DE112010002074T5

DE112010002074T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE112010002074T5
Application number: DE112010002074T
Authority: DE
Inventors: Michio Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: US8415065B2; JP2010272449A; JP4888519B2; US20120070756A1; WO2010136856A1; CN102449834B; DE112010002074B4; CN102449834A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem ist mit einer Brennstoffzelle, einem Gleichstromwandler, der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist, und einer Steuerungseinheit ausgestattet, die die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle steuert und einen Spannungsbefehl an den Gleichstromwandler erteilt und diesen antreibt, um eine Hochspannungsverhinderungs-Steuerung auszuführen, um zu verhindern, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine Hochspannungs-Verhinderungsspannung überschreitet, die niedriger als eine Leerlaufspannung ist. Die Steuerungseinheit treibt den Gleichstromwandler weiterhin an, so dass die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung für eine vorbestimmte Zeit ausgeführt wird, nachdem die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft in Reaktion auf die Eingabe eines Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls unterbrochen worden ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. 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.
2. 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 Patentanmeldungsveröffentlichung 2005-100820 ( JP-A-2005-100820 ) beschreibt z. B. ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle erst nach der Beendung des normalen Unterbrechungsbetriebs mit Wasserstoff versorgt, den auf einer Luftelektrode in der Brennstoffzelle verbliebenen Sauerstoff verbraucht und somit die Spannung der Brennstoffzelle senkt. Laut der Beschreibung in dieser Veröffentlichung kann ein Verschleiß der Brennstoffzelle verhindert werden, indem man sie in einem Hochspannungs-Nulllast-Zustand belässt, und die Menge des zuviel abgeführten Wasserstoffs reduziert werden, so dass ein ungünstiger Brennstoffverbrauch verhindert wird.
Ferner beschreibt die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 2008-218398 ( JP-A-2008-218398 ), dass eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass sie auf einer Hochspannungs-Verhinderungsspannung, die niedriger als eine Leerlaufspannung ist, durch den Betrieb eines Gleichstromwandlers, der mit der Brennstoffzelle in einem elektrischen Leistungserzeugungsbetrieb-Unterbrechungszustand elektrisch verbunden ist, durch intermittierendes Betreiben der Brennstoffzelle gehalten wird, indem ein Wechsel des Zustands zwischen einem elektrischen Leistungserzeugungs-Betriebszustand und einem Betriebsunterbrechungszustand bewirkt wird.
Die JP-A-2005-100820 beschreibt jedoch lediglich, dass der Brennstoffzelle nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems ausschließlich Wasserstoff zugeführt wird, wobei der in der Brennstoffzelle verbliebene Sauerstoff verbraucht wird und somit die Spannung der Brennstoffzelle gesenkt wird. Aus dieser Beschreibung geht aber keine konkrete Beschreibung in Bezug darauf hervor, wie verhindert werden kann, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle aufgrund der elektrischen Leistungserzeugung, die beim Verbrauch des verbliebenen Sauerstoffs erfolgt, auf die Leerlaufspannung ansteigt.
Ferner hält die JP-A-2008-218398 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle während des intermittierenden Betriebs der Brennstoffzelle wirksam auf der Hochspannungs-Verhinderungsspannung, die niedriger als die Leerlaufspannung ist. Diese Veröffentlichung bietet jedoch keine Lösung in Bezug auf die Notwendigkeit, zu verhindern, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nach der Unterbrechung des Betriebs des die Brennstoffzelle beinhaltenden Systems auf die Leerlaufspannung ansteigt.
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 kann die Steuereinheit eine Steuerung zum Senken des Spannungsbefehls für den Gleichstromwandler von einem ersten Wert, der der Hochspannungs-Verhinderungsspannung entspricht, auf einen zweiten Wert ausführen, während eine Hochspannungsverhinderungs-Steuerung ausgeführt wird, nachdem der Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die Steuereinheit eingegeben wird.
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 den 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.
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.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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.
1 ist ein Gesamtsystemdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als ein im Fahrzeug befindliches elektrisches Leistungszuführsystem für ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug verwendet wird. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel (eine Brennstoffzelle) 12, dem ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen, ein Luftzuführsystem 30 zum Zuführen von Sauerstoff in der Luft als das Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 12, ein Wasserstoffzuführsystem 50 zum Zuführen von Wasserstoff als das Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel 12, ein elektrisches Leistungssystem 70 zum Steuern des Ladens/Entladens von elektrischer Leistung in eine bzw. aus einer Batterie 74 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 Brennstoffzellenstapel 12 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 Brennstoffzellenstapel 12 insgesamt eine elektrochemische Reaktion, die als H₂ + (1/2)O₂ → H₂O ausgedrückt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 12 ist mit dem elektrischen Leistungssystem 70 über ein Systemhauptrelais 14 elektrisch verbunden. Entsprechend einem Befehl von der ECU 90, den das Systemhauptrelais 14 empfängt, wird es auf EIN oder AUS gesteuert. Ferner sind ein Spannungssensor 16 zum Erfassen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 (die nachstehend als die ”BZ-Spannung” bezeichnet wird) und ein Stromsensor 18 zum Erfassen eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 12 (der nachstehend als der „BZ-Strom” bezeichnet wird) auf eine elektrischen Leistungsleitung bzw. Stromleitung installiert, die den Brennstoffzellenstapel 12 mit dem elektrischen Leistungssystem 70 verbindet.
Das Luftzuführsystem 30 weist eine Luftzuführleitung 32, durch die die der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführte Luft strömt, und eine Luftabführleitung 34 auf, durch die die aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführte Luft abgeführt wird. Die Luftzuführleitung 32 ist mit einem Luftkompressor 38, der eine Umgebungsluft über einen Luftfilter 36 einzieht, einer Befeuchtungseinrichtung 40 zum zweckmäßigen Befeuchten der Luft, die durch den Luftkompressor 38 komprimiert und unter Druck gesetzt wird, und einem Sperrventil 42 zum Sperren der Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 12 versehen. Die Luftabführleitung 34 ist mit einem Sperrventil 44 zum Sperren der Luftabgabe aus dem Brennstoffzellenstapel 12 und einem Druckregulierventil 46 zum Regulieren des Luftzuführdrucks versehen. Ferner durchdringt bzw. verläuft die Luftabführleitung 34 durch die Befeuchtungseinrichtung 40, so dass das zusammen mit der Luft aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführte Wasser, während es durch die Befeuchtungseinrichtung 40 strömt, aufgefangen wird und dann zum Befeuchten der Luft verwendet wird, die über die Luftzuführleitung 32 zugeführt wird.
Das Wasserstoffzuführsystem 50 beinhaltet eine Wasserstoffzuführquelle 52, wie z. B. einen Hochdruck-Wasserstofftank, eine Wasserstoffzuführleitung 54, durch die ein Wasserstoffgas der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 12 von der Wasserstoffzuführquelle 52 zugeführt wird; eine Wasserstoffabführleitung 56, durch die ein Wasserstoff-Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt wird; eine Umwälzleitung 58 die von der Wasserstoffabführleitung 56 abzweigt und mit der Wasserstoffzuführleitung 54 verbunden ist; und eine Umwälzpumpe 60, die das Wasserstoff-Abgas aus der Wasserstoffabführleitung 56 durch die Umwälzleitung 58 in die Wasserstoffzuführleitung 54 umwälzt.
In der Wasserstoffzuführleitung 54, die mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden ist, sind von der Wasserstoffzuführquelle 52 aus in der angegebenen Reihenfolge ein Sperrventil 61, ein Druckregulierventil 62, eine Einspritzvorrichtung 63, ein Sperrventil 64 und ein Drucksensor 65 in der Richtung der Wasserstoffgaszuführströmung installiert. Dementsprechend sperrt das Sperrventil 61. das Herausströmen des Wasserstoffgases aus der Wasserstoffzuführquelle 52; reguliert das Druckregulierventil 62 den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführquelle 52; wird die Einspritzvorrichtung 63 verwendet, um die Menge des dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Wasserstoffs zu regulieren; wird das Sperrventil 64 verwendet, um die Zuführung des Wasserstoffgases zum Brennstoffzellenstapel 12 zu sperren; und erfasst der Drucksensor 65 den Druck des Wasserstoffgases, der dem Separator 12 zugeführt wird. In der Wasserstoffabführleitung 56 sind ein Sperrventil 66 und ein Wasserstoffabgasabgabe-Sperrventil 65 in der angegebenen Reihenfolge in der Richtung installiert, in der das abgegebene Wasserstoffabgas strömt. Dabei wird das Sperrventil 66 verwendet, um die Abgabe des Wasserstoffabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 12 zu sperren, und das Wasserstoffabgasabgabe-Sperrventil 67 wird verwendet, um das Wasserstoffabgas aus dem System abzuführen.
Elektromagnetische Ventile oder dergleichen, die durch die ECU 90 gesteuert werden, werden als Sperrventile 42, 44, 61, 64, 66 und 67 verwendet, die in dem Luftzuführsystem 30 bzw. dem Wasserstoffzuführsystem 50 beinhaltet sind. Zudem regulieren die Druckregulierventile 46 und 62 jeweils den Primärdruck stromauf der Druckregulierventile 46 und 62 auf einen voreingestellten Sekundärdruck. Die mechanischen Druckreduktionsventile zum Reduzieren des Primärdrucks oder dergleichen können als die Druckregulierventile 46 und 62 verwendet werden. Ferner handelt es sich bei der Einspritzvorrichtung 63 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 Einspritzvorrichtung 63 strömenden Wasserstoffgases durch die Steuerung des Öffnungsgrads bzw. Öffnungswinkels oder der Ventilöffnungszeit des Ventilkörpers einstellt.
Das elektrische Leistungssystem 70 beinhaltet einen Gleichstromwandler 72, eine Batterie 74, einen Inverter 76, einen Wechselstrommotor 78 und Nebenaggregate 80. Das Brennstoffzellensystem 10 ist als ein Parallelhybridsystem konfiguriert, in dem der Gleichstromwandler 72 und der Inverter 76 mit dem Brennstoffzellenstapel 12 parallel geschaltet sind. Der Gleichstromwandler 72 erhöht die Gleichstromspannung, die von der Batterie 74 zugeführt wird, und gibt die erhöhte Gleichstromspannung an den Inverter 76 ab. Der Gleichstromwandler 72 verringert zudem die elektrische Gleichstromleistung, die durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird, oder eine elektrische Regenerativleistung, die durch den Wechselstrommotor 78 durch ein regeneratives Bremsen erzeugt wird, und lädt die Batterie 74 mit dieser verringerten elektrischen Leistung. Aufgrund dieser Funktionen des Gleichstromwandlers 72 wird das Laden/Entladen der Batterie 74 gesteuert. Ferner wird die Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers 72 in Reaktion auf einen Spannungsbefehl von der ECU 90 gesteuert und dadurch der Betriebszustand (die BZ-Spannung und der BZ-Strom) des Brennstoffzellenstapels 12 gesteuert.
Die Batterie 74 funktioniert als eine Speichervorrichtung für eine überschüssige elektrische Leistung und eine Regenerativenergie beim regenerativen Bremsen. Die Batterie 73 kann auch als ein Energiepuffer während Lastschwankungen fungieren, die aus der Beschleunigung oder Verlangsamung des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs resultieren. Als die Batterie 74 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 Batterie 74 ist ein Ladezustandssensor 75 zum Erfassen des Ladezustands (SOC bzw. State of Charge) befestigt. Insbesondere kann es sich bei dem Ladezustandssensor 75 um einen den Batteriestrom erfassenden Stromsensor handeln. Die ECU 90 überwacht die Restkapazität der Batterie 74, indem sie die durch den Stromsensor erfassten Werte integriert. Auch wenn davon in der Zeichnung nichts zu erkennen ist, ist die Batterie 74 zudem mit einem Temperatursensor versehen, der die Temperatur 74 misst und die erfasste Temperatur an die ECU 90 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 Inverters 76 wird entsprechend einem Schaltbefehl von der ECU 90 auf EIN oder AUS gesteuert. Dabei wandelt der Inverter 76 eine von dem Brennstoffzellenstapel 12 oder der Batterie 74 ausgegebene Gleichstromspannung in eine Drehstromspannung um, um das Drehmoment des Wechselstrommotors 78 zu steuern. Der Wechselstrommotor 78 ist z. B. ein Drehstrom-Synchronmotor 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 Brennstoffzellensystem 10 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 Brennstoffzellensystems 10 steuert. Beim Empfangen eines Aktivierungssignals IG, das von einem Zündschalter (nicht gezeigt) ausgegeben wird, beginnt die ECU 90 z. B. damit, das Brennstoffzellensystem 10 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 Brennstoffzellenstapel 12 und der Batterie 74 ein und steuert das Luftzuführsystem 30 und das Wasserstoffzuführsystem 50, so dass die Menge der durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten elektrischen Leistung mit dem Betrag der elektrischen Soll-Leistung übereinstimmt. Die ECU 90 steuert zudem den Gleichstromwandler 72, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 einzustellen, um dadurch den Betriebszustand (die BZ-Spannung und den BZ-Strom) des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Ferner gibt die ECU 90 z. B. einen U-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert, einen V-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert und einen W-Phasen-Wechselstromspannungs-Befehlswert an den Inverter 76 aus, um das Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl des Wechselstrommotors 78 so zu steuern, dass ein einem Fahrpedalverstellweg entsprechendes Soll-Drehmoment erhalten wird.
2 ist eine auseinandergenommene perspektivische Ansicht einer jeden Brennstoffzelleneinheit 20, aus denen der Brennstoffzellenstapel 12 gebildet ist. Die Brennstoffzelleneinheit 20 besteht aus einer Festpolymer-Elektrolytmembran 22, einer anodenseitigen Elektrode 23, einer kathodenseitigen Elektrode 24 und Separatoren 25 und 26. Die anodenseitige Elektrode 23 und die kathodenseitige Elektrode 24 sind Diffusionselektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran 22 eingeklemmt wird, um so eine Sandwichstruktur zu bilden. An beiden Seiten ist die Sandwichstruktur ferner zwischen den Separatoren 25 und 26, die aus leitfähigen, gasundurchlässigen Elementen konstruiert sind, eingeklemmt, um so Strömungsleitungen für Wasserstoff und Luft zwischen der anodenseitigen Elektrode 23 und der kathodenseitigen Elektrode 24 zu bilden.
Eine Mehrzahl von parallelen Aussparungen 27 mit einem konkaven Querschnitt als Wasserstoffströmungsleitungen sind in den Separatoren 25 ausgebildet. Ferner sind eine Mehrzahl von parallelen Aussparungen 28 mit einem konkaven Querschnitt als Luftströmungsleitungen im Separator 26 in einer Richtung senkrecht zu den Wasserstoffströmungsleitungs-Aussparungen 27 ausgebildet. Zu beachten ist, dass, aufgrund dessen, dass jeder der Separatoren 25 und 26 von benachbarten Brennstoffzelleneinheiten gemeinsam verwendet wird, in der Oberfläche des Separators 25 gegenüber der Seite, in der die Wasserstoffströmungsleitungen ausgebildet sind, Luftströmungsleitungs-Aussparungen 28 ausgebildet sind, und Wasserstoffströmungsleitungsaussparungen 27 in der Oberfläche des Separators 26 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 Schicht 23a, die die Festpolymer-Elektrolytmembran 22 berührt, und eine Gasdiffusionsschicht 23b auf, die auf einer Oberfläche der katalytischen Schicht 23a ausgebildet ist, die luftdurchlässig und elektrisch leitfähig ist. Desgleichen weist die kathodenseitige Elektrode 24 eine katalytische Schicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b auf. Die katalytischen Schichten 23a und 24a 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 Polymerelektrolytmembran 22 ausgebildet. Ferner können die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b aus Kohlefilz, Kohlepapier oder einem aus Kohlefaserfäden gewebten Kohlegewebe erstellt werden. Die Polymerelektrolytmembran 22 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 ECU 90 das Aktivierungssignal IG eingegeben. Somit schließt die ECU 90 das Systemhauptrelais 14 und führt dem Brennstoffzellenstapel 12 Wasserstoff und Luft zu, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zu initiieren.
In dem Brennstoffzellensystem 10 wird der Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung durch einen intermittierenden Betrieb, in dem der Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels 12 intermittierend geschaltet wird, verbessert. Wenn z. B. das Brennstoffzellensystem 10 unter niedriger Last arbeitet und dementsprechend der Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung gering ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 eine Betriebssteuerung aus, in der der elektrische Leistungserzeugungsbefehlswert für den Brennstoffzellenstapel 12 auf null eingestellt wird. Unter dieser Voraussetzung wird das Fahrzeug durch das Brennstoffzellensystem 10 angetrieben und das System unter Verwendung einer elektrischen Leistung von der Batterie 74 betrieben (was nachstehend als „erster Betriebsmodus” bezeichnet wird). Das Brennstoffzellensystem 10 kann auch eine Betriebssteuerung ausführen, nachdem der elektrische Leistungserzeugungsbefehlswert für den Brennstoffzellenstapel 12 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 Brennstoffzellenstapel 12 oder durch sowohl den Brennstoffzellenstapel 12 als auch die Batterie 74 erzeugten elektrischen Leistung (was nachstehend als „zweiter Betriebsmodus” bezeichnet wird).
In jedem Betriebsmodus bewegt sich jedoch die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 während 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 Schichten 23a und 24a enthaltene Platinkatalysator nicht eluiert wird. Wie vorstehend beschrieben, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 so gesteuert, dass er der maximalen Betriebsspannung V1 entspricht oder diese unterschreitet, um zu verhindern, dass der Katalysator des Brennstoffzellenstapels 12 verschleißt, was als „Hochspannungs-Verhinderungssteuerung” bezeichnet wird. Ferner wird die maximale Betriebsspannung V1 gelegentlich als eine Hochspannungs-Verhinderungsspannuug bezeichnet. Die maximale Betriebsspannung V1 kann z. B. so eingestellt werden, dass die Spannung einer jeden Brennstoffzelleneinheit 20 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 Schicht 24a der kathodenseitigen Elektrode 24 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 Brennstoffzellenstapels 12. 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 Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzellenstapels 12 die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzelleneinheit 20 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 Brennstoffzellenstapel 12 und stellt den Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler 72 auf die maximale Betriebsspannung V1 ein. Selbst nachdem die Zufuhr der Reaktionsgase zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbrachen worden ist, bleiben in der Reaktion nicht umgesetzter Wasserstoff und Sauerstoff in ausreichender Menge im Brennstoffzellenstapel 12 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 Brennstoffzellenstapels 12 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 Nebenaggregate 80 nicht vollständig verbraucht werden kann, wird die überschüssige Leistung verwendet, um die Batterie 74 zu laden. Der verbliebene Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 werden dann beim Erzeugen elektrischer Leistung verbraucht. Aufgrund der Verringerung der Wasserstoff- und Sauerstoffmenge kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 nicht bei der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten werden, und die Erzeugung der elektrischen Leistung wird unterbrochen. Danach fällt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 graduell bzw. allmählich ab.
Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 auf die minimale Betriebsspannung V2 abfällt, wird das Luftzuführsystem 30 angetrieben, um dem Brennstoffzellenstapel 12 Sauerstoff (Luft) zuzuführen, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 beginnt daher anzusteigen. Sobald die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 eine vorbestimmte Spannung erreicht, wird die Sauerstoffzufuhr unterbrochen. Auf diese Weise wird während einer Zeitspanne der elektrischen Leistungserzeugung unter Verwendung der verbliebenen Gase dem Brennstoffzellenstapel 12 weiterhin jedes Mal dann Oxidationsgas zugeführt, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 auf die minimale Betriebsspannung V2 abfällt. Das heißt, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzellenstapel 12 und steuert den Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12 über den Gleichstromwandler 72. Unter diesen Bedingungen wird der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler 72 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 ECU 90 in dem Brennstoffzellensystem 10 eingegeben. In Reaktion auf diesen Befehl unterbricht die ECU 90 den Antrieb des Luftkompressors 38 des Luftzuführsystems 30, schließt die Sperrventile 42 und 44, um die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel 12 zu unterbrechen, und unterbricht zudem den Betrieb der Umwälzpumpe 60 des Wasserstoffzuführsystems 50 und schließt die Sperrventile 61, 62, 64 und dergleichen, um die Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu unterbrechen. Ferner schaltet die ECU 90 den Inverter 76 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 Gleichstromwandlers 72 und des Systemhauptrelais 14 zu unterbrechen.
Wenn der Gleichstromwandler 72 und der Inverter 76 abgeschaltet sind und das Systemhauptrelais 14 geöffnet wird, sobald die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbrochen ist, wird weiterhin eine geringe Menge elektrischer Leistung anhand des verbliebenen Wasserstoffs und Sauerstoffs in dem Brennstoffzellenstapel 12 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 Gleichstromwandler 72 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 Brennstoffzellenstapels 12 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 Gleichstromwandler 72 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 Gleichstromwandlers 72 gehalten wird. Tatsächlich ist es nämlich so, dass der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler 72 und die BZ-Spannung miteinander übereinstimmen. Außerdem zeigen die in 3 gezeigten gestrichelten Linien an, wie die BZ-Spannung sich verändert, wenn die Hochspannungs-Verhinderungssteuerung nach Unterbrechung des Betriebs nicht ausgeführt wird (wobei das gleiche für 4 und 5 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 ECU 90 den Gleichstromwandler 72 weiterhin mit dem Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler 72, der auf der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten wird, an. Selbst wenn aber der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler 72 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 Gleichstromwandlers 72 wird basierend auf dem Spannungsbefehlswert fortgesetzt.
Selbst nachdem die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbrachen worden ist, wird weiterhin eine geringe Menge elektrischer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion des verbliebenen Wasserstoffs mit dem verbliebenen Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt. Der Gleichstromwandler 72 wird hingegen basierend auf dem vorstehend erwähnten Spannungsbefehl angetrieben, und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 wird auf der maximalen Betriebsspannung V1 beibehalten. Wenn dann der in dem Brennstoffzellenstapel 12 verbliebene Sauerstoff durch die elektrische Leistungserzeugung verbraucht wird und mengenmäßig abnimmt, kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzellenstapel 12 während dieser Zeitspanne der Erzeugung elektrischer Leistung erzeugten und ausgegebenen elektrischen Leistung aufgeladen wird. Wenn jedoch die Batterie 74 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 Brennstoffzellenstapels 12 begonnen hat abzufallen, nämlich, nachdem eine vorbestimmte Zeit t1 ab dem Zeitpunkt seit der Eingabe des Systembetriebs-Unterbrechungsbefehld in die ECU 90 verstrichen ist, schaltet die ECU 90 den Gleichstromwandler 72 ab und öffnet das Systemhauptrelais 14. Kurz danach entspricht die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzellenstapels 12 auf einem Wert unter der maximalen Betriebsspannung V1 zu halten, indem der Gleichstromwandler 72 weiterhin angetrieben wird, selbst nachdem ein Systembetriebs-Unterbrechungsbefehl in die ECU 90 eingegeben worden ist. Somit wird verhindert, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 auf die Leerlaufspannung ansteigt, nachdem der Betrieb des Systems unterbrochen worden ist, wodurch die Verschlechterung bzw. der Verschließ des Katalysators des Brennstoffzellenstapels 12 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 Brennstoffzellenstapels 12 abzufallen begonnen hat. Die vorbestimmte Zeit t1 ist jedoch nicht auf eine solche Zeit begrenzt. Wenn z. B. die Zufuhr des Sauerstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel 12 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 Brennstoffzellenstapel 12 eigen ist. Dementsprechend kann die ECU 90 die vorbestimmte Zeit t1 im Voraus im ROM speichern, einen Zeitgeber nach Empfangen eines Systembetriebs-Unterbrechungsbefehls aktivieren und z. B. den Gleichstromwandler 72 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 ECU 90, während der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung nach der Unterbrechung des Betriebs des Systems, den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler 72 von der maximalen Betriebsspannung V1 (dem ersten Wert) auf die minimale Betriebsspannung V2 (den zweiten Wert). Indem der Spannungsbefehlswert für den Gleichstromwandler 72 verringert wird, wird die Erzeugung einer elektrischen Leistung in dem Brennstoffzellenstapel 12 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 in 3 gezeigt ist, wird unterbrochen, und die Zeit, während der der Gleichstromwandler 72 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 Gleichstromwandler 72 abgeschaltet wird und das Systemhauptrelais 14 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 Batterie 74 geladen werden kann, viel zu stark ansteigen und die Batterie 74 dadurch beschädigen. Um dieses Problem zu verhindern, bestimmt die ECU 90 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 W_in der Batterie 74 die elektrische Leistung, mit der die Batterie aufgeladen werden kann. Wenngleich die Rate der Verringerung des Spannungsbefehlwerts von V1 auf V2, wie in 4 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 Gleichstromwandler 72 auf die minimale Betriebsspannung V2, erhöht den Spannungsbefehlswert auf die maximale Betriebsspannung V1 und unterbricht dann den Antrieb des Gleichstromwandlers 72. Der Anstieg des Spannungsbefehlswerts begrenzt die von dem Brennstoffzellenstapel 12 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 (siehe 5).
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 in 4 gezeigt ist, dahingehend ähnlich, dass der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler 72 vorübergehend verringert wird. Zwischen diesen Versionen der Hochspannungs-Verhinderungssteuerung besteht jedoch dahingehend ein Unterschied, dass, während der Spannungsbefehlswert in 4 im Allgemeinen der Form eines Dreiecks folgend abfällt und ansteigt, der Spannungsbefehlswert in 5 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 Zeit T4 jedes Mal ausgeführt werden, wenn der Betrieb des Systems unterbrochen wird. Dementsprechend wird die katalytische Funktion des Brennstoffzellenstapels 12 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-100820 [0008]
JP 2005-100820 A [0008, 0010]
JP 2008-218398 [0009]
JP 2008-218398 A [0009, 0011]

Claims

Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: eine Brennstoffzelle, der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen; einen Gleichstromwandler, der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist; und eine Steuerungseinheit, 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.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei 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.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, 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, 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 2 oder 3, wobei 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 6, wobei die Steuerungseinheit den Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler bei dem zweiten Wert für eine zweite vorgeschriebene Zeitspanne beibehält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der zweite Wert einer Spannung in einem Reduktionsbereich der Brennstoffzelle entspricht.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle, der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt werden, um eine elektrische Leistung zu erzeugen; einen Gleichstromwandler, der mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist; und eine Steuerungseinheit 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.
Verfahren nach Anspruch 9, 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 10, 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 9, 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 9, 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 9 oder 10, 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 aufgeführt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Spannungsbefehl für den Gleichstromwandler bei dem zweiten Wert für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne beibehalten wird.