DE112010002074B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle mittels eines Gleichstromwandlers steuert, und ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem.
- Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
- Eine herkömmliche Brennstoffzelle erzeugt elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit dem Sauerstoff in der Luft. Die Brennstoffzelle ist eine abgasfreie elektrische Leistungserzeugungseinheit, die kein Kohlendioxid abgibt, das als ursächlich für die globale Erwärmung betrachtet wird. Die Brennstoffzelle gilt als elektrische Leistungszuführeinheit für ein Elektrofahrzeug, das einen Elektromotor als eine Antriebsleistungsquelle verwendet.
- Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellenstapel konstruiert, der eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten beinhaltet, die jeweils Elektrizität erzeugen, in Reihe geschaltet sowie aneinander geschichtet sind. Jede der Brennstoffzelleneinheiten kann z. B. durch Einklemmen einer Festpolymer-Elektrolytmembran zwischen einer anodenseitigen Elektrode und einer kathodenseitigen Elektrode und anschließendes Einklemmen dieser Anordnung zwischen zwei Separatoren konstruiert werden, wobei in dem einen derselben eine Wasserstoffströmungsleitung und in dem anderen eine Luftströmungsleitung ausgebildet ist.
- Jede der Elektroden weist eine katalytische Schicht, die die Elektrolytmembran berührt, und eine Gasdiffusionsschicht auf, die auf einer Oberfläche der katalytischen Schicht ausgebildet ist. Die katalytische Schicht besteht hauptsächlich aus einem Kohlenstoffpulver, das einen z. B. Platin beinhaltenden Metallkatalysator trägt. Außerdem ist die Gasdiffusionsschicht luftdurchlässig und elektrisch leitfähig.
- In der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinheit gibt der der anodenseitigen Elektrode zugeführte Wasserstoff aufgrund eines Aktivierungseffekts der katalytischen Schicht Elektronen ab und wandelt sich dadurch in Wasserstoffionen (d. h. Protonen) um. Die Wasserstoffionen durchdringen die Elektrolytmembran, die in einem feuchten Zustand eine gute Ionenleitfähigkeit aufweist, und bewegen sich zur Kathodenseite. Ferner werden die Elektronen, die während der Umwandlung in Wasserstoffionen abgeführt werden, von der anodenseitigen Elektrode einer jeden der Brennstoffzelleneinheiten herausgeleitet, aufgefangen und als die durch einen Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung abgegeben. Demgegenüber nimmt der Sauerstoff in der der kathodenseitigen Elektrode zugeführten Luft die Elektroden, die zu der kathodenseitigen Elektrode einer jeden der Brennstoffzelleneinheiten außerhalb des Stapels aufgrund des Aktivierungseffekts der katalytischen Schicht umgewälzt worden sind, auf und wandelt sich dadurch in Sauerstoffionen um. Die Sauerstoffionen gehen dann mit den die Elektrolytmembran durchdrungenen Wasserstoffionen eine elektrochemische Verbindung ein, wodurch Wasser erzeugt wird. Das so erzeugte Wasser wird zusammen mit der von einer jeweiligen der Brennstoffzelleneinheiten abgeführten Luft aus dem Brennstoffzellenstapel über einen Verteiler abgeführt.
- Es ist bekannt, dass es zu einer Eluierung und Verschlechterung des Platinkatalysators kommt, wenn ein Zustand einer Leerlaufspannung (OCV bzw. Open Circuit Voltage) als eine maximal mögliche Ausgangsspannung in der Brennstoffzelle mit der vorstehend beschriebenen elektrischen Leistungserzeugungsfunktion beibehalten wird. Somit wird die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu der Brennstoffzelle z. B. angepasst oder unterbrochen, um einen elektrischen Leistungserzeugungsvorgang bei einer Spannung auszuführen, die einer maximalen Betriebsspannung, die geringer als die Leerlaufspannung ist, entspricht oder diese unterschreitet.
- In diesem Fall ist es vorstellbar, wenn in einem mit einem Brennstoffzellensystem versehenen Fahrzeug der Betrieb des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf die Betätigung eines Schalters durch einen Benutzer unterbrochen wird, die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft zu unterbrechen und die elektrische Leistungsausrüstung zum Umwandeln und Steuern der Ausgangsspannung aus der Brennstoffzelle abzuschalten. In so einem Fall wird, selbst wenn die Ausgangsspannung auf eine Spannung gesteuert wird, die der maximalen Betriebsspannung, die wie vorstehend beschrieben niedriger als die Leerlaufspannung während des Betriebs des Systems ist, entspricht oder diese unterschreitet, die elektrische Leistungserzeugung aufgrund von in der Brennstoffzelle verbliebenem Wasserstoff und Luft nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems fortgesetzt. Dabei kommt es aber dahingehend zu einem Problem, dass die elektromotorische Kraft für jede Brennstoffzelleneinheit auf die Leerlaufspannung ansteigt.
- Die japanische Patentanmeldung
JP 2005 - 100 820 A - Ferner beschreibt die japanische Patentanmeldung
JP 2008 - 218 398 A - Die
JP 2005 - 100 820 - Ferner hält die
JP 2008 - 218 398 A - Brennstoffzellensysteme und Steuerverfahren hierfür sind zudem Gegenstand der
WO 2008 / 004 564 A1 DE 101 32 346 A1 sowie derJP 2004 - 253 220 A - Kurzfassung der Erfindung
- Die Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das verhindert, dass die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle auf die Leerlaufspannung ansteigt, nachdem der Betrieb eines Systems, das die Brennstoffzelle beinhaltet, unterbrochen worden ist, wodurch ein Verschleiß eines Katalysators in der Brennstoffzelle verhindert wird, sowie ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems.
- Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit einer Brennstoffzelle, der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen, einem Gleichstromwandler, der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist, und einer Steuereinheit ausgestattet, die die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle steuert und an den Gleichstromwandler einen Spannungsbefehl ausgibt und diesen antreibt, eine Hochspannungsverhinderungs-Steuerung auszuführen, um zu verhindern, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine dem Spannungsbefehl entsprechende Hochspannungs-Verhinderungsspannung, die niedriger als die Leerlaufspannung ist, überschreitet. Die Steuerungseinheit treibt weiterhin den Gleichstromwandler an, um die Hochspannungsverhinderungs-Steuerung für eine erste vorgeschriebene Zeitspanne nach der Unterbrechung der Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle entsprechend einem Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl auszuführen.
- In der vorstehend erwähnten Konfiguration führt die Steuereinheit eine Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von einem ersten Wert, der der Hochspannungs-Verhinderungsspannung entspricht, auf einen zweiten Wert aus, während eine Hochspannungsverhinderungs-Steuerung ausgeführt wird, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuereinheit eingegeben wird. Die Steuerungseinheit erhöht ferner den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler auf den ersten Wert, nachdem der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert reduziert worden ist.
- Ferner kann die vorstehend erwähnte Konfiguration zusätzlich mit einer Speichervorrichtung ausgestattet sein, die mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung geladen wird, und die Steuereinheit kann eine Rate zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert bestimmen, während sie eine elektrische Leistung überwacht, die zum Laden der Speichervorrichtung verwendet wird.
- Zudem kann die vorstehend erwähnte Konfiguration zusätzlich mit einem Spannungssensor ausgestattet sein, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfasst, und die erste vorgeschriebene Zeitspanne kann gleich der Zeit zwischen der Eingabe des Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls in die Steuereinheit und dem Beginn des Abfallens einer durch den Spannungssensor erfassten Spannung von der dem Spannungsbefehl entsprechenden Hochspannungs-Verhinderungsspannung eingestellt werden.
- Ferner kann in der vorstehend angegebenen Konfiguration die erste vorgeschriebene Zeitspanne eine voreingestellte Zeit sein, die gleich der Zeit eingestellt wird, die benötigt wird, bis ein verbliebenes Oxidationsgas in der Brennstoffzelle verbraucht ist, so dass die Ausgangsspannung, die durch die elektrische Leistungserzeugung erzeugt wird, die aus einer elektrochemischen Reaktion des verbliebenen Oxidationsgases und eines verbliebenen Brennstoffgases, die in der Brennstoffzelle verblieben sind, resultiert, die Hochspannungs-Verhinderungsspannung nicht überschreitet, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuereinheit eingegeben worden ist.
- Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das mit einer Brennstoffzelle, der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, einem Gleichstromwandler, der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist, und einer Steuereinheit ausgestattet ist, die die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle steuert und einen Spannungsbefehl an den Gleichstromwandler ausgibt und diesen antreibt, eine Hochspannungsverhinderungs-Steuerung auszuführen, um zu verhindern, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine Hochspannungs-Verhinderungsspannung, die dem Spannungsbefehl entspricht, der niedriger als die Leerlaufspannung ist, überschreitet. Dieses Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems beinhaltet ein Unterbrechen der Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle, wenn ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuereinheit eingegeben wird, und ein Fortsetzen des Antriebs des Gleichstromwandlers, um eine Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für eine vorgeschriebene Zeitspanne auszuführen, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuereinheit eingegeben worden ist, wobei der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler auf den ersten Wert erhöht wird, nachdem die Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert ausgeführt worden ist.
- Gemäß dem Brennstoffzellensystem der Erfindung und dem Steuerungsverfahren derselben wird der Gleichstromwandler weiterhin angetrieben, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems unterbrochen worden ist, und die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung wird dabei für die vorbestimmte Zeitspanne ausgeführt, um die Spannung der Brennstoffzelle auf einen Wert unter der Hochspannungs-Verhinderungsspannung zu steuern, die niedriger als die Leerlaufspannung ist. Somit kann verhindert werden, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nach der Unterbrechung des Betriebs des Brennstoffzellensystems die Leerlaufspannung ansteigt. Infolgedessen kann ein Verschleißen des Katalysators in der Brennstoffzelle verhindert werden.
- In dem vorstehend erwähnten Steuerverfahren kann ferner eine Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von einem ersten Wert, der der Hochspannungs-Verhinderungsspannung entspricht, auf einen zweiten Wert während der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung nach dem Eingeben des Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls in die Steuereinheit ausgeführt werden. Dem Steuerverfahren entsprechend kann in der Brennstoffzelle eine elektrische Leistungserzeugung begünstigt werden, um den Verbrauch des verbliebenen Sauerstoffs zu beschleunigen, und die Zeit zum Antreiben der Gleichstromwandlers nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems kann verkürzt werden. Somit kann die Zeit von einem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Systems unterbrochen wird, bis zu einem Zeitpunkt, wenn der Gleichstromwandler abgeschaltet und ein in dem Brennstoffzellensystem enthaltenes Systemhauptrelais geöffnet wird, verkürzt werden.
- Figurenliste
- Die Merkmale, Vorteile sowie die industrielle und technische Bedeutung dieser Erfindung werden in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zur Bezeichnung identischer Elemente identische Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
-
1 eine Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt; -
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzelleneinheit; -
3 einen Graphen, der zeigt, wie eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle sich im Laufe der Zeit nach Unterbrechen des Betriebs des Systems verändert; -
4 einen weiteren Graphen, der zeigt, wie die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich im Laufe der Zeit nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems verändert; und -
5 einen weiteren Graphen, der zeigt, wie die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich im Laufe der Zeit nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems verändert. - Ausführliche Beschreibung der Ausführungsform
- Die Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In dieser Beschreibung werden konkrete Formen, Materialien, Werte, Richtungen und dergleichen beispielhaft angeführt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, und können abhängig von Verwendung, Zweck, Beschreibung und dergleichen nach Bedarf geändert werden.
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1 ist ein Gesamtsystemdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem ein Brennstoffzellensystem10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als ein im Fahrzeug befindliches elektrisches Leistungszuführsystem für ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem10 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel (eine Brennstoffzelle) 12, dem ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen, ein Luftzuführsystem30 zum Zuführen von Sauerstoff in der Luft als das Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel12 , ein Wasserstoffzuführsystem50 zum Zuführen von Wasserstoff als das Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel12 , ein elektrisches Leistungssystem70 zum Steuern des Ladens/Entladens von elektrischer Leistung in eine bzw. aus einer Batterie74 und eine ECU (eine Steuereinheit) 90, die das gesamte Brennstoffzellensystem allumfassend steuert. - Bei dem Brennstoffzellenstapel
12 handelt es sich um einen Festpolymer-Elektrolytmembran-Zellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die elektrisch in Reihe geschaltet und dementsprechend aufeinander geschichtet sind. In dem Brennstoffzellenstapel12 ereignet sich an einer Brennstoffelektrode (an der Anodenelektrode) eine Oxidationsreaktion, die als H2 → 2H+ +2e- ausgedrückt wird, und an einer Luftelektrode (an der Kathodenelektrode) ereignet sich eine Reduktionsreaktion, die als (1/2)O2+2H++2e- → H2O ausgedrückt wird. Anschließend ereignet sich in dem Brennstoffzellenstapel12 insgesamt eine elektrochemische Reaktion, die als H2+(1/2)O2 → H2O ausgedrückt wird. - Der Brennstoffzellenstapel
12 ist mit dem elektrischen Leistungssystem70 über ein Systemhauptrelais14 elektrisch verbunden. Entsprechend einem Befehl von der ECU90 , den das Systemhauptrelais14 empfängt, wird es auf EIN oder AUS gesteuert. Ferner sind ein Spannungssensor16 zum Erfassen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 (die nachstehend als die „BZ-Spannung“ bezeichnet wird) und ein Stromsensor18 zum Erfassen eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels12 (der nachstehend als der „BZ-Strom“ bezeichnet wird) auf eine elektrischen Leistungsleitung bzw. Stromleitung installiert, die den Brennstoffzellenstapel12 mit dem elektrischen Leistungssystem70 verbindet. - Das Luftzuführsystem
30 weist eine Luftzuführleitung32 , durch die die der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels12 zugeführte Luft strömt, und eine Luftabführleitung34 auf, durch die die aus dem Brennstoffzellenstapel12 abgeführte Luft abgeführt wird. Die Luftzuführleitung32 ist mit einem Luftkompressor38 , der eine Umgebungsluft über einen Luftfilter36 einzieht, einer Befeuchtungseinrichtung40 zum zweckmäßigen Befeuchten der Luft, die durch den Luftkompressor38 komprimiert und unter Druck gesetzt wird, und einem Sperrventil42 zum Sperren der Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel12 versehen. Die Luftabführleitung34 ist mit einem Sperrventil44 zum Sperren der Luftabgabe aus dem Brennstoffzellenstapel12 und einem Druckregulierventil46 zum Regulieren des Luftzuführdrucks versehen. Ferner durchdringt bzw. verläuft die Luftabführleitung34 durch die Befeuchtungseinrichtung40 , so dass das zusammen mit der Luft aus dem Brennstoffzellenstapel12 abgeführte Wasser, während es durch die Befeuchtungseinrichtung40 strömt, aufgefangen wird und dann zum Befeuchten der Luft verwendet wird, die über die Luftzuführleitung32 zugeführt wird. - Das Wasserstoffzuführsystem
50 beinhaltet eine Wasserstoffzuführquelle52 , wie z. B. einen Hochdruck-Wasserstofftank, eine Wasserstoffzuführleitung54 , durch die ein Wasserstoffgas der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels12 von der Wasserstoffzuführquelle52 zugeführt wird; eine Wasserstoffabführleitung56 , durch die ein Wasserstoff-Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel12 abgeführt wird; eine Umwälzleitung58 die von der Wasserstoffabführleitung56 abzweigt und mit der Wasserstoffzuführleitung54 verbunden ist; und eine Umwälzpumpe60 , die das Wasserstoff-Abgas aus der Wasserstoffabführleitung56 durch die Umwälzleitung58 in die Wasserstoffzuführleitung54 umwälzt. - In der Wasserstoffzuführleitung
54 , die mit dem Brennstoffzellenstapel12 verbunden ist, sind von der Wasserstoffzuführquelle52 aus in der angegebenen Reihenfolge ein Sperrventil61 , ein Druckregulierventil62 , eine Einspritzvorrichtung63 , ein Sperrventil64 und ein Drucksensor65 in der Richtung der Wasserstoffgaszuführströmung installiert. Dementsprechend sperrt das Sperrventil61 das Herausströmen des Wasserstoffgases aus der Wasserstoffzuführquelle52 ; reguliert das Druckregulierventil62 den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführquelle52 ; wird die Einspritzvorrichtung63 verwendet, um die Menge des dem Brennstoffzellenstapel12 zugeführten Wasserstoffs zu regulieren; wird das Sperrventil64 verwendet, um die Zuführung des Wasserstoffgases zum Brennstoffzellenstapel12 zu sperren; und erfasst der Drucksensor65 den Druck des Wasserstoffgases, der dem Separator12 zugeführt wird. In der Wasserstoffabführleitung56 sind ein Sperrventil66 und ein Wasserstoffabgasabgabe-Sperrventil65 in der angegebenen Reihenfolge in der Richtung installiert, in der das abgegebene Wasserstoffabgas strömt. Dabei wird das Sperrventil66 verwendet, um die Abgabe des Wasserstoffabgases aus dem Brennstoffzellenstapel12 zu sperren, und das Wasserstoffabgasabgabe-Sperrventil67 wird verwendet, um das Wasserstoffabgas aus dem System abzuführen. - Elektromagnetische Ventile oder dergleichen, die durch die ECU
90 gesteuert werden, werden als Sperrventile42 ,44 ,61 ,64 ,66 und67 verwendet, die in dem Luftzufuhrsystem30 bzw. dem Wasserstoffzuführsystem50 beinhaltet sind. Zudem regulieren die Druckregulierventile46 und62 jeweils den Primärdruck stromauf der Druckregulierventile46 und62 auf einen voreingestellten Sekundärdruck. Die mechanischen Druckreduktionsventile zum Reduzieren des Primärdrucks oder dergleichen können als die Druckregulierventile46 und62 verwendet werden. Ferner handelt es sich bei der Einspritzvorrichtung63 um ein elektromagnetisches Öffnungs-/Schließventil, das unter Verwendung einer elektromagnetischen Antriebskraft oder ähnlichem geöffnet/geschlossen wird und die Strömungsrate und den Druck des durch die Einspritzvorrichtung63 strömenden Wasserstoffgases durch die Steuerung des Öffnungsgrads bzw. Öffnungswinkels oder der Ventilöffnungszeit des Ventilkörpers einstellt. - Das elektrische Leistungssystem
70 beinhaltet einen Gleichstromwandler72 , eine Batterie74 , einen Inverter76 , einen Wechselstrommotor78 und Nebenaggregate80 . Das Brennstoffzellensystem10 ist als ein Parallelhybridsystem konfiguriert, in dem der Gleichstromwandler72 und der Inverter76 mit dem Brennstoffzellenstapel12 parallel geschaltet sind. Der Gleichstromwandler72 erhöht die Gleichstromspannung, die von der Batterie74 zugeführt wird, und gibt die erhöhte Gleichstromspannung an den Inverter76 ab. Der Gleichstromwandler72 verringert zudem die elektrische Gleichstromleistung, die durch den Brennstoffzellenstapel12 erzeugt wird, oder eine elektrische Regenerativleistung, die durch den Wechselstrommotor78 durch ein regeneratives Bremsen erzeugt wird, und lädt die Batterie74 mit dieser verringerten elektrischen Leistung. Aufgrund dieser Funktionen des Gleichstromwandlers72 wird das Laden/Entladen der Batterie74 gesteuert. Ferner wird die Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers72 in Reaktion auf einen Spannungsbefehl von der ECU90 gesteuert und dadurch der Betriebszustand (die BZ-Spannung und der BZ-Strom) des Brennstoffzellenstapels12 gesteuert. - Die Batterie
74 funktioniert als eine Speichervorrichtung für eine überschüssige elektrische Leistung und eine Regenerativenergie beim regenerativen Bremsen. Die Batterie73 kann auch als ein Energiepuffer während Lastschwankungen fungieren, die aus der Beschleunigung oder Verlangsamung des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs resultieren. Als die Batterie74 wird vorzugsweise z. B eine Sekundärbatterie, wie z. B. eine Lithium-Sekundärbatterie oder ähnliches, verwendet. Anstelle der Batterie kann jedoch auch ein Kondensator, der eine elektrische Ladung unabhängig von einer chemischen Reaktion speichert, als Speichervorrichtung verwendet werden. An der Batterie74 ist ein Ladezustandssensor75 zum Erfassen des Ladezustands (SOC bzw. State of Charge) befestigt. Insbesondere kann es sich bei dem Ladezustandssensor75 um einen den Batteriestrom erfassenden Stromsensor handeln. Die ECU90 überwacht die Restkapazität der Batterie74 , indem sie die durch den Stromsensor erfassten Werte integriert. Auch wenn davon in der Zeichnung nichts zu erkennen ist, ist die Batterie74 zudem mit einem Temperatursensor versehen, der die Temperatur74 misst und die erfasste Temperatur an die ECU90 ausgibt. - Bei dem Inverter
76 handelt es sich um einen Inverter, der z. B. gemäß einem Pulsweitenmodulations-Steuerungsverfahren oder einem Rechteckschwingungs-Steuerungsverfahren angetrieben wird. Ein elektronisches Leistungsschaltelement (z. B. ein IGBT oder ähnliches) im Inneren des Inverters76 wird entsprechend einem Schaltbefehl von der ECU90 auf EIN oder AUS gesteuert. Dabei wandelt der Inverter76 eine von dem Brennstoffzellenstapel12 oder der Batterie74 ausgegebene Gleichstromspannung in eine Drehstromspannung um, um das Drehmoment des Wechselstrommotors78 zu steuern. Der Wechselstrommotor78 ist z. B. ein DrehstromSynchronmotor und stellt für das durch die Brennstoffzelle angetriebene Fahrzeug eine Triebkraftquelle dar. - Die Nebenaggregate
80 stellen im Allgemeinen die jeweiligen Motoren (z. B. Triebkraftquellen, wie z. B. Pumpen und ähnliches), die an jeweiligen Bereichen in dem Brennstoffzellensystem10 angeordnet sind, die Inverter zum Antreiben dieser Motoren sowie verschiedene Arten von im Fahrzeug befindlichen Nebenaggregaten dar (z. B. ein Luftkompressor, eine Einspritzvorrichtung, eine Kühlmittelumwälzpumpe, einen Strahlkörper und dergleichen). - Bei der ECU
90 handelt es sich um ein mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und einer Eingabe/Ausgabeschnittstelle ausgestattetes Computersystem, das die jeweiligen Bereiche des Brennstoffzellensystems10 steuert. Beim Empfangen eines Aktivierungssignals IG, das von einem Zündschalter (nicht gezeigt) ausgegeben wird, beginnt die ECU90 z. B. damit, das Brennstoffzellensystem10 zu betreiben, und berechnet die für das gesamte System benötigte elektrische Leistung basierend auf einem Fahrpedalverstellwegsignal ACC, das von dem Fahrpedalsensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, und dergleichen. Die für das gesamte System benötigte elektrische Leistung ist die Summe der elektrischen Leistung, die das Fahrzeug für den Fahrbetrieb benötigt, sowie der durch die Nebenaggregate benötigen elektrischen Leistung. - In diesem Fall beinhaltet die elektrische Leistung für die Nebenaggregate die elektrische Leistung, die durch die im Fahrzeug befindlichen Nebenaggregate (den Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe, die Kühlmittelumwälzpumpe und dergleichen), durch die Vorrichtungen, die benötigt werden, um den Fahrbetrieb des Fahrzeugs zu ermöglichen (ein Getriebe, eine Radsteuerungsvorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängungsvorrichtung und ähnliches) sowie durch in einer Fahrgastzelle angeordnete Vorrichtungen (eine Klimaanlage, Beleuchtungskörper, Audiogeräte etc.) und dergleichen verbraucht wird.
- Die ECU
90 stellt dann das Verteilungsverhältnis der ausgegebenen elektrischen Leistung zwischen dem Brennstoffzellenstapel12 und der Batterie74 ein und steuert das Luftzuführsystem30 und das Wasserstoffzuführsystem50 , so dass die Menge der durch den Brennstoffzellenstapel12 erzeugten elektrischen Leistung mit dem Betrag der elektrischen Soll-Leistung übereinstimmt. Die ECU90 steuert zudem den Gleichstromwandler72 , um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 einzustellen, um dadurch den Betriebszustand (die BZ-Spannung und den BZ-Strom) des Brennstoffzellenstapels12 zu steuern. Ferner gibt die ECU90 z. B. einen U-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert, einen V-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert und einen W-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert an den Inverter76 aus, um das Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl des Wechselstrommotors78 so zu steuern, dass ein einem Fahrpedalverstellweg entsprechendes Soll-Drehmoment erhalten wird. -
2 ist eine auseinandergenommene perspektivische Ansicht einer jeden Brennstoffzelleneinheit20 , aus denen der Brennstoffzellenstapel12 gebildet ist. Die Brennstoffzelleneinheit20 besteht aus einer Festpolymer-Elektrolytmembran22 , einer anodenseitigen Elektrode23 , einer kathodenseitigen Elektrode24 und Separatoren25 und26 . Die anodenseitige Elektrode23 und die kathodenseitige Elektrode24 sind Diffusionselektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran22 eingeklemmt wird, um so eine Sandwichstruktur zu bilden. An beiden Seiten ist die Sandwichstruktur ferner zwischen den Separatoren25 und26 , die aus leitfähigen, gasundurchlässigen Elementen konstruiert sind, eingeklemmt, um so Strömungsleitungen für Wasserstoff und Luft zwischen der anodenseitigen Elektrode23 und der kathodenseitigen Elektrode24 zu bilden. - Eine Mehrzahl von parallelen Aussparungen
27 mit einem konkaven Querschnitt als Wasserstoffströmungsleitungen sind in den Separatoren25 ausgebildet. Ferner sind eine Mehrzahl von parallelen Aussparungen28 mit einem konkaven Querschnitt als Luftströmungsleitungen im Separator26 in einer Richtung senkrecht zu den Wasserstoffströmungsleitungs-Aussparungen27 ausgebildet. Zu beachten ist, dass, aufgrund dessen, dass jeder der Separatoren25 und26 von benachbarten Brennstoffzelleneinheiten gemeinsam verwendet wird, in der Oberfläche des Separators25 gegenüber der Seite, in der die Wasserstoffströmungsleitungen ausgebildet sind, Luftströmungsleitungs-Aussparungen28 ausgebildet sind, und Wasserstoffströmungsleitungsaussparungen27 in der Oberfläche des Separators26 gegenüber der Seite ausgebildet sind, in der die Luftströmungsleitungen ausgebildet sind. - Die anodenseitige Elektrode
23 besteht hauptsächlich aus einem Kohlenstoffpulver, das einen Metallkatalysator des Platintyps (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder ähnliches) trägt, und sie weist eine katalytische Schicht23a , die die Festpolymer-Elektrolytmembran22 berührt, und eine Gasdiffusionsschicht23b auf, die auf einer Oberfläche der katalytischen Schicht23a ausgebildet ist, die luftdurchlässig und elektrisch leitfähig ist. Desgleichen weist die kathodenseitige Elektrode24 eine katalytische Schicht24a und eine Gasdiffusionsschicht24b auf. Die katalytischen Schichten23a und24a werden jeweils z. B. durch Diffundieren eines ein Platin oder eine Legierung aus Platin und einem weiteren Metall tragendes Kohlenstoffpulver in ein organisches Lösungsmittel, Hinzufügen einer Elektrolytlösung, so dass dem Gemisch eine pastöse Beschaffenheit verliehen wird, und Siedrucken des resultierenden Gemischs auf die Polymerelektrolytmembran22 ausgebildet. Ferner können die Gasdiffusionsschichten23b und24b aus Kohlefilz, Kohlepapier oder einem aus Kohlefaserfäden gewebten Kohlegewebe erstellt werden. Die Polymerelektrolytmembran22 ist eine Ionenaustauschmembran, die protonenleitfähig ist und die aus einem Festpolymermaterial, wie z. B. einem Fluorharz, besteht und bei Feuchtigkeit eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. - Als nächstes folgt eine Beschreibung des Betriebs des Brennstoffzellensystems
10 , das den vorstehenden Erläuterungen entsprechend konfiguriert ist. Wenn der Benutzer den Zündschalter betätigt, wird in die ECU90 das Aktivierungssignal IG eingegeben. Somit schließt die ECU90 das Systemhauptrelais14 und führt dem Brennstoffzellenstapel12 Wasserstoff und Luft zu, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems10 zu initiieren. - In dem Brennstoffzellensystem
10 wird der Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung durch einen intermittierenden Betrieb, in dem der Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels12 intermittierend geschaltet wird, verbessert. Wenn z. B. das Brennstoffzellensystem10 unter niedriger Last arbeitet und dementsprechend der Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung gering ist, führt das Brennstoffzellensystem10 eine Betriebssteuerung aus, in der der elektrische Leistungserzeugungsbefehlswert für den Brennstoffzellenstapel12 auf null eingestellt wird. Unter dieser Voraussetzung wird das Fahrzeug durch das Brennstoffzellensystem10 angetrieben und das System unter Verwendung einer elektrischen Leistung von der Batterie74 betrieben (was nachstehend als „erster Betriebsmodus“ bezeichnet wird). Das Brennstoffzellensystem10 kann auch eine Betriebssteuerung ausführen, nachdem der elektrische Leistungserzeugungsbefehlswert für den Brennstoffzellenstapel12 basierend auf einem Fahrpedalverstellweg, einer Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen berechnet worden ist, und erhält die für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung und betreibt das System entweder anhand einer ausschließlich durch den Brennstoffzellenstapel12 oder durch sowohl den Brennstoffzellenstapel12 als auch die Batterie74 erzeugten elektrischen Leistung (was nachstehend als „zweiter Betriebsmodus“ bezeichnet wird). - In jedem Betriebsmodus bewegt sich jedoch die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12während eines Normalbetriebs im Allgemeinen zwischen einer maximalen Betriebsspannung V1 und einer minimalen Betriebsspannung V2. Die maximale Betriebsspannung V1 ist beispielsweise niedriger als die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels
12 und fällt in einen Spannungsbereich, in dem der in den katalytischen Schichten23a und24a enthaltene Platinkatalysator nicht eluiert wird. Wie vorstehend beschrieben, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 so gesteuert, dass er der maximalen Betriebsspannung V1 entspricht oder diese unterschreitet, um zu verhindern, dass der Katalysator des Brennstoffzellenstapels12 verschleißt, was als „Hochspannungs-Verhinderungssteuerung“ bezeichnet wird. Ferner wird die maximale Betriebsspannung V1 gelegentlich als eine Hochspannungs-Verhinderungsspannung bezeichnet. Die maximale Betriebsspannung V1 kann z. B. so eingestellt werden, dass die Spannung einer jeden Brennstoffzelleneinheit20 näherungsweise 90% einer maximalen Ausgangsspannung erreicht. - Die minimale Betriebsspannung V2 fällt beispielsweise in einen Spannungsbereich, in dem die Zellenspannung einer jeden Brennstoffzelleneinheit nicht in einem Reduktionsbereich fällt. Wenn der Brennstoffzellenstapel
12 kontinuierlich in einem Oxidationsbereich betrieben wird, bildet sich auf der Oberfläche des in der katalytischen Schicht24a der kathodenseitigen Elektrode24 enthaltenen Platinkatalysators eine Oxidschicht, und es kommt somit zu einer Verkleinerung der wirksamen Platinkatalysatorfläche. Folglich wird die Aktivierungsspannung erhöht, und somit verschlechtert sich die Strom-Spannungs-Kennlinie bzw. die I-U-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels12 . Durch Vornehmen einer Katalysatoraktivierungsbehandlung, durch die die Oxidschicht reduziert und von dem Platinkatalysator entfernt wird, kann die I-U-Charakteristik wiederhergestellt werden. Wenn jedoch die Zellenspannung häufig zwischen Oxidationsbereich und Reduktionsbereich pendelt, wird die Dauerhaftigkeit des Brennstoffzellenstapels12 verschlechtert. Wenn aber die Zellenspannung auf den Reduktionsbereich gesenkt wird und dann auf den Oxidationsbereich in Reaktion auf eine Erhöhung der Soll-Last erhöht wird, kann der den Platinkatalysator tragende Kohlenstoff oxidieren. Dementsprechend wird zur Minimierung der Reduktion der Dauerhaftigkeit des Brennstoffzellenstapels12 die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 während des Normalbetriebs auf eine Spannung gesteuert, die der minimalen Betriebsspannung V2 entspricht oder diese überschreitet. Die minimale Betriebsspannung V2 kann z. B. so eingestellt werden, dass die Spannung einer jeden Brennstoffzelleneinheit20 näherungsweise 80 % der maximalen Ausgangsspannung entspricht. - In dem ersten Betriebsmodus stellt die ECU
90 den elektrischen Leistungsbefehlswert auf null, unterbricht die Zufuhr der Reaktionsgase zu dem Brennstoffzellenstapel12 und stellt den Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 auf die maximale Betriebsspannung V1 ein. Selbst nachdem die Zufuhr der Reaktionsgase zu dem Brennstoffzellenstapel12 unterbrochen worden ist, bleiben in der Reaktion nicht umgesetzter Wasserstoff und Sauerstoff in ausreichender Menge im Brennstoffzellenstapel12 zurück, die die maximale Betriebsspannung V1 vorübergehend aufrechterhalten können. Daher wird weiterhin für kurze Zeit eine geringe Menge elektrischer Leistung erzeugt, und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 wird bei der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten. - Die anhand der verbliebenen Reaktionsmittel bzw. Reaktionspartner erzeugte elektrische Energie wird durch die Nebenaggregate
80 verbraucht. Wenn die elektrische Leistung durch die Nebenaggregate80 nicht vollständig verbraucht werden kann, wird die überschüssige Leistung verwendet, um die Batterie74 zu laden. Der verbliebene Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel12 werden dann beim Erzeugen elektrischer Leistung verbraucht. Aufgrund der Verringerung der Wasserstoff- und Sauerstoffmenge kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 nicht bei der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten werden, und die Erzeugung der elektrischen Leistung wird unterbrochen. Danach fällt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 graduell bzw. allmählich ab. - Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels
12 auf die minimale Betriebsspannung V2 abfällt, wird das Luftzuführsystem30 angetrieben, um dem Brennstoffzellenstapel12 Sauerstoff (Luft) zuzuführen, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 beginnt daher anzusteigen. Sobald die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 eine vorbestimmte Spannung erreicht, wird die Sauerstoffzufuhr unterbrochen. Auf diese Weise wird während einer Zeitspanne der elektrischen Leistungserzeugung unter Verwendung der verbliebenen Gase dem Brennstoffzellenstapel12 weiterhin jedes Mal dann Oxidationsgas zugeführt, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 auf die minimale Betriebsspannung V2 abfällt. Das heißt, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 bei oder über der minimalen Betriebsspannung V2 beibehalten wird. - In dem zweiten Betriebsmodus berechnet die ECU
90 einen elektrischen Leistungserzeugungsbefehlswert gemäß einer angeforderten Last, steuert die Zufuhr von Wasserstoff und Luft in dem Brennstoffzellenstapel12 und steuert den Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels12 über den Gleichstromwandler72 . Unter diesen Bedingungen wird der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 zwischen der maximalen Betriebsspannung V1 und der minimalen Betriebsspannung V2 aufrechterhalten. - Anschließend wird die Steuerung zum Unterbrechen des Betriebs des Brennstoffzellensystems
10 beschrieben, das wie oben beschrieben intermittierend betrieben wird. Wenn der Benutzer den Zündschalter abschaltet, wird ein Befehl zum Aufheben des Aktivierungssignals IG, nämlich ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl, in die ECU90 in dem Brennstoffzellensystem10 eingegeben. In Reaktion auf diesen Befehl unterbricht die ECU90 den Antrieb des Luftkompressors38 des Luftzuführsystems30 , schließt die Sperrventile42 und44 , um die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel12 zu unterbrechen, und unterbricht zudem den Betrieb der Umwälzpumpe60 des Wasserstoffzuführsystems50 und schließt die Sperrventile61 ,62 ,64 und dergleichen, um die Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel12 zu unterbrechen. Ferner schaltet die ECU90 den Inverter76 ab und unterbricht z. B. den Betrieb der verschiedenen Pumpen und Motoren, die zu den im Fahrzeug befindlichen Nebenaggregaten gehören, um den Betrieb des gesamten Systems mit Ausnahme des Gleichstromwandlers72 und des Systemhauptrelais14 zu unterbrechen. - Wenn der Gleichstromwandler
72 und der Inverter76 abgeschaltet sind und das Systemhauptrelais14 geöffnet wird, sobald die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel12 unterbrochen ist, wird weiterhin eine geringe Menge elektrischer Leistung anhand des verbliebenen Wasserstoffs und Sauerstoffs in dem Brennstoffzellenstapel12 erzeugt. Dabei steigt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf die Leerlaufspannung an. - Somit wird in dem Brennstoffzellensystem
10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, selbst nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl empfangen worden ist, der Gleichstromwandler72 weiterhin angetrieben, um die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für eine vorbestimmte Zeit ausführen zu können. -
3 ist ein Graph, der zeigt, wie sich die Ausgangsspannung (die BZ-Spannung) des Brennstoffzellenstapels12 nach der Ausgabe des Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls verändert. Die Abszisse dieses Graphen stellt die Zeit dar, und eine Zeit 0 stellt den Zeitpunkt dar, zu dem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl erteilt wird. - Zu beachten ist, dass in
3 die abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien, die den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler72 anzeigen, und eine durchgezogene Linie, die die BZ-Spannung anzeigt, leicht versetzt voneinander dargestellt sind. Dadurch soll leichter zu erkennen sein, dass die BZ-Spannung auf dem Spannungsbefehlswert des Gleichstromwandlers72 gehalten wird. Tatsächlich ist es nämlich so, dass der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler72 und die BZ-Spannung miteinander übereinstimmen. Außerdem zeigen die in3 gezeigten gestrichelten Linien an, wie die BZ-Spannung sich verändert, wenn die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung nach Unterbrechung des Betriebs nicht ausgeführt wird (wobei das gleiche für4 und5 gilt). - Wenn ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl erteilt wird, hält das Fahrzeug normalerweise an, oder es bewegt sich mit einer extrem langsamen Geschwindigkeit, dass es praktisch stillsteht. Dementsprechend wird der Brennstoffzellenstapel
12 in dem ersten Betriebsmodus in einem Niedriglastbereich gesteuert. Daher treibt die ECU90 den Gleichstromwandler72 weiterhin mit dem Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 , der auf der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten wird, an. Selbst wenn aber der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 nicht auf die maximale Betriebsspannung V1 eingestellt wird, wenn der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl erteilt wird, wird der Spannungsbefehlswert dann auf die maximale Betriebsspannung V1 eingestellt. Der Antrieb des Gleichstromwandlers72 wird basierend auf dem Spannungsbefehlswert fortgesetzt. - Selbst nachdem die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel
12 unterbrochen worden ist, wird weiterhin eine geringe Menge elektrischer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion des verbliebenen Wasserstoffs mit dem verbliebenen Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel12 erzeugt. Der Gleichstromwandler72 wird hingegen basierend auf dem vorstehend erwähnten Spannungsbefehl angetrieben, und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 wird auf der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten. Wenn dann der in dem Brennstoffzellenstapel12 verbliebene Sauerstoff durch die elektrische Leistungserzeugung verbraucht wird und mengenmäßig abnimmt, kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 nicht länger auf der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten werden. Folglich wird die elektrische Leistungserzeugung unterbrochen, und die vorstehend erwähnte Ausgangsspannung beginnt dann von der maximalen Betriebsspannung V1 abzunehmen. - Zu beachten ist, dass die Batterie
74 mit der von dem Brennstoffzellenstapel12 während dieser Zeitspanne der Erzeugung elektrischer Leistung erzeugten und ausgegebenen elektrischen Leistung aufgeladen wird. Wenn jedoch die Batterie74 aufgrund des Ladezustands nicht aufgeladen werden kann, kann zumindest eines der Nebenaggregate (z. B. die Kühlmittelumwälzpumpe und ähnliches) angetrieben werden und die elektrische Leistung verbrauchen. - Wenn basierend auf der durch den Spannungssensor
16 erfassten Spannung bestimmt wird, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 begonnen hat abzufallen, nämlich, nachdem eine vorbestimmte Zeit t1 ab dem Zeitpunkt seit der Eingabe des Systembetriebs-Unterbrechungsbefehld in die ECU90 verstrichen ist, schaltet die ECU90 den Gleichstromwandler72 ab und öffnet das Systemhauptrelais14 . Kurz danach entspricht die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 gleich null. - Wie vorstehend beschrieben, wird in dem Brennstoffzellensystem
10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für die vorbestimmte Zeit t1 ausgeführt, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 auf einem Wert unter der maximalen BetriebsspannungV1 zu halten, indem der Gleichstromwandler72 weiterhin angetrieben wird, selbst nachdem ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die ECU90 eingegeben worden ist. Somit wird verhindert, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 auf die Leerlaufspannung ansteigt, nachdem der Betrieb des Systems unterbrochen worden ist, wodurch die Verschlechterung bzw. der Verschließ des Katalysators des Brennstoffzellenstapels12 minimiert wird. - Zu beachten ist, dass die vorbestimmte Zeit t1 vorstehend als eine Zeit beschrieben wird, die notwendig ist, um basierend auf der durch den Spannungssensor
16 erfassten Spannung zu bestätigen, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels12 abzufallen begonnen hat. Die vorbestimmte Zeit t1 ist jedoch nicht auf eine solche Zeit begrenzt. Wenn z. B. die Zufuhr des Sauerstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel12 unterbrochen wird, wird die Menge des in dem Stapel verbliebenen Sauerstoffs anhand des Volumens der Luftströmungsleitung in dem Stapel bestimmt, und die Zeit, die notwendig ist, bis der verbliebene Sauerstoff verbraucht ist und dadurch die Erzeugung der elektrischen Leistung beendet ist, kann vorher empirisch oder auf ähnliche Art und Weise als ein Wert bestimmt werden, der dem Brennstoffzellenstapel12 eigen ist. Dementsprechend kann die ECU90 die vorbestimmte Zeit t1 im Voraus im ROM speichern, einen Zeitgeber nach Empfangen eines Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls aktivieren und z.B. den Gleichstromwandler72 nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit t1 abschalten. -
4 ist ein Graph, der zeigt, wie die BZ-Spannung sich während einer weiteren Version einer Hochspannungs-Verhinderungssteuerung, die nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems ausgeführt wird, verändert. In dieser weiteren Version einer Hochspannungs-Verhinderungssteuerung verringert die ECU90 , während der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems, den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler72 von der maximalen Betriebsspannung V1 (dem ersten Wert) auf die minimale Betriebsspannung V2 (den zweiten Wert). Indem der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 verringert wird, wird die Erzeugung einer elektrischen Leistung in dem Brennstoffzellenstapel12 begünstigt. Somit wird der Verbrauch des verbliebenen Sauerstoffs beschleunigt, die Erzeugung der elektrischen Leistung in einer Zeit t2, die kürzer als die vorbestimmte Zeit t1 ist, die in3 gezeigt ist, wird unterbrochen, und die Zeit, während der der Gleichstromwandler72 angetrieben wird, nachdem der Betrieb des Systems unterbrochen worden ist, kann reduziert werden. Dabei kann die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Systems unterbrochen wird, und dem Zeitpunkt, wenn der Gleichstromwandler72 abgeschaltet wird und das Systemhauptrelais14 geöffnet wird, so kurz wie möglich gehalten werden. - In diesem Fall kann jedoch die elektrische Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel
12 erzeugt und ausgegeben wird, in Bezug auf die elektrische Leistung, mit der die Batterie74 geladen werden kann, viel zu stark ansteigen und die Batterie74 dadurch beschädigen. Um dieses Problem zu verhindern, bestimmt die ECU90 somit die Rate der Verringerung des Spannungsbefehlswerts von V1 auf V2, um Situationen zu vermeiden, in denen die erzeugte elektrische Leistung die elektrische Leistung, mit der die Batterie geladen werden kann, überschreitet, und überwacht, basierend auf dem Ladezustand und einer Eingabegrenze Win der Batterie74 die elektrische Leistung, mit der die Batterie aufgeladen werden kann. Wenngleich die Rate der Verringerung des Spannungsbefehlwerts von V1 auf V2, wie in4 gezeigt, konstant ist, kann die Rate der Verringerung auch so eingestellt werden, dass der Spannungsbefehlswert zunächst in einem steilen Gradienten abnimmt und dann allmählich einer sanften Kurve folgend abfällt. - Die ECU
90 verringert vorübergehend den Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler72 auf die minimale Betriebsspannung V2, erhöht den Spannungsbefehlswert auf die maximale Betriebsspannung V1 und unterbricht dann den Antrieb des Gleichstromwandlers72 . Der Anstieg des Spannungsbefehlswerts begrenzt die von dem Brennstoffzellenstapel12 erzeugte und ausgegebene elektrische Leistung. Daher kann die Rate zum Erhöhen des Spannungsbefehlswerts so eingestellt werden, dass der Spannungsbefehlswert in einem steilen Gradienten oder vertikal ansteigt (siehe5 ). -
5 ist ein Graph, der zeigt, wie die BZ-Spannung sich während noch einer weiteren Version der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung, die nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems ausgeführt wird, verändert. Die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung ist der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung, die in4 gezeigt ist, dahingehend ähnlich, dass der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler72 vorübergehend verringert wird. Zwischen diesen Versionen der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung besteht jedoch dahingehend ein Unterschied, dass, während der Spannungsbefehlswert in4 im Allgemeinen der Form eines Dreiecks folgend abfällt und ansteigt, der Spannungsbefehlswert in5 sich im Allgemeinen der Form eines Trapezoiden folgend verändert, nämlich auf den Spannungswert V2 abfällt, auf dem Spannungswert V2 für eine vorbestimmte Zeit t4 gehalten wird und dann zu der maximalen Betriebsspannung V1 zurückkehrt. Wenn in diesem Fall der Spannungswert V2 auf einen Wert innerhalb eines Spannungsbereichs des Reduktionsbereichs der Brennstoffzelleneinheit eingestellt wird, kann eine Katalysatoraktivierungsbehandlung zum Entfernen der Oxidschicht von dem Platinkatalysator während der vorbestimmten ZeitT4 jedes Mal ausgeführt werden, wenn der Betrieb des Systems unterbrochen wird. Dementsprechend wird die katalytische Funktion des Brennstoffzellenstapels12 wirksam aufrechterhalten. - Zu beachten ist außerdem, dass, auch wenn vorstehend das Brennstoffzellensystem, in dem der Brennstoffzellenstapel intermittierend betrieben wird, beschrieben wurde, die Erfindung dennoch nicht auf ein solches Brennstoffzellensystem beschränkt ist. Die Erfindung kann auch auf ein Brennstoffzellensystem angewendet werden, in dem die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung, jedoch kein intermittierender Betrieb ausgeführt wird.
- In der vorstehenden Ausführungsform wird außerdem das Brennstoffzellensystem
10 als in dem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug montiert beschrieben. Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt. Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann z. B. als eine elektrische Leistungszufuhr für ein anderes bewegliches Objekts als das brennstoffzellenbetriebene Fahrzeug (einen Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen) oder eine Industriemaschine (eine Baumaschine, eine Landwirtschaftsmaschine oder dergleichen) montiert werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung als ein elektrischer Leistungsgenerator (ein stationäres elektrisches Leistungserzeugungssystem) für ein Wohnhaus, ein Gebäude oder dergleichen verwendet werden.
Claims (12)
- Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (12), der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen; einen Gleichstromwandler (72), der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist; und eine Steuerungseinheit (90), die die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle steuert und einen Spannungsbefehl an den Gleichstromwandler erteilt und diesen antreibt, um eine Hochspannungs-Verhinderungssteuerung auszuführen, um zu verhindern, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine dem Spannungsbefehl entsprechende Hochspannungs-Verhinderungsspannung, die niedriger als eine Leerlaufspannung ist, überschreitet, wobei die Steuerungseinheit den Gleichstromwandler weiterhin antreibt, um die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für eine erste vorgeschriebene Zeitspanne auszuführen, nachdem die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gemäß einem Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl unterbrochen worden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eine Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von einem ersten Wert, der der Hochspannungs-Verhinderungsspannung entspricht, auf einen zweiten Wert ausführt, während die Hochspannungs-Verhinderungsspannung ausgeführt wird, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben worden ist; und die Steuerungseinheit den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler auf den ersten Wert erhöht, nachdem der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert reduziert worden ist.
- Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 1 , ferner aufweisend: eine Speichervorrichtung, die mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung geladen wird, wobei die Steuerungseinheit eine Rate der Senkung des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert bestimmt, während eine elektrische Leistung überwacht wird, die zum Laden der Speichervorrichtung verwendet wird. - Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 1 , ferner aufweisend: einen Spannungssensor (16), der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfasst, wobei die erste vorgeschriebene Zeitspanne gleich der Zeit zwischen dem Zeitpunkt, wenn der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben wird, und dem Zeitpunkt eingestellt wird, wenn eine durch den Spannungssensor erfasste Spannung von der Hochspannungs-Verhinderungsspannung abzufallen beginnt. - Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 1 , wobei die erste vorgeschriebene Zeitspanne eine voreingestellte Zeit ist, die gleich der Zeit ist, die benötigt wird, bis ein verbliebenes Oxidationsgas in der Brennstoffzelle verbraucht ist, so dass die Ausgangsspannung, die durch die elektrische Leistungserzeugung erzeugt wird, die aus einer elektrochemischen Reaktion des verbliebenen Oxidationsgases und eines verbliebenen Brenngases resultiert, die in der Brennstoffzelle zurückgeblieben sind, die Hochspannungs-Verhinderungsspannung nicht überschreitet, nachdem der Systembetriebsunterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben worden ist. - Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 1 , wobei die Steuerungseinheit den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler bei dem zweiten Wert für eine zweite vorgeschriebene Zeitspanne beibehält. - Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 5 , wobei der zweite Wert einer Spannung in einem Reduktionsbereich der Brennstoffzelle entspricht. - Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle (12), der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um eine elektrische Leistung zu erzeugen; einen Gleichstromwandler (72), der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist; und eine Steuerungseinheit (90) beinhaltet, die die Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle steuert, wobei die Steuerungseinheit einen Spannungsbefehl an den Gleichstromwandler erteilt und diesen antreibt, um eine Hochspannungs-Verhinderungssteuerung auszuführen, um zu verhindern, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine dem Spannungsbefehl entsprechende Hochspannungs-Verhinderungsspannung überschreitet, die niedriger als eine Leerlaufspannung ist, wobei das Verfahren beinhaltet: Unterbrechen der Zufuhr des Brenngases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle, wenn ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben wird; und Fortsetzen des Antriebs des Gleichstromwandlers, um die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für eine erste vorgeschriebene Zeitspanne auszuführen, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben worden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler auf den ersten Wert erhöht wird, nachdem die Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert ausgeführt worden ist.
- Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler von einem ersten Wert, der der Hochspannungs-Verhinderungsspannung entspricht, auf einen zweiten Wert gesenkt wird, wenn die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung ausgeführt wird, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben worden ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei: das Brennstoffzellensystem ferner eine Speichervorrichtung beinhaltet, die mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung geladen wird; und der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler von dem ersten Wert auf den zweiten Wert mit einer Rate reduziert wird, die bestimmt wird, während eine elektrische Leistung, die verwendet wird, um die Speichervorrichtung zu laden, überwacht wird. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei: das Brennstoffzellensystem ferner einen Spannungssensor beinhaltet, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfasst; und die erste vorgeschriebene Zeitspanne gleich der Zeit zwischen dem Zeitpunkt, wenn der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben wird, und dem Zeitpunkt eingestellt wird, wenn eine durch den Spannungssensor erfasste Spannung von der Hochspannungs-Verhinderungsspannung abzufallen beginnt. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei die erste vorgeschriebene Zeitspanne eine voreingestellt Zeit ist, die gleich der Zeit eingestellt wird, die notwendig ist, bis ein verbliebenes Oxidationsgas in der Brennstoffzelle verbraucht ist, so dass die Ausgangsspannung, die durch die Entstehung elektrischer Leistung, die aus einer elektrochemischen Reaktion des verbliebenen Oxidationsgases und eines verbliebenen Brenngases, die in der Brennstoffzelle zurückgeblieben sind, resultiert, erzeugt wird, die Hochspannungs-Verhinderungsspannung nicht überschreitet, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuerungseinheit eingegeben worden ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler bei dem zweiten Wert für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne beibehalten wird.
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