahrwechselrichter ES3 derart aus, daß ein Zieldrehmoment entsprechend dem Öffnungsgrad des Fahrpedals erhalten wird, wodurch das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Fahrmotors ES4 gesteuert wird. Weiterhin steuert die Steuerung EC das Kühlsystem CS derart, daß die Brennstoffzelle FC eine geeignete Temperatur aufweist.
• Nun wird unter Bezugnahme auf 2 eine Ausgestaltung zum sofortigen Stoppen sowohl des Brennstoffzellenaufwärtswandlers ES6 als auch des Fahrwechselrichters ES3 für den Fall beschrieben, daß in einem von ihnen eine Unregelmäßigkeit auftritt. Die 2 ist ein Schaltbild, das detaillierter den den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 und den Fahrwechselrichter ES3 einschließenden Teil der 1 zeigt.
• Wie in 2 gezeigt, ist der Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 mit einer Wandlersteuervorrichtung ECa zur Steuerung des Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 versehen. Die Wandlersteuervorrichtung ECa umfaßt eine Wandlersteuereinheit ECa1. Die Wandlersteuereinheit ECa1 ist eine Zentraleinheit (CPU) und mit der Steuerung EC über eine Signalleitung L1 verbunden. Die Wandlersteuereinheit ECa1 ist so gestaltet, daß sie ein vorgegebenes Steuersignal auf die Steuerung EC überträgt oder von dieser empfängt. Außerdem ist die Wandlersteuereinheit ECa1 mit dem Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 über eine Signalleitung ECa2 verbunden. Die Wandlersteuereinheit ECa1 ist so gestaltet, daß sie das vorgegebene Steuersignal an den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 ausgibt und ein vorgegebenes Zustandssignal (das Signal, das den Zustand des Brennstoffzellenaufwärtswandlers ES6 anzeigt) vom Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 empfängt. Deshalb fungiert die Wandlersteuereinheit ECa1 als ein Teil, das das Steuersignal zur Steuerung EC überträgt oder von ihr empfängt, um den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 zu steuern.
• Andererseits ist der Fahrwechselrichter ES3 mit einer Wechselrichtersteuervorrichtung ECb zur Steuerung des Fahrwechselrichter ES3 versehen. Die Wechselrichtersteuervorrichtung ECb umfaßt eine Wechselrichtersteuereinheit ECb1. Die Wechselrichtersteuereinheit ECb1 ist eine Zentraleinheit (CPU) und ist mit der Steuerung EC über eine Signalleitung L2 verbunden. Die Wechselrichtersteuereinheit ECb1 ist so gestaltet, daß sie ein vorbestimmtes Steuersignal an die Steuerung EC überträgt oder von ihr empfängt. Die Wechselrichtersteuereinheit Ecb1 ist mit dem Fahrwechselrichter ES3 über eine Signalleitung ECb2 verbunden. Die Wechselrichtersteuereinheit Ecb1 ist so gestaltet, daß sie das vorgegebene Steuersignal an den Fahrwechselrichter ES3 ausgibt und ein vorgegebenes Zustandssignal (das Signal, das den Zustand des Fahrwechselrichters ES3 anzeigt) vom Fahrwechselrichter ES3 empfängt. Deshalb fungiert die Wechselrichtersteuereinheit ECb1 als ein Teil, das das Steuersignal an die Steuerung EC überträgt oder von ihr empfängt, um den Fahrwechselrichter ES3 zu steuern.
• Die obige Gestaltung ist bei der vorliegenden Ausführungsform mit einer Unregelmäßigkeitssignalleitung L3 und einer Unregelmäßigkeitssignalleitung L4 versehen. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L3 ist eine Signalleitung, die an den Fahrwechselrichter ES3 ein Unregelmäßigkeitssignal überträgt, um das Auftreten einer Unregelmäßigkeit mitzuteilen, wenn die Unregelmäßigkeit im Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 auftritt. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L3 führt durch die Umwandlersteuervorrichtung ECa und die Wechselrichtersteuervorrichtung ECb, jedoch nicht durch die Umwandlersteuereinheit ECa1 in der Umwandlersteuervorrichtung ECa und die Wechselrichtersteuereinheit Ecb1 in der Wechselrichtersteuervorrichtung Ecb. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L3 fungiert im wesentlichen als eine Hardware-Leitung, die direkt den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 mit dem Fahrwechselrichter ES3 verbindet. Deshalb wird, wenn die Unregelmäßigkeit im Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 auftritt, das Unregelmäßigkeitssignal zur Mitteilung des Auftretens der Unregelmäßigkeit nicht irgendeiner Informationsverarbeitung ausgesetzt, sondern direkt auf den Fahrwechselrichter ES3 übertragen. Der Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 und der Fahrwechselrichter ES3 können im wesentlichen gleichzeitig gestoppt werden.
• Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L4 ist eine Signalleitung, die an den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 ein Unregelmäßigkeitssignal zur Information über das Auftreten einer Unregelmäßigkeit überträgt, wenn im Fahrwechselrichter ES3 eine Unregelmäßigkeit auftritt. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L4 erstreckt sich vom Fahrwechselrichter ES3 aus und ist mit dem Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 über die Wechselrichtersteuervorrichtung ECb und die Wandlersteuervorrichtung ECa verbunden. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L4 führt durch die Wechselrichtersteuervorrichtung ECb und die Wandlersteuervorrichtung ECa, jedoch nicht durch die Wechselrichtersteuereinheit ECb1 in der Wechselrichtersteuervorrichtung ECb und die Umwandlersteuereinheit ECa1 in der Umwandlersteuervorrichtung ECa. Die Unregelmäßigkeitssignalleitung L4 fungiert im wesentlichen als eine Hardware-Leitung, die direkt den Fahrwechselrichter ES3 mit dem Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 verbindet. Deshalb wird, wenn die Unregelmäßigkeit im Fahrwechselrichter ES3 auftritt, das Unregelmäßigkeitssignal zur Mitteilung des Auftretens der Unregelmäßigkeit nicht irgendeiner Informationsverarbeitung ausgesetzt, sondern direkt auf den Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 übertragen. Der Fahrwechselrichter ES3 und der Brennstoffzellenaufwärtswandler ES6 können im wesentlichen gleichzeitig gestoppt werden.
• Beschreibung der Bezugszeichen

• FCS:

  Brennstoffzellensystem

  FC:

  Brennstoffzelle

  ASS:

  Oxidansgasversorgungssystem

  AS1:

  Filter

  AS2:

  Luftverdichter

  AS3:

  Oxidansgasströmungspfad

  AS4:

  Oxidansabgasströmungspfad

  AS5:

  Befeuchter

  A3:

  Rückdruckregler

  CS:

  Kühlsystem

  CS1:

  Kühler

  CS2:

  Pumpe für die Kühllösung

  CS3:

  Zuleitungspfad für Kühllösung

  CS4:

  Rückleitungspfad für Kühllösung

  FSS:

  Brenngasversorgungssystem

  FS1:

  Brenngasversorgungsquelle

  FS2:

  Injektor

  FS3:

  Brenngasströmungspfad

  FS4:

  Kreislaufströmungspfad

  FS5:

  Umwälzpumpe

  FS6:

  Gas/Wasserableitungspfad

  H1:

  Absperrventil

  H2:

  Regler

  H3:

  Absperrventil

  H4:

  Absperrventil

  H5:

  Gas/Wasserableitungsventil

  ES:

  Leistungssystem

  ES1:

  Gleichstromumwandler

  ES2:

  Batterie

  ES3:

  Fahrwechselrichter

  ES4:

  Fahrmotor

  ES5:

  Hilfsmaschinen

  ES6:

  Brennstoffzellenaufwärtswandler

  EC:

  Steuerung

  S1:

  Spannungsensor

  S2:

  Stromsensor

  S3:

  Ladezustandssensor

  S4, S6:

  Drucksensor

  S5:

  Wassertemperatursensor

  ACC:

  den Öffnungsgrad des Fahrpedals anzeigendes Signal

  IG:

  Startsignal

  VC:

  Fahrzeuggeschwindigkeitssignal

Claims (1)

1. Brennstoffzellensystem (FCS) umfassend: eine Brennstoffzelle (FC) und eine mit der Brennstoffzelle (FC) verbundene Last (ES4), wobei das Brennstoffzellensystem (FCS) weiter umfaßt: einen zwischen der Brennstoffzelle (FC) und der Last (ES4) eingefügten Umwandler (ES6), der die Ausgangsspannung anhebt, um sie an die Last (ES4) anzulegen; einen Wechselrichter (ES3), der eine vom Umwandler (ES6) ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt und die Leistung an die Last (ES4) ausgibt; und eine Steuerung (EC), die die Brennstoffzelle (FC), den Umwandler (ES6) und den Wechselrichter (ES3) steuert, wobei der Umwandler (ES6) eine Umwandlersteuereinheit (ECa1) besitzt, die zur Steuerung des Umwandlers (ES6) ein Signal an die Steuerung (EC) überträgt oder von dieser empfängt, der Wechselrichter (ES3) eine Wechselrichtersteuereinheit (ECb1) besitzt, die zur Steuerung des Wechselrichters (ES3) ein Signal an die Steuerung (EC) überträgt und von dieser empfängt und, wenn eine Unregelmäßigkeit in entweder dem Umwandler (ES6) oder dem Wechselrichter (ES3) auftritt, ein Unregelmäßigkeitssignal zur Information über das Auftreten der Unregelmäßigkeit nicht die Umwandlersteuereinheit (ECa1) oder die Wechselrichtersteuereinheit (ECb1) durchquert, sondern auf die andere Vorrichtung übertragen wird, um sowohl den Umwandler (ES6) als auch den Wechselrichter (ES3) zu stoppen.

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