DE112010001449T5 - Brennstoffzellensystem, Regelverfahren für ein Brennstoffzellensystem und Elektrofahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (100), das eine Brennstoffzelle (11), die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt, und einen Regelabschnitt (50), der bestimmt, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist, aufweist. Der Regelabschnitt weist ein Startmittel zum Starten der Brennstoffzelle durch Erhöhen der Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, und ein Leckbestimmungsmittel auf zum Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Regelverfahren für das Brennstoffzellensystem und eine Steuerung, die an einem Elektrofahrzeug durchgeführt wird, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, während das Elektrofahrzeug gestartet wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Derzeit wird über die praktische Anwendung einer Brennstoffzelle nachgedacht, die Wasserstoff als Brenngas zu einer Brennstoffelektrode liefert, Luft als Oxidierungsgas zu einer Oxidationselektrode liefert und Elektrizität über eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft erzeugt, während Wasser an der Oxidationselektrode erzeugt wird.
  • Wenn in einer solchen Brennstoffzelle bei Aufnahme des Betriebs der Druck des Wasserstoffs, der zur Brennstoffelektrode geliefert wird, und der Druck der Luft, die zur Oxidationselektrode geliefert wird, den entsprechenden Drücken, die während eines Normalbetriebs auftreten, etwa gleich sind, kann es passieren, dass Wasserstoffgas und Luft in der Brennstoffelektrode bzw. der Oxidationselektrode ungleichmäßig verteilt werden, und dass die Elektroden durch eine elektrochemische Reaktion, die durch die ungleichmäßige Verteilung dieser Gase bewirkt wird, geschädigt werden. Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-26891 ( JP-A-2007-26891 ) offenbart ein Verfahren, das die Schädigung der Elektroden einer Brennstoffzelle dadurch verhindern soll, dass dafür gesorgt wird, dass der Druck des Wasserstoffs, der zur Brennstoffelektrode geliefert wird, und der Druck der Luft, die zur Oxidationselektrode geliefert wird, zu Beginn des Betriebs der Brennstoffzelle höher sind als der übliche Lieferdruck der jeweiligen Gase.
  • Wenn Wasserstoffgas und Luft mit hohem Druck zu einer Brennstoffzelle geliefert werden, während die Brennstoffzelle ihren Betrieb aufnimmt, kann es jedoch vorkommen, dass die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der die Spannung der Brennstoffzelle steigt, so zunimmt, dass die Spannung der Brennstoffzelle über ihre Spannungsobergrenze hinausschießt. Im Hinblick auf dieses Problem offenbart die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-26891 ( JP-A-2007-26891 ) ein Verfahren, in dem elektrische Leistung aus einer Brennstoffzelle abgezogen und an einen Fahrzeug-Antriebsmotor, an Widerstände usw. ausgegeben wird, wenn Wasserstoffgas und Luft beim Starten der Brennstoffzelle jeweils mit einem Druck zugeführt werden, der höher ist als der jeweilige Druck, der während einer normalen Leistungserzeugung vorhanden ist, falls die Spannung der Brennstoffzelle eine vorgegebene Spannung erreicht, die niedriger ist als die Spannungsobergrenze.
  • Da die Brennstoffzelle Wasserstoff als Brenngas verwendet, muss überprüft werde, dass kein Wasserstoff austritt, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird. Diesem Zweck dient ein Verfahren, in dem das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks in dem System dadurch bestimmt wird, dass das Wasserstoffsystem abgedichtet wird und dann geprüft wird, ob der Druck im System niedrig wird oder nicht. Jedoch wird während des Stadiums, in dem Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft eine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle durchlaufen, der Wasserstoff, der zur Brennstoffzelle geliefert wird, durch die elektrochemische Reaktion verbraucht. Daher sinkt der Druck des abgedichteten Wasserstoffsystems auch dann, wenn kein Wasserstoffleck vorhanden ist, und ein Wasserstoffleck kann manchmal nicht exakt bestimmt werden. In einer Technologie des Standes der Technik, die in 8 dargestellt ist, wird daher nach Drehen eines Zündschlüssels auf EIN zu einem Zeitpunkt t0' der Regelwert der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, der von einer Linie a' dargesteilt wird, auf eine Leerlaufspannung OCV eingestellt. Zu einem Zeitpunkt t1' beginnt eine Erhöhung der Spannung der Brennstoffzelle, wie von einer Linie b' dargestellt, durch Liefern von Wasserstoff und Sauerstoff zur Brennstoffzelle, und damit eine Erhöhung des Drucks in einem Wasserstoffsystem und einem Sauerstoffsystem. Infolgedessen wird die Spannung der Brennstoffzelle vorübergehend auf die Leerlaufspannung OCV erhöht. Dann wird in dem Verfahren des Standes der Technik erfasst, ob während eines Zeitraums von einem Zeitpunkt t2' bis zu einem Zeitpunkt t3', während dem die Spannung der Brennstoffzelle auf der Leerlaufspannung OCV bleibt, Wasserstoff austritt oder nicht. Wenn die Spannung der Brennstoffzelle die Leerlaufspannung OCV erreicht, schreitet die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb der Brennstoffzelle nicht weiter fort, so dass der Wasserstoff in dem abgedichteten bzw. abgeschlossenen Wasserstoffsystem nicht verbraucht wird. Daher kann ein Zustand erzeugt werden, in dem der Druck des abgeschlossenen Wasserstoffsystems kaum abnimmt, wenn kein Wasserstoffleck vorhanden ist. Dann kann dadurch, dass der Grad der Druckabnahme des Wasserstoffsystems während des oben genannten Zustands erfasst wird, bestimmt werden, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist oder nicht. Wenn die Spannung der Brennstoffzelle die Leerlaufspannung OCV erreicht, kann jedoch die Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das bestimmt, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist, während es gleichzeitig die schädliche Wirkung auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle beim Starten der Brennstoffzelle begrenzt bzw. verhindert, und schafft außerdem ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem sowie ein Elektrofahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Dieses Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt; und einen Steuer- bzw. Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist bzw. ob Brenngas austritt. Der Regelabschnitt weist auf: ein Startmittel zum Starten der Brennstoffzelle durch Erhöhen der Spannung der Brennstoffzelle von einer Anfangs- bzw. Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als die Leerlaufspannung; und ein Leckbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  • Das genannte System kann ferner aufweisen: ein Brenngaszufuhrmittel zum Liefern des Brenngases zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle; und ein Oxidierungsgaszufuhrmittel zum Liefern des Oxidierungsgases zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle, und das Startmittel kann die Spannung der Brennstoffzelle dadurch erhöhen, dass es das Brenngas durch das Brenngaszufuhrmittel zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle liefern lässt und dann das Oxidierungsgas durch das Oxidierungsgaszufuhrmittel zur Oxidationselektrode liefern lässt, und das Leckerfassungsmittel kann während eines Zeitraums ab Beginn der Zufuhr des Brenngases bis zum Beginn der Zufuhr des Oxidierungsgases bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann das Brenngaszufuhrmittel einen Brenngaszufuhrkanal und ein Brenngaszufuhrventil, das im Brenngaszufuhrkanal vorgesehen ist, aufweisen und kann ferner einen Gasausfuhr- bzw. Abgaskanal, der ein Brenngas, das eine Reaktion durchlaufen hat, aus der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausführt, ein Gasausfuhr- bzw. Abgasventil, das im Abgaskanal vorgesehen ist, und einen Drucksensor aufweisen, der einen Druck in dem Brenngaskanal, der sich auf einer Brennstoff elektrodenseite des Brennstoffzufuhrventils befindet, erfasst und der auf einer Brennstoffelektrodenseite des Gaszufuhrventils angeordnet ist, und das Leckbestimmungsmittel kann das Brennstoffzufuhrventil und das Abgasventil schließen und kann auf Basis einer Geschwindigkeit, mit der ein vom Drucksensor erfasster Druck abnimmt, bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Dieses Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt; ein Brenngaszufuhrmittel zum Liefern des Brenngases zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle; ein Oxidierungsgaszufuhrmittel zum Liefern des Oxidierungsgases zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle; und einen Steuer- bzw. Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist. Der Regelabschnitt weist auf: ein Startmittel zum Starten der Brennstoffzelle durch Senken der Spannung der Brennstoffzelle von einer Anfangs- bzw. Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, während des Startens der Brennstoffzelle, falls die Startspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als die Leerlaufspannung, aber höher ist als die Betriebsspannung, und durch Liefern des Brenngases zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch das Brenngaszufuhrmittel und anschließendes Liefern des Oxidierungsgases zur Oxidationselektrode durch das Oxidierungsgaszufuhrmittel; und ein Leckbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, während eines Zeitraums ab Beginn der Brenngaszufuhr bis zum Beginn der Oxidierungsgaszufuhr.
  • In diesem Brennstoffzellensystem kann das Brenngaszufuhrmittel einen Brenngaszufuhrkanal und ein Brenngaszufuhrventil, das im Brenngaszufuhrkanal vorgesehen ist, aufweisen und kann ferner einen Gasausfuhr- bzw. Abgaskanal, der ein Brenngas, das eine Reaktion durchlaufen hat, aus der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausführt, ein Gasabfuhr- bzw. Abgasventil, das im Abgaskanal vorgesehen ist, und einen Drucksensor aufweisen, der einen Druck in dem Brenngaskanal, der sich auf einer Brennstoffelektrodenseite des Brennstoffzufuhrventils befindet, erfasst und der auf einer Brennstoffelektrodenseite des Gaszufuhrventils angeordnet ist, und das Leckbestimmungsmittel kann das Brennstoffzufuhrventil und das Abgasventil beim Starten der Brennstoffzelle schließen und kann aufgrund einer ersten, vom Drucksensor erfassten Druckabnahmerate und einer zweiten Druckabnahmerate auf Basis einer Brenngas-Verbrauchsmenge, die aufgrund eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle geschätzt wird, bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist.
  • In diesem Brennstoffzellensystem kann das Leckerfassungsmittel eine dritte Druckabnahmerate durch Subtrahieren der zweiten Druckabnahmerate von der ersten Druckabnahmerate berechnen und kann bestimmen, dass ein Brenngasleck vorhanden ist, wenn die dritte Druckabnahmerate mindestens so groß ist wie ein erster Schwellenwert. Außerdem kann das Leckbestimmungsmittel bestimmen, dass ein Brennstoffleck vorhanden ist, wenn die erste Druckabnahmerate mindestens so groß ist wie ein zweiter Schwellenwert, der größer ist als der erste Schwellenwert.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug. Dieses Elektrofahrzeug ist mit dem genannten Brennstoffzellensystem ausgestattet.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Dieses Verfahren ist ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt, und weist auf: Starten der Brennstoffzelle durch Erhöhen der Spannung der Brennstoffzelle von einer Anfangs- bzw. Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung; und Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  • Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Dieses Verfahren ist ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt, einen Brenngaszufuhrabschnitt, der ein Brenngas zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle liefert, und einen Oxidierungsgaszufuhrabschnitt, der das Oxidierungsgas zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle liefert. Das Steuerverfahren weist auf: Starten der Brennstoffzelle durch Senken der Spannung der Brennstoffzelle von einer Anfangs- bzw. Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, während des Startens der Brennstoffzelle, falls die Startspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als die Leerlaufspannung, aber höher ist als die Betriebsspannung, und durch Liefern des Brenngases zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch den Brenngaszufuhrabschnitt und anschließendes Liefern des Oxidierungsgases zur Oxidationselektrode durch den Oxidierungsgaszufuhrabschnitt; und Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, während eines Zeitraums ab Beginn der Brenngaszufuhr bis zum Beginn der Oxidierungsgaszufuhr.
  • Die Erfindung ermöglicht eine Bestimmung, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu beeinträchtigen, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die oben genannten und/oder weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlicher, in denen gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und worin:
  • 1 eine Systemskizze eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2 ein Graph ist, der Spannungszunamen zeigt, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung gestartet wird;
  • 3 ein Graph ist, der Druckabnahmen eines abgeschlossenen Wasserstoffsystems beim Starten des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 4 ein Ablaufschema ist, das einen Betrieb zeigt, der durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform der Erfindung gestartet wird;
  • 5 ein Graph ist, der ein weiteres Beispiel für Spannungszunahmen zeigt, die stattfinden, wenn das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform der Erfindung gestartet wird;
  • 6 ein Graph ist, der ein weiteres Beispiel für die Druckabnahmen des abgeschlossenen Wasserstoffsystems zeigt, wenn das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform der Erfindung gestartet wird;
  • 7 ein Ablaufschema ist, das einen anderen Betrieb zeigt, der durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform der Erfindung gestartet wird; und
  • 8 ein Graph ist, der Spannungszunahmen in einem Brennstoffzellensystem des Standes der Technik beim Starten des Systems zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 100, das in einem Elektrofahrzeug 200 installiert ist, auf: eine auf- und entladbare Batterie bzw. Sekundärzelle 12, einen Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13, der die Spannung der Sekundärzelle 12 hebt oder senkt, einen Wechselrichter 14, der elektrische Gleichstromleistung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 in elektrische Wechselstromleistung wandelt und die elektrische Leistung zu einem Fahrmotor 15 liefert, und eine Brennstoffzelle 11.
  • Die Sekundärzelle 12 besteht aus einer auf- und entladbaren Lithiumionenbatterie oder dergleichen. Die Spannung der Sekundärzelle 12 dieser Ausführungsform ist niedriger als die Spannung zum Ansteuern des Fahrmotors 15. Jedoch ist die Spannung der Sekundärzelle nicht darauf beschränkt, sondern kann auch eine Spannung sein, die der Spannung, mit der der Fahrmotor angesteuert wird, gleich ist oder die darüber liegt. Der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 weist eine Vielzahl von Schaltelementen auf und wandelt eine niedrige Spannung, die von der Sekundärzelle 12 geliefert wird, durch die Ein/Aus-Betätigungen der Schaltelemente in eine hohe Spannung zum Ansteuern des Fahrmotors um. Der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 ist ein nicht isolierter, bidirektionaler Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, dessen Bezugsstrompfad 32 sowohl mit einem minusseitigen Strompfad 34 der Sekundärzelle 11 als auch einem minusseitigen Strompfad 39 des Wechselrichters 14 verbunden ist, und dessen primärseitiger Strompfad 31 mit einem plusseitigen Strompfad 33 der Sekundärzelle 12 verbunden ist und dessen sekundärseitiger Strompfad 35 mit einem plusseitigen Strompfad 38 des Wechselrichters 14 verbunden ist. Außerdem sind sowohl der plusseitige Strompfad 33 als auch der minusseitige Strompfad 34 der Sekundärzelle 12 mit einem Systemrelais 25 verbunden, das die Verbindung zwischen der Sekundärzelle 11 und einem Lastsystem ein- und ausschaltet.
  • Die Brennstoffzelle 11 wird mit einem Wasserstoffgas, bei dem es sich ein Brenngas handelt, und mit Luft, bei der es sich um ein Oxidierungsgas handelt, versorgt und erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoff aus der Luft Elektrizität. In der Brennstoffzelle 11 wird das Wasserstoffgas von einem Hochdruck-Wasserstofftank 17 über eine Wasserstoffzufuhrleitung 27, die mit einem Wasserstoffzufuhrventil 18 versehen ist, zu einer Brennstoffelektrode (Anode) geliefert, und Luft wird von einem Luftkompressor 19 zu einer Oxidationselektrode (Kathode) geliefert. Hierbei ist das Wasserstoffzufuhrventil 18 ein Brennstoffzufuhrventil, und die Wasserstoffzufuhrleitung 27 ist ein Brenngaszufuhrkanal. Ein Drucksensor 47, der den Druck in einem Wasserstoffsystem erfasst, ist an der Wasserstoffzufuhrleitung 27 befestigt. Der zugeführte Wasserstoff und der Sauerstoff in der zugeführten Luft durchlaufen eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 11, wodurch Elektrizität ausgegeben wird und Wasser an der Oxidationselektrode erzeugt wird. Das erzeugte Wasser wird zusammen mit der Luft, die für die Reaktion genutzt wurde, aus der Brennstoffzelle abgeführt. Dagegen verwandelt sich der Wasserstoff, der zur Brennstoffelektrode geliefert wird, in ein Reaktionsgas, dessen Wasserstoffkonzentration aufgrund der Reaktion gesunken ist, und wird dann durch eine Wasserstoffgas-Abfuhrleitung 28 abgeführt. Das abgeführte Reaktionsgas wird von einer Wasserstoffumwälzpumpe 26, die an einer Rückführleitung 29 vorgesehen ist, unter Druck gesetzt, um in die Wasserstoffzufuhrleitung 27 und daher zur Brennstoffelektrode zurückgeführt zu werden. Die Wasserstoffmenge, die von der Reaktion verbraucht wird, wird durch Anpassen des Öffnungsgrads des Wasserstoffzufuhrventils 18 aus dem Wasserstofftank 17 in die Wasserstoffzufuhrleitung 27 geliefert. Außerdem wird das Gas, das sich an der Brennstoffelektrode befindet, wozu unter anderem auch Stickstoffgas gehört, zusammen mit dem Gas, das die Reaktion durchlaufen hat, durch eine Gasabfuhr- bzw. Abgasleitung 45 nach außen abgeführt. Ein Abgasventil 22, das die abgeführte Gasmenge anpasst, ist an der Abgasleitung 45 befestigt. Wie oben beschrieben, ist das Wasserstoffsystem als Umwälzsystem vorgesehen. Wenn das Wasserstoffzufuhrventil 18 und das Abgasventil 22 geschlossen werden, nimmt daher eine Region 46, die die Wasserstoffzufuhrleitung 27 auf der Brennstoffelektrodenseite des Wasserstoffzufuhrventils 18, einen brennstoffseitigen Abschnitt der Brennstoffzelle 11, die Wasserstoffabfuhrleitung 28, die Wasserstoffumwälzpumpe 26, die Rückführleitung 29 und die Abgasleitung 45 auf der Brennstoffelektrodenseite des Abgasventils 22 umfasst, einen abgeschlossenen Zustand an.
  • Ein plusseitiger Strompfad 36 der Brennstoffzelle 11 ist über ein Brennstoffzellen- bzw. FC-Relais 24 und eine Sperrdiode 23 mit dem sekundärseitigen Strompfad 35 des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 verbunden. Ein minusseitiger Strompfad 37 der Brennstoffzelle 11 ist über ein anderes FC-Relais 24 mit dem Bezugsstrompfad 32 der Brennstoffzelle 11 verbunden. Der sekundärseitige Strompfad 35 des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist mit dem plusseitigen Strompfad 38 des Wechselrichters 14 verbunden, und der Bezugsstrompfad 32 des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist mit dem minusseitigen Strompfad 39 des Wechselrichters 14 verbunden. Der plusseitige Strompfad 36 und der minusseitige Strompfad 37 der Brennstoffzelle 11 sind über die FC-Relais 24 mit dem plusseitigen Strompfad 38 bzw. dem minusseitigen Strompfad 39 des Wechselrichters 14 verbunden. Die FC-Relais 24 schalten die Verbindung zwischen dem Verbraucher- bzw. Lastsystem und der Brennstoffzelle 11 ein und aus. Wenn die FC-Relais 24 geschlossen sind, ist die Brennstoffzelle 11 mit der sekundären Seite des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 verbunden, so dass die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 11 erzeugt wird, zusammen mit der sekundärseitigen elektrischen Leistung der Sekundärzelle 12, die durch Erhöhen der Spannung der primärseitigen elektrischen Leistung der Sekundärzelle 11 erzeugt wird, zum Wechselrichter geliefert wird, der dadurch den Fahrmotor 15 ansteuert, der Räder 60 zum Drehen bringt. Dabei wird die Spannung der Brennstoffzelle 11 der Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 und der Eingangsspannung des Wechselrichters 14 gleich. Außerdem werden der Luftkompressor 19 und Zubehör 16 der Brennstoffzelle 11, das eine Kühlwasserpumpe, eine Wasserstoffpumpe usw. einschließt, mit elektrischer Antriebsleistung von der Sekundärzelle 12 versorgt.
  • Ein primärseitiger Kondensator 20, der die primärseitige Spannung glättet, ist zwischen den plusseitigen Strompfad 33 und den minusseitigen Strompfad 34 der Sekundärzelle 12 geschaltet. Der primärseitige Kondensator 20 ist mit einem Spannungssensor 41 versehen, der die Spannung zwischen den beiden Enden des primärseitigen Kondensators 20 erfasst. Außerdem ist ein sekundärseitiger Kondensator 21, der die sekundärseitige Spannung glättet, zwischen dem plusseitigen Strompfad 38 und dem minusseitigen Strompfad 39 des Wechselrichters 14 vorgesehen. Der sekundärseitige Kondensator 21 ist mit einem Spannungssensor 42 versehen, der die Spannung zwischen den beiden Enden des sekundärseitigen Kondensators 21 erfasst. Die Spannung über dem primärseitigen Kondensator 20 ist eine primärseitige Spannung VL, bei der es sich um die Eingangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Wandlers 13 handelt, und die Spannung über dem sekundärseitigen Kondensator 21 ist eine sekundärseitige Spannung bei der es sich um die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Wandlers 13 handelt. Außerdem ist ein Spannungssensor 43, der die Spannung der Brennstoffzelle 11 erfasst, zwischen dem plusseitigen Strompfad 36 und dem minusseitigen Strompfad 37 der Brennstoffzelle 11 vorgesehen, und ein Stromsensor 44, der den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 erfasst, ist am plusseitigen Stromweg 36 der Brennstoffzelle 11 vorgesehen.
  • Ein Regelabschnitt 50 ist ein Computer, der eine CPU, die eine Signalverarbeitung durchführt, und einen Speicherabschnitt, der Programme und Regeldaten speichert, aufweist. Die Brennstoffzelle 11, der Luftkompressor 19, der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13, der Wechselrichter 14, der Fahrmotor 15, das Zubehör 16, das Wasserstoffzufuhrventil 18, das Abgasventil 22, die FC-Relais 24 und die Systemrelais 25 sind mit dem Regelabschnitt 50 verbunden und sind so aufgebaut, dass sie gemäß Befehlen vom Regelabschnitt 50 arbeiten. Außerdem sind die Sekundärzelle 12, die Spannungssensoren 41 bis 43, der Stromsensor 44 und der Drucksensor 47 jeweils mit dem Regelabschnitt 50 verbunden und sind so aufgebaut, dass der Zustand der Sekundärzelle 12 und Erfassungssignale von den Spannungssensoren 41 bis 43, dem Stromsensor 44 und dem Drucksensor 47 in den Regelabschnitt 50 eingegeben werden. Das Elektrofahrzeug 200 ist mit einem Zündschlüssel 30 versehen, bei dem es sich um einen Schalter zum Starten und Stoppen des Brennstoffzellensystems 100 handelt. Der Zündschlüssel 30 ist mit dem Regelabschnitt 50 verbunden und ist so aufgebaut, dass ein Ein/Aus-Signal des Zündschlüssels 30 in den Regelabschnitt 50 eingegeben wird.
  • Nun werden Betriebsabläufe im Brennstoffzellensystem, das aufgebaut ist wie oben beschrieben, mit Bezug auf 2 bis 4 beschrieben. In 2 zeigt eine Linie a die sekundärseitige Spannung VH, bei der es sich um die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 handelt, und eine Linie b zeigt die FC-Spannung VF, bei der es sich um die Spannung der Brennstoffzelle 11 handelt. Die Brennstoffzelle 11 wird von einem Nullspannungszustand aus gestartet, wie in 2 dargestellt.
  • Wenn ein Fahrer, das heißt eine Bedienperson, den Zündschlüssel 30 zu einem Zeitpunkt t0 auf EIN dreht, wie in 2 dargestellt, wird das EIN-Signal vom Zündschlüssel 30 in den Regelabschnitt 50 eingegeben, wodurch der Regelabschnitt 50 den EIN-Zustand des Zündschlüssels 30 erkennt, wie in Schritt S101 in 4 dargestellt. Wenn das EIN-Signal des Zündschlüssels 30 eingegeben wird, schließt der Regelabschnitt 50 die Systemrelais 25, um die Sekundärzelle 12 mit dem System zu verbinden, so dass der primärseitige Kondensator 20 mit der elektrischen Leistung, die von der Sekundärzelle 12 geliefert wird, aufgeladen wird. Danach startet der Regelabschnitt 50 den Spannungserhöhungsbetrieb des Aufwärts/Abwärts-Wandlers 13, um mit dem Laden des sekundärseitigen Kondensators 21 zu beginnen, wie in Schritten S102 und S103 in 4 dargestellt. Der Regelabschnitt 50 erhöht die sekundärseitige Spannung VH, während er die sekundärseitige Spannung VH durch den Spannungssensor 42 erfasst. Wenn die sekundärseitige Spannung VH die Leerlaufspannung OCV erreicht, ist das Laden des sekundärseitigen Kondensators 21 abgeschlossen, und die Zufuhr von elektrischer Leistung von der Sekundärzelle 12 wird möglich. Daher lässt zum Zeitpunkt t1, der in 2 dargestellt ist, der Regelabschnitt 50 eine BEREIT-Lampe leuchten, um anzuzeigen, dass die Vorbereitung für die Zufuhr von elektrischer Leistung zum Fahrmotor 15 abgeschlossen wurde. Wenn der Fahrer ein Gaspedal niederdrückt, nachdem die BEREIT-Lampe zum Leuchten gebracht wurde, wird die elektrische Leistung von der Sekundärzelle 12 zum Fahrmotor 15 geliefert, der die Räder 60 bewegt, so dass das Elektrofahrzeug 200 zu fahren beginnen kann. Obwohl elektrische Leistung von der Sekundärzelle 12 zum Fahrmotor 15 geliefert wird, strömt keine elektrische Leistung in die Brennstoffzelle 11, da die FC-Relais 24 offen sind und somit die Brennstoffzelle 11 vom System abgeschnitten ist.
  • Der Regelabschnitt 50 fragt den Wert der Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 vom Spannungssensor 43 ab und vergleicht diesen Wert mit einer Betriebsspannung V0, wie in Schritt S104 in 4 dargestellt. Die Betriebsspannung V0 ist niedriger als die Leerlaufspannung OCV. Falls die Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 beispielsweise niedriger ist als die Betriebsspannung V0, die niedriger ist als die Leerlaufspannung OCV, wie in 2 dargestellt, gibt der Regelabschnitt 50 dann zu einem Zeitpunkt t1, der in 2 dargestellt ist, einen Befehl aus, das Wasserstoffsystem unter Druck zu setzen, wie in Schritt S105 in 4 dargestellt. Aufgrund dieses Befehls wird das Wasserstoffzufuhrventil 18 geöffnet, so dass die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 17 zur Brennstoffzelle 11 beginnt. Wenn Wasserstoff zugeführt wird, steigt der Druck an der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle 11. Da die Oxidationselektrode jedoch noch nicht mit Luft beliefert wird, findet keine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle 11 statt, und daher erzeugt die Brennstoffzelle 11 keine Elektrizität. Somit ist zu dieser Zeit die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11 null, wie im Falle der Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11.
  • Falls die Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 höher ist als die Betriebsspannung V0, springt der Regelabschnitt 50 zu Schritt S205, der in 7 dargestellt ist (und später beschrieben wird), in dem der Regelabschnitt 50 die FC-Relais 24 schließt.
  • Wenn der Regelabschnitt 50 bestimmt, dass der Druck des Wasserstoffsystems, der vom Drucksensor 47 erfasst wird, einen bestimmten Druck erreicht hat, beispielsweise den Druck, der während eines Normalbetriebs auftritt, wie in Schritt S106 in 4 dargestellt, gibt der Regelabschnitt 50 einen Befehl aus, das Wasserstoffsystem abzudichten, wie in Schritt S107 in 4 dargestellt. Aufgrund dieses Befehls werden das Wasserstoffzufuhrventil 18 und das Abgasventil 22 zum Zeitpunkt t2, der in 2 dargestellt ist, geschlossen. Aufgrund dieser Operation nimmt die Region 46, die die Wasserstoffzufuhrleitung 27 auf der Brennstoffelektrodenseite des Wasserstoffzufuhrventils 18, den brennstoffseitigen Abschnitt der Brennstoffzelle 11, die Wasserstoffabgasleitung 28, die Wasserstoffumwälzpumpe 26, die Rückführleitung 29 und die Abgasleitung 45 auf der Brennstoffelektrodenseite des Abgasventils 22 umfasst, einen abgeschlossenen Zustand an. Da zu dieser Zeit der Luftkompressor 19 noch nicht gestartet wurde, wird die Oxidationselektrode noch nicht mit Luft, d. h. dem Oxidierungsgas versorgt. Daher reagiert der Wasserstoff in der abgeschlossenen Region 46 nicht mit Sauerstoff, so dass die Wasserstoffmenge in der Region 46 kaum kleiner wird.
  • Obwohl die Region 46, die in 1 dargestellt ist, abgeschlossen ist, nimmt, wie in 3 dargestellt, der Druck von einem Druck P0, der von einer Einpunkt/Strich-Linie c in 3 dargestellt ist, aufgrund einer gegenseitigen Durchlässigkeit zwischen der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode der Brennstoffzelle 11 geringfügig ab. Das heißt, wie in 3 dargestellt, nimmt über dem Zeitintervall Δt1 zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t21 der Druck vom Anfangsdruck P0 um ΔP0 auf einen Enddruck P0' ab, der am Ende des Intervalls vorhanden ist.
  • Falls dagegen Wasserstoffgas aus dem geschlossenen Wasserstoffsystem austritt, nimmt der Druck in der abgeschlossenen Region 46, die in 1 dargestellt ist, um einen Betrag ΔP1 vom Anfangsdruck P0 zum Zeitpunkt t2 auf einen Enddruck P1 zum Zeitpunkt t21 ab. Die Druckabnahme ΔP1 im Zeitintervall Δt1 vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t21 ist erheblich größer als die Druckabnahme ΔP0, die in dem Fall vorliegt, wo kein Wasserstoff austritt. Der Regelabschnitt 50 berechnet eine Druckabnahmerate, die in dem Fall vorliegt, wo kein Wasserstoffleck vorhanden ist, aus dem Zeitintervall Δt1 und der Druckabnahme ΔP0 und gibt das Ergebnis der Berechnung in einen Speicher ein. Dann bestimmt der Regelabschnitt 50 das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks durch Vergleichen der Druckabnahmerate, die aus der während des Zeitraums Δt1 erfassten Druckabnahme ΔP1 berechnet wurde, mit der gespeicherten Druckabnahmerate.
  • Wenn das Wasserstoffsystem abgeschlossen wird, fragt der Regelabschnitt den Wert des Anfangsdrucks P0 in der abgeschlossenen Region 46, die in 1 dargestellt ist, vom Drucksensor 47 ab, wie in Schritt 108 in 4 dargestellt, und wartet dann das Zeitintervall Δt1 ab, bei dem es sich um eine bestimmte Zeit handelt, die in 3 dargestellt ist, wie in Schritt S109 in 4 dargestellt. Danach fragt der Regelabschnitt 50 den Wert des Drucks P1, der nach Ablauf des Zeitintervalls Δt1 vorliegt, vom Drucksensor 47 als den Enddruck ab, der am Ende des Zeitintervalls vorliegt, wie in Schritt S110 in 4 dargestellt. Dann berechnet der Regelabschnitt 50 eine Druckabnahmerate über dem Zeitintervall Δt1, wie in Schritt S111 in 4 dargestellt, und bestimmt dann das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks durch Vergleichen der errechneten Druckabnahmerate mit der Druckabnahmerate, die in dem Fall vorliegt, wo kein Wasserstoffleck vorhanden ist, wie in Schritt S112 in 4 dargestellt.
  • Falls der Regelabschnitt 50 in Schritt S112 in 4 bestimmt, dass ein Wasserstoffleck vorliegt, bestimmt der Regelabschnitt 50 dann, ob die Bestimmung des Vorhandenseins eines Wasserstofflecks zum ersten Mal getroffen wurde, wie in Schritt S113 in 4 dargestellt, um einen Stopp des Brennstoffzellensystems 100 aufgrund einer fehlerhaften Bestimmung zu vermeiden. Wenn die Bestimmung des Vorhandenseins eines Wasserstofflecks die erste Bestimmung ist, kehrt der Regelabschnitt 50 dann zu Schritt S108 in 4 zurück, in dem der Regelabschnitt 50 den Wert des Anfangsdrucks erneut abfragt.
  • Da, wie in 3 dargestellt, nach der ersten Bestimmung des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Wasserstofflecks der Wert des Anfangsdrucks erneut abgefragt wird, wird der Druck P2 zum Zeitpunkt t22 nach dem Zeitpunkt t21, der in 3 dargestellt ist, als Anfangsdruck abgefragt. Dann wird der Druck P3, der in einem bestimmten Zeitintervall Δt2 nach dem Zeitpunkt t22 vorliegt, als End-Invervalldruck abgefragt, und eine Druckabnahmerate wird aus einem Druckunterschied ΔP2 zwischen dem Druck P2 und dem Druck P3 und aus der bestimmten Zeit Δt2 berechnet. Das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks wird durch Vergleichen der errechneten Druckabnahmerate mit der Druckabnahmerate, die vorliegt, wenn kein Wasserstoffleck vorhanden ist, bestimmt.
  • Falls in der zweiten Bestimmung bezüglich des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Wasserstofflecks bestimmt wird, dass ein Wasserstoffleck vorhanden ist, stoppt der Regelabschnitt 50 das Brennstoffzellensystem 100, wie in Schritt 114 in 4 dargestellt.
  • Falls dagegen in der ersten oder zweiten Bestimmung des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Wasserstofflecks bestimmt wird, dass kein Wasserstoffleck vorhanden ist, schließt der Regelabschnitt 50 das FC-Relais 24 zum Zeitpunkt t3 in 2, um in Schritt S115 von 4 die Brennstoffzelle 11 und ein Lastsystem zu verbinden, und startet dann den Kompressor 19, wie in Schritt S116 in 4 dargestellt. Wenn der Luftkompressor 19 gestartet wird, beginnt die Zufuhr von Luft zur Brennstoffzelle 11. Wenn die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 11 beginnt, beginnt die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff aus der Luft innerhalb der Brennstoffzelle 11. Daher steigt die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11, die vom Spannungssensor 43 erfasst wird, allmählich von der Startspannung, d. h. null aus an, wie von der Linie b in 2 dargestellt, und erreicht die Betriebsspannung V0 zu einem Zeitpunkt t4, der in 2 dargestellt ist.
  • Nachdem der Regelabschnitt 50 bestimmt hat, dass die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle die Betriebsspannung V0 erreicht hat, wie in Schritt S117 in 4 dargestellt, hält er den Zustand des Brennstoffzellensystems 100 für eine Stabilisierungszeit Δt vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5, die in 2 dargestellt sind, aufrecht, wie in Schritt S118 von 4 dargestellt. Dann schließt der Regelabschnitt 50 das Starten des Brennstoffzellensystems 100 zum Zeitpunkt t5, der in 2 dargestellt ist, in Schritt S119 von 4 ab und geht zum Normalbetrieb über.
  • In dieser Ausführungsform kann das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Lecks, aus dem Wasserstoffgas austritt, während des Startens bestimmt werden, ohne dass die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11 auf die Leerlaufspannung OCV erhöht werden müsste. Daher kann das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks bestimmt werden, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzelle 11 zu beeinträchtigen.
  • Nun wird ein weiteres Beispiel für das Starten des Brennstoffzellensystems 100 dieser Ausführungsform mit Bezug auf 5 bis 7 beschrieben. Abschnitte, die in 5 bis 7 dargestellt sind und die im Wesentlichen denen gleich sind, die oben mit Bezug auf 2 bis 4 beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird nachstehend verzichtet. In dieser Ausführungsform ist die Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 der Leerlaufspannung OCV gleich, die höher ist als die Betriebsspannung V0.
  • Wie in der vorstehenden Ausführungsform schließt der Regelabschnitt 50 nach Erkennen des EIN-Schaltens des Zündschlüssels 30 wie in Schritt S201 in 7 dargestellt das Systemrelais 25 und startet dann einen Betrieb des Aufwärts-/Abwärts-Spannungswandlers 13. Wie in den Schritten S202 und S203 in 7 dargestellt, lädt der Regelabschnitt 50 dann den sekundärseitigen Kondensator 21, um die sekundärseitige Spannung VH, bei der es sich um die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärtswandlers 13 handelt, auf die Leerlaufspannung OCV der Brennstoffzelle 11 anzuheben. Dann erreicht die sekundärseitige Spannung VH zum Zeitpunkt t12 in 5 die Leerlaufspannung OCV. Nachdem die sekundärseitige Spannung VH die Leerlaufspannung OCV erreicht hat, kann die elektrische Leistung von der Sekundärzelle 12 zum Fahrmotor 15 geliefert werden, und daher schaltet der Regelabschnitt 50 die BEREIT-Lampe zum Zeitpunkt t11 ein. Danach kann das Elektrofahrzeug zu fahren beginnen, wenn der Fahrer das Gaspedal niederdrückt. Jedoch sind zu diesem Zeitpunkt die FC-Relais 24 offen, und daher ist die Brennstoffzelle 11 vom System getrennt, so dass keine elektrische Leistung in die Brennstoffzelle 11 fließt.
  • Der Regelabschnitt 50 fragt den Wert der Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 vom Spannungssensor 43 ab und vergleicht ihn mit der Betriebsspannung V0, wie in Schritt S204 von 7 dargestellt. Wie in der vorangehenden Ausführungsform ist die Betriebsspannung V0 niedriger als die Leerlaufspannung OCV. Wenn die Startspannung VF0 höher ist als die Betriebsspannung V0, schließt der Regelabschnitt VF0 dann die FC-Relais 24, wie in Schritt S205 von 7 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 der Leerlaufspannung OCV gleich, wie in 5 dargestellt. Danach senkt der Regelabschnitt 50 in Schritt S206 von 7 die sekundärseitige Spannung VH, bei der es sich um die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 handelt, von der Leerlaufspannung OCV auf die Betriebsspannung V0, wie von einer Linie e in 5 dargestellt. Wenn die sekundärseitige Spannung VH abnimmt, nimmt dann die Spannung VF der Brennstoffzelle 11 von der Leerlaufspannung OCV aus ab, und ein elektrischer Strom AF wird von der Brennstoffzelle 11 ausgegeben, wie von einer Linie f in 5 dargestellt.
  • Wenn die Startspannung VF0 der Brennstoffzelle 11 niedriger ist als die Betriebsspannung V0, springt der Regelabschnitt 50 zum oben beschriebenen Schritt S105 in 4, in dem der Regelabschnitt 40 mit der Erhöhung des Drucks auf das Wasserstoffsystem beginnt.
  • Der Regelabschnitt 50 gibt zum Zeitpunkt t12, der in 5 unmittelbar auf den Zeitpunkt t11 folgt, einen Befehl zum Anlegen von Druck an das Wasserstoffsystem aus, nachdem die sekundärseitige Spannung VH die Leerlaufspannung OCV erreicht hat. Aufgrund dieses Befehls wird das Wasserstoffzufuhrventil 18 geöffnet, so dass mit der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 17 zur Brennstoffzelle 11 begonnen wird. Die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11 wird auf der Betriebsspannung V0 gehalten, ebenso wie die sekundärseitige Spannung VH. Daher gibt die Brennstoffzelle 11 weiterhin Strom aus, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle 11 von der Startspannung VF0, die der Leerlaufspannung OCV gleich ist, auf die Betriebsspannung V0 gesunken ist.
  • Nach einer Bestimmung, dass der Druck des Wasserstoffsystems einen bestimmten Druck erreicht hat, beispielsweise einen normalen Betriebsdruck, wie in Schritt S208 in 7 dargestellt, gibt der Regelabschnitt 50 einen Befehl aus, das Wasserstoffsystem abzudichten, wie in Schritt S209 in 7 dargestellt. Aufgrund dieses Befehls werden das Wasserstoffzufuhrventil 18 und das Abgasventil 22, die in 1 dargestellt sind, zum Zeitpunkt t13, der in 15 dargestellt ist, geschlossen. Aufgrund dessen nimmt die Region 46, die die Wasserstoffzufuhrleitung 27 auf der Brennstoffelektrodenseite des Wasserstoffzufuhrventils 18, den brennstoffseitigen Abschnitt der Brennstoffzelle 11, die Wasserstoffabgasleitung 28, die Wasserstoffumwälzpumpe 29, die Rückführleitung 29 und die Abgasleitung 45 auf der Brennstoffelektrodenseite des Abgasventils 22 umfasst, einen abgeschlossenen Zustand an. Da zu dieser Zeit der Luftkompressor 19 noch nicht gestartet wurde, wird die Oxidationselektrode noch nicht mit Luft, d. h. Oxidierungsgas, versorgt. Da die Brennstoffzelle jedoch in einem Zustand ist, in dem der elektrische Strom, der von der Elektrizitätserzeugung erzeugt wird, aufgrund dessen, dass die Spannung der Brennstoffzelle von der Leerlaufspannung OCV auf die Betriebsspannung V0 gesenkt wurde, ausgegeben wird, wird der Wasserstoff an der Brennstoffelektrode in der Reaktion mit dem Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, und der an der Oxidationselektrode verbleibt, verbraucht. Daher ist zwar die Region 46 abgeschlossen, aber der Druck des Wasserstoffsystems sinkt um einen Betrag, der der Stromausgabe entspricht.
  • Der Druck in der abgeschlossenen Region 46 sinkt aufgrund der gegenseitigen Durchlässigkeit zwischen der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode geringfügig vom Druck P0 auf den Druck P0', wie von der Einpunkt/Strich-Linie g in 6 dargestellt ist, selbst in dem Fall, dass kein Wasserstoff in der Brennstoffzelle 11 verbraucht wird. Wie in 6 dargestellt, nimmt in einem Zeitintervall Δt3 vom Zeitpunkt t13 zum Zeitpunkt t13' der Druck um einen Betrag ΔP10 vom Anfangsdruck P0 zum Enddruck P0' ab. Die Druckabnahme ΔP10 kann von der Seite der Brennstoffzelle 11 oder dergleichen geschätzt werden. Daher schätzt der Regelabschnitt 50 die Druckabnahme ΔP10 und gibt den geschätzten Wert vorab in einen Speicher ein.
  • In dem Fall, dass die Brennstoffzelle 11 elektrische Leistung ausgibt, wie von einer Linie f in 6 dargestellt, obwohl das Wasserstoffsystem im abgeschlossenen Zustand ist, wird zusätzlich zum Wasserstoffverbrauch, der durch die gegenseitige Durchlässigkeit bewirkt wird, Wasserstoff in der abgeschlossenen Region 46 durch die Elektrizitätserzeugung verbraucht, und daher nimmt der Druck in der Region 46 vom Anfangsdruck P0 zum Zeitpunkt t13 um einen Betrag ΔP0 auf den Enddruck P11 zum Zeitpunkt t13' ab, wie von einer Zweipunkt/Strich-Linie h in 6 dargestellt. Jedoch kann die Druckabnahme ΔP11', die durch den Wasserstoffverbrauch aufgrund einer Leistungserzeugung bewirkt wird, durch eine Berechnung geschätzt werden, die im Regelabschnitt 50 unter Verwendung der FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11, die vom Spannungssensor 43 erfasst wird, und des Ausgangsstroms AF der Brennstoffzelle 11, der vom Stromsensor 44 erfasst wird, durchgeführt wird. Der Regelabschnitt 50 gibt eine Druckabnahme ΔP11', die aus der FC-Spannung VF und dem Ausgangsstrom AF geschätzt wird, in den Speicher ein. Der Regelabschnitt 50 addiert die gespeicherte Druckabnahme ΔP11' und die im Speicher abgelegte Druckabnahme ΔP10, die von der gegenseitigen Durchlässigkeit bewirkt wird, um eine Druckabnahme ΔP11 zu berechnen. Danach berechnet der Regelabschnitt 50 unter Verwendung der Druckabnahme ΔP11 und des Zeitintervalls Δt3 eine Druckabnahmerate (eine zweite Druckabnahmerate), die in dem Fall vorliegt, dass Wasserstoff aufgrund von sowohl der Querdurchlässigkeit als auch der Leistungserzeugung verbraucht wird, und gibt die errechnete Rate in den Speicher ein.
  • Falls Wasserstoff aus dem abgeschlossenen Wasserstoffsystem austritt, während die Brennstoffzelle 11 Strom ausgibt, nimmt der Druck in der in 1 dargestellten abgeschlossenen Region um einen Betrag ΔP12 vom Anfangsdruck P0 zum Zeitpunkt t13 auf einen Enddruck P12 zum Zeitpunkt t13' ab, wie von einer durchgezogenen Linie j in 6 dargestellt. Die Druckabnahme ΔP12 im Zeitintervall Δt3 vom Zeitpunkt t13 zum Zeitpunkt t13' ist erheblich größer als die Druckabnahme ΔP11, die im gleichen Zeitintervall auftritt, falls Wasserstoff aufgrund einer gegenseitigen Durchlässigkeit und einer Erzeugung von Elektrizität verbraucht wird. Dann berechnet der Regelabschnitt 50 eine Druckabnahmerate (eine dritte Druckabnahmerate) zur Verwendung bei der Bestimmung des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Wasserstofflecks durch Subtrahieren der Druckabnahmerate (der zweiten Druckabnahmerate), die zuvor in den Speicher eingegeben wurde und die vorliegt, wenn kein Wasserstoffleck vorhanden ist, sondern Wasserstoff aufgrund der gegenseitigen Durchlässigkeit und der Erzeugung von Elektrizität verbraucht wird, von der Druckabnahmerate (der ersten Druckabnahmerate), die aus der im Zeitintervall Δt3 erfassten Druckabnahme ΔP12 berechnet wird. Dann vergleicht der Regelabschnitt 50 die Druckabnahmerate (die dritte Druckabnahmerate) für die Bestimmung in Bezug auf das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks mit einem vorgegebenen Schwellenwert, um zu bestimmen, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist.
  • Nach dem Abdichten des Wasserstoffsystems fragt der Regelabschnitt 50, wie in Schritt S209 in 7 dargestellt, die Werte des Anfangsdrucks P0 in der Region 46, die FC-Spannung VF und den FC-Strom AF ab, wie in Schritt S210 in 7 dargestellt. Dann berechnet der Regelabschnitt 50 die oben beschriebene erste Druckabnahmerate, wie in Schritt S213 in 7 dargestellt, und berechnet die zweite Druckabnahmerate und berechnet dann die dritte Druckabnahmerate, wie in Schritt S214 in 7 dargestellt. Dann bestimmt der Regelabschnitt 50, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist oder nicht, wie in Schritt S215 in 7 dargestellt.
  • Wenn bei der Bestimmung des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Wasserstofflecks in Schritt S215 in 7 auch bestimmt wird, dass ein Wasserstoffleck vorhanden ist, stoppt der Regelabschnitt 50 das Brennstoffzellensystem 100, wie in Schritt S216 in 7 dargestellt.
  • Wenn im Schritt S215 in 7, in dem das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks bestimmt wird, dagegen bestimmt wird, dass kein Wasserstoffleck vorhanden ist, startet der Regelabschnitt 50 den Luftkompressor 19 zum Zeitpunkt 114, der in 5 dargestellt ist, wie in Schritt S217 in 7 dargestellt. Wenn mit der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 11 begonnen wird, beginnt die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff aus der Luft innerhalb der Brennstoffzelle 11. Daher nimmt der FC-Strom AF der Brennstoffzelle 11, der vom Stromsensor 44 erfasst wird, allmählich zu, wie von der Linie f in 5 dargestellt.
  • Nachdem der FC-Strom AF der Brennstoffzelle 11 zugenommen hat, hält der Regelabschnitt 50 den Zustand des Brennstoffzellensystems 100 während der Stabilisierungszeit vom Zeitpunkt t14 bis zu einem Zeitpunkt t15 bei, wie in Schritt S218 in 7 dargestellt, und schließt dann zum Zeitpunkt t15 in 5 das Starten des Brennstoffzellensystems 100 ab, wie in Schritt S219 in 7 dargestellt.
  • In dieser Ausführungsform kann zu der Zeit, zu der die Brennstoffzelle 11 gestartet wird, die Bestimmung im Hinblick auf ein Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks durchgeführt werden, nachdem die FC-Spannung VF der Brennstoffzelle 11 von der Leerlaufspannung OCV auf die Betriebsspannung V0 gesenkt wurde. Daher kann bestimmt werden, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzelle 11 zu beeinträchtigen.
  • In der vorangehenden Ausführungsform wird die Druckabnahmerate (die dritte Druckabnahmerate) zur Verwendung bei der Bestimmung eines Wasserstofflecks durch Subtrahieren der Druckabnahmerate (der zweiten Druckabnahmerate), die zuvor in den Speicher eingegeben wurde und die in dem Fall vorliegt, dass kein Wasserstoffleck vorhanden ist, aber Wasserstoff aufgrund der Erzeugung von Elektrizität verbraucht wird, von der Druckabnahmerate (der ersten Druckabnahmerate), die aus der im Zeitraum Δt3 erfassten Druckabnahme ΔP12 berechnet wird, berechnet. Dann wird die Druckabnahmerate (die dritte Druckabnahmerate) für die Wasserstoffleck-Bestimmung mit dem Schwellenwert verglichen, um zu bestimmen, ob ein Wasserstoffleck vorhanden ist oder nicht. Jedoch kann die Bestimmung im Hinblick auf das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Wasserstofflecks auch dadurch durchgeführt werden, dass die Druckabnahmerate (die erste Druckabnahmerate), die aus der im Zeitraum Δt3 erfassten Druckabnahme ΔP12 berechnet wird, mit einer zweiten Druckabnahmerate verglichen wird, die größer ist als der vorgegebene Schwellenwert. In diesem Fall kann der zweite Schwellenwert eine Summe aus dem vorgegebenen Schwellenwert und der Druckabnahmerate (der zweiten Druckabnahmerate) sein, die vorliegt, wenn kein Wasserstoffleck vorhanden ist, sondern Wasserstoff aufgrund einer Elektrizitätserzeugung verbraucht wird.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungs- oder Aufbaubeispiele beschränkt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung auch verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen umfassen. Außerdem sind zwar die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele in verschiedenen Beispielskombinationen und -konfigurationen dargestellt, aber andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich von mehr, weniger oder nur einem einzigen Element, liegen ebenfalls im Gedanken und Bereich der vorliegenden Erfindung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2007-26891 A [0003, 0004]

Claims (13)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt; und einen Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, wobei der Regelabschnitt aufweist: ein Startmittel zum Starten der Brennstoffzelle durch Erhöhen einer Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung; und ein Leckbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Brenngaszufuhrmittel zum Liefern des Brenngases zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle; und ein Oxidierungsgaszufuhrmittel zum Liefern des Oxidierungsgases zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle, wobei: das Startmittel die Spannung der Brennstoffzelle durch Liefern des Brenngases zur Brennstoffelektrode der Brennstoffelektrode durch das Brenngaszufuhrmittel und anschließendes Liefern des Oxidierungsgases zur Oxidationselektrode durch das Oxidierungsgaszufuhrmittel erhöht; und das Leckbestimmungsmittel während eines Zeitraums ab der Zufuhr von Brenngas bis zum Beginn der Zufuhr von Oxidierungsgas bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei: das Brenngaszufuhrmittel einen Brenngaszufuhrkanal und ein im Brenngaszufuhrkanal vorgesehenes Brenngaszufuhrventil aufweist und ferner einen Abgaskanal, der ein Gas, das eine Reaktion durchlaufen hat, von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle abführt, ein im Abgaskanal vorgesehenes Abgasventil und einen Drucksensor aufweist, der einen Druck im Brenngaskanal erfasst, der sich auf einer Brennstoffelektroden-Seite des Brennstoffzufuhrventils befindet, und der sich auf einer Brennstoffelektroden-Seite des Abgasventils befindet; und das Leckbestimmungsmittel das Brennstoffzufuhrventil und das Abgasventil schließt und aufgrund einer Drucksenkungsrate, die vom Drucksensor erfasst wird, bestimmt, ob ein Brennstoffleck vorhanden ist.
  4. Elektrofahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgestattet ist.
  5. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt; ein Brenngaszufuhrmittel zum Liefern des Brenngases zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle; ein Oxidierungsgaszufuhrmittel zum Liefern des Oxidierungsgases zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle, und einen Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, wobei der Regelabschnitt aufweist: ein Startmittel zum Starten der Brennstoffzelle durch Senken einer Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, während des Startens der Brennstoffzelle, wenn die Startspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als die Leerlaufspannung, aber höher ist als die Betriebsspannung, und durch Liefern des Brenngases zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch das Brenngaszufuhrmittel und anschließendes Liefern des Oxidierungsgases zur Oxidationselektrode durch das Oxidierungsgaszufuhrmittel; und ein Leckbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, während eines Zeitraums ab Lieferung des Brenngases bis zum Beginn der Lieferung des Oxidierungsgases.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei: das Brenngaszufuhrmittel einen Brenngaszufuhrkanal und ein im Brenngaszufuhrkanal vorgesehenes Brenngaszufuhrventil aufweist und ferner einen Abgaskanal, der ein Gas, das eine Reaktion durchlaufen hat, von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle abführt, ein im Abgaskanal vorgesehenes Abgasventil und einen Drucksensor aufweist, der einen Druck im Brenngaskanal erfasst, der sich auf einer Brennstoffelektroden-Seite des Brennstoffzufuhrventils befindet, und der sich auf einer Brennstoffelektrodenseite des Abgasventils befindet; und das Leckbestimmungsmittel das Brennstoffzufuhrventil und das Abgasventil während des Startens der Brennstoffzelle schließt und aus einer ersten Drucksenkungsrate, die über den Drucksensor erfasst wird, und einer zweiten Drucksenkungsrate auf Basis einer verbrauchten Brenngasmenge, die aus einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle geschätzt wird, bestimmt, ob ein Brennstoffleck vorhanden ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Leckbestimmungsmittel eine dritte Drucksenkungsrate durch Subtrahieren der zweiten Drucksenkungsrate von der ersten Drucksenkungsrate berechnet und bestimmt, dass ein Brennstoffleck vorhanden ist, wenn die dritte Drucksenkungsrate mindestens so hoch ist wie ein erster Schwellenwert.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei das Leckbestimmungsmittel bestimmt, dass ein Brennstoffleck vorhanden ist, wenn die erste Drucksenkungsrate mindestens so hoch ist wie ein zweiter Schwellenwert, der größer ist als der erste Schwellenwert.
  9. Elektrofahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ausgestattet ist.
  10. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt; und einen Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, und der einen Startabschnitt, der eine Brennstoffzelle durch Erhöhen einer Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, startet, und einen Leckbestimmungsabschnitt aufweist, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  11. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt; einen Brenngaszufuhrabschnitt, der das Brenngas zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle liefert; einen Oxidierungsgaszufuhrabschnitt, der das Oxidierungsgas zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle liefert; und einen Regelabschnitt, der bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, und der einen Startabschnitt aufweist, der die Brennstoffzelle dadurch startet, dass er während des Startens der Brennstoffzelle eine Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung senkt, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, wenn die Startspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als die Leerlaufspannung, aber höher ist als die Betriebsspannung, und dadurch, dass er das Brenngas durch das Brenngaszufuhrmittel zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle liefert und anschließend das Oxidierungsgas durch das Oxidierungsgaszufuhrmittel zur Oxidationselektrode liefert, und der ferner einen Leckbestimmungsabschnitt aufweist, der während eines Zeitraums ab Lieferung des Brenngases bis zum Beginn der Lieferung des Oxidierungsgases bestimmt, ob ein Brenngasleck vorhanden ist.
  12. Regelverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt, aufweisend: Starten der Brennstoffzelle durch Erhöhen einer Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung; und Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, bevor die Spannung der Brennstoffzelle die Betriebsspannung erreicht, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  13. Regelverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas erzeugt, einen Brenngaszufuhrabschnitt, der das Brenngas zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle liefert, und einen Oxidierungsgaszufuhrabschnitt, der das Oxidierungsgas zu einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle liefert, wobei das Regelverfahren aufweist: Starten der Brennstoffzelle durch Senken einer Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung auf eine Betriebsspannung, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, während des Startens der Brennstoffzelle, wenn die Startspannung der Brennstoffzelle niedriger ist als die Leerlaufspannung, aber höher ist als die Betriebsspannung, und durch Liefern des Brenngases zur Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch den Brenngaszufuhrabschnitt und anschließendes Liefern des Oxidierungsgases zur Oxidationselektrode durch den Oxidierungsgaszufuhrabschnitt; und Bestimmen, ob ein Brenngasleck vorhanden ist, während eines Zeitraums ab Lieferung des Brenngases bis zum Beginn der Lieferung des Oxidierungsgases.
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