DE112010005520B4 - Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzelle, einem betriebs-controller und einem klimatisierungsmechanismus - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzelle, einem betriebs-controller und einem klimatisierungsmechanismus Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); einen Betriebs-Controller (61a), der dafür ausgelegt ist, den Betrieb der Brennstoffzelle (10) zu regeln; und einen Klimatisierungsmechanismus (36), der dafür ausgelegt ist, ein Heizen unter Nutzung von Abwärme aus der Brennstoffzelle (10) durchzuführen, wobei der Betriebs-Controller (61a) als Reaktion auf eine Heizungsforderung an den Klimatisierungsmechanismus (36) während eines Normalbetriebs, wenn die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt auf einer Strom-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle (10) betrieben wird, einen aufgrund eines Wärmewerts geforderten Stromwert mit einem aufgrund einer Ausgangsleistung geforderten Stromwert vergleicht, wobei der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem ein von der Brennstoffzelle (10) geforderter Wärmewert erreicht werden kann, wobei der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem eine von der Brennstoffzelle (10) geforderte Ausgangsleistung erreicht werden kann, der Betriebs-Controller (61a) bewirkt, dass die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie betrieben wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich groß ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, und der Betriebs-Controller (61a) eine auf ...

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Nutzung der Abwärme einer Brennstoffzelle.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Sicherstellung eines stabilen Brennstoffzellenbetriebs bei einem Start bei niedrigen Temperaturen beinhaltet die Durchführung eines Betriebs zur Erzeugung von Brennstoffzellenleistung mit einem niedrigeren Wirkungsgrad (im Folgenden als „Niedereffizienzbetrieb” bezeichnet) als während eines Normalbetriebs, um den Wärmeverlust (die Abwärme) der Brennstoffzelle zu erhöhen und die Temperatur der Brennstoffzelle durch die Abwärme zu erhöhen.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Technisches Problem
  • Wenn der Niedereffizienzbetrieb während eines Normalbetriebs durchgeführt wird, um die Wärme, die durch den Niedereffizienzbetrieb erzeugt wird, zum Heizen zu nutzen, kann es sein, dass aufgrund dessen, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung erniedrigt ist, um den geforderten Wärmewert zum Heizen zu erreichen, eine geforderte Ausgangsleistung (elektrische Leistung) nicht erreicht werden kann und eine Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verschlechtert ist. Andererseits kann es sein, dass bei einer Befriedigung einer Ausgangsleistungsforderung der geforderte Wärmewert nicht erreicht wird und eine Reaktionsfähigkeit in Bezug auf Wärmeerzeugung verschlechtert ist. Außerdem bewirkt in einem System, das Wasserstoffgas und Luft als Reaktionsgase nutzt, der Niedereffizienzbetrieb, dass an den Kathoden Wasserstoffgas erzeugt wird. Somit besteht eine Notwendigkeit dafür, das erzeugte Wasserstoffgas mit Luft zu verdünnen. Das Verfahren, mit dem aufeinanderfolgend die Luftmenge, die für eine solche Verdünnung nötig ist, und die Luftmenge, die für die Anoden während des Normalbetriebs erforderlich ist, berechnet werden und die jeweils zugeführten Luftmengen geregelt werden, macht den Ablauf bei der Regulierung der Luftmenge unvorteilhaft kompliziert und kann die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verschlechtern.
  • Beispielhafte Brennstoffzellensysteme und Steuerverfahren hierfür sind Gegenstand der EP 2 178 148 A1 und der DE 11 2006 002 715 T5 .
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist die Aufgabe der Erfindung die Verbesserung der Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und der Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung während eines Normalbetriebs in einem Brennstoffzellensystem, das dafür ausgelegt ist, die Abwärme einer Brennstoffzelle zum Heizen zu nutzen.
  • Problemlösung
  • Um das genannte Ziel zumindest teilweise zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung verschiedene nachstehend beschriebene Aspekte und Ausführungsformen vor.
  • [1. Aspekt] Ein Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle; einen Betriebs-Controller, der dafür ausgelegt ist, den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern bzw. zu regeln; und einen Klimatisierungsmechanismus bzw. eine Klimaanlage, der bzw. die dafür ausgelegt ist, unter Nutzung von Abwärme aus der Brennstoffzelle ein Heizen bzw. eine Erwärmung durchzuführen, wobei der Betriebs-Controller als Reaktion auf eine Heizforderung an die Klimaanlage während eines Normalbetriebs, wenn die Brennstoffzelle an einem Betriebspunkt auf einer Strom-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle betrieben wird, einen aufgrund eines Wärmewerts geforderten Stromwert mit einem aufgrund einer Ausgangsleistung geforderten Stromwert vergleicht, wobei der aufgrund eines Wärmewerts geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem ein von der Brennstoffzelle geforderter Wärmewert erreicht werden kann, wobei der aufgrund einer Ausgangsleistung geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem eine von der Brennstoffzelle geforderte Ausgangsleistung erreicht werden kann, der Betriebs-Controller bewirkt, dass die Brennstoffzelle an einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie betrieben wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, und wobei der Betriebs-Controller, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, eine auf einen Heizbetrieb abgestellte Steuerung bzw. Regelung bewirkt, bei der der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf einen Betriebspunkt geregelt wird, bei dem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung niedriger ist als der Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle.
  • Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich groß ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, steuert das Brennstoffzellensystem gemäß dem 1. Aspekt den Betriebspunkt der Brennstoffzelle so, dass er auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt. Dadurch werden im Vergleich zu der Gestaltung, bei der der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf einen Betriebspunkt geregelt wird, bei dem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung niedriger ist (d. h. der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung höher ist) als bei dem auf der Strom-Spannung-Kennlinie, die Ausgangsleistung verbessert und der Ablauf vereinfacht. Dementsprechend wird die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verbessert. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich hoch ist wie oder höher ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, ist außerdem die Abwärmemenge der Brennstoffzelle am Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie größer als der geforderte Wärmewert. Durch die Übernahme der Gestaltung des 1. Aspekts kann die Wärmemenge, die der Heizforderung entspricht, durch die Abwärme der Brennstoffzelle erreicht werden, wodurch das Reaktionsvermögen in Bezug auf die Wärmeerzeugung verbessert ist. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, wird der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf den Betriebspunkt gesteuert, dessen Wirkungsgrad in Bezug auf die Leistungserzeugung niedriger ist (d. h. dessen Wirkungsgrad in Bezug auf die Wärmeerzeugung höher ist) als der von dem auf der Strom-Spannung-Kennlinie. Dadurch kann die Wärmemenge, die der Heizforderung entspricht, durch die Abwärme der Brennstoffzelle erreicht werden.
  • Das Brennstoffzellensystem weist ferner auf: Eine Oxidationsgasquelle, die so ausgelegt ist, dass sie ein Oxidationsgas, das für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle verwendet wird, zur Brennstoffzelle liefert; eine Oxidationsgas-Zuleitung, die dafür ausgelegt ist, die Oxidationsgasquelle mit der Brennstoffzelle zu verbinden; eine Kathodenabgas-Ableitung, die dafür ausgelegt ist, Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle abzuführen; eine Umgehungsleitung, die dafür ausgelegt ist, die Oxidationsgas-Zuleitung mit der Kathodenabgas-Ableitung zu verbinden; und ein Drosselventil, das dafür ausgelegt ist, ein Volumenstromverhältnis eines Volumenstroms des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung zur Brennstoffzelle strömt, zu einem Volumenstrom des Oxidationsgases, das aus dem Oxidationsgas, das von der Oxidationsquelle geliefert wird, durch die Oxidationsgas-Zuleitung zur Umgehungsleitung strömt, zu regeln, wobei der Betriebs-Controller die auf einen Heizbetrieb abgestellte Steuerung durchführt, die eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases aus der Oxidationsgasquelle auf eine Zufuhrmenge festlegt, mit welcher der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert erreicht wird, und das Drosselventil so anpasst, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf einen geforderten Betriebspunkt verschoben wird, bei dem es sich um einen Betriebspunkt handelt, mit dem sowohl der geforderte Wärmewert als auch die geforderte Ausgangsleistung erreicht werden.
  • Das Brennstoffzellensystem legt die Zufuhrmenge des Oxidationsgases aus der Oxidationsgasquelle fest und beschränkt dadurch den Einfluss des Reaktionsvermögens der Oxidationsgasquelle. Dadurch werden potentielle Verschlechterungen des Reaktionsvermögens in Bezug auf die Ausgangsleistung und des Reaktionsvermögens in Bezug auf die Wärmeerzeugung auch dann verhindert bzw. beschränkt, wenn die Oxidationsgasquelle ein schlechtes Reaktionsvermögen hat. Die festgelegte Zufuhrmenge des Oxidationsgases wird auf die Zufuhrmenge eingestellt, mit der der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert erreicht wird. Dadurch werden gleichzeitig die Forderung nach einer Verkleinerung des Strombereichs für den Heizbetrieb und die Forderung nach einer Beschränkung des Umfangs, in dem die Zufuhrmenge des Oxidationsgases aus der Oxidationsgasquelle bei einer Umstellung des Betriebs der Brennstoffzelle vom Heizbetrieb auf den normalen Betrieb erhöht wird, erfüllt.
  • [2. Aspekt] Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 1, das ferner aufweist: ein Amperemeter, das so ausgelegt ist, dass es einen Stromwert der Brennstoffzelle misst, wobei der Betriebs-Controller zu Beginn der auf den Heizbetrieb abgestellten Steuerung das Drosselventil anpasst, um einen geringeren Volumenstrom des Oxidationsgases, der geringer ist als ein Volumenstrom des Oxidationsgases, mit dem ein Stromwert des geforderten Betriebspunkts erreicht wird, aus dem Oxidationsgas, das von der Oxidationsquelle geliefert wird, zur Brennstoffzelle zu liefern, der Betriebs-Controller das Drosselventil so anpasst, dass es den Volumenstrom des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, verringert, wenn der Stromwert der Brennstoffzelle, der vom Amperemeter gemessen wird, größer ist als der Stromwert des geforderten Betriebspunkts, und der Betriebs-Controller das Drosselventil so anpasst, dass es den Volumenstrom des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, vergrößert, wenn der Stromwert der Brennstoffzelle, der vom Amperemeter gemessen wird, kleiner ist als der Stromwert des geforderten Betriebspunkts.
  • Auch wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelle nicht auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und wenn der Volumenstrom des Oxidationsgases, das aktuell für den Heizbetrieb gefordert wird, sich dementsprechend vom Volumenstrom des Oxidationsgases, mit dem der Stromwert des geforderten Betriebspunkts erreicht wird, unterscheidet, ändert das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts den Volumenstrom des Oxidationsgases, um den Stromwert der Brennstoffzelle, der vom Amperemeter gemessen wird, dem Stromwert des geforderten Betriebspunkts anzugleichen. Dadurch kann eine angemessene Menge an Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden.
  • [3. Aspekt] Das Brennstoffzellensystem nach einem der Aspekte 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Brennstoffzellentemperatur-Ermittlungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Temperatur der Brennstoffzelle zu ermitteln; und eine Erwärmungsraumtemperatur-Ermittlungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine Erwärmungsraumtemperatur, bei der es sich um eine Temperatur eines Raumes handelt, der das Ziel der Erwärmung durch die Klimaanlage ist, zu ermitteln, wobei der Betriebs-Controller beim Starten der Brennstoffzelle eine Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung durchführt, bei der es sich um eine Steuerung handelt, die den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle unter den einer auf einen Heizbetrieb abgestellten Steuerung senken soll, der Betriebs-Controller einen ersten auf einen Heizbetrieb abgestellten Modus aufweist, der als Reaktion auf eine Heizforderung an die Klimaanlage während der Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung beendet, wenn die Erwärmungsraumtemperatur eine Temperatur erreicht, mit der die Heizforderung erfüllt wird, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle eine vorgegebene Aufheiz-Endtemperatur erreicht hat, der Betriebs-Controller den aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert mit dem aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert vergleicht, der Betriebs-Controller die Brennstoffzelle so steuert, dass sie bei einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie betrieben wird, wenn der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert gleich hoch wie oder höher ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, und der Betriebs-Controller die auf den Heizbetrieb abgestellte Steuerung durchführt, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert.
  • Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts setzt den ersten, auf den Heizbetrieb abgestellten Modus fort, bis die Erwärmungsraumtemperatur die Temperatur erreicht, die die Heizforderung erfüllt. Dadurch kann die Erwärmungsraumtemperatur innerhalb eines kürzeren Zeitraums erhöht werden. Wenn die Erwärmungsraumtemperatur die Temperatur erreicht, die die Heizforderung erfüllt, steuert das Brennstoffzellensystems dieses Aspekts den Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf den Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie oder führt andernfalls die auf den Heizbetrieb abgestellte Steuerung durch. Dadurch wird die Ausgangsleistung erhalten, mit der sowohl der geforderte Wärmewert als auch die geforderte Ausgangsleistung erreicht werden können, wodurch die Reaktionsfähigkeit der Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit der Wärmeerzeugung verbessert werden.
  • [4. Aspekt] Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 3, das ferner aufweist: eine Nutzerschnittstelle, wobei der Betriebs-Controller zusätzlich zum ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus einen zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus aufweist, der als Reaktion auf die Heizforderung an die Klimaanlage während der Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung beendet, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die Aufheiz-Endtemperatur erreicht, und wobei die Nutzerschnittstelle einen Nutzer in die Lage versetzt, den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus zwischen dem ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus und dem zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus auszuwählen.
  • Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts versetzt den Nutzer in die Lage, die Nutzerschnittstelle zu verwenden und während der Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung entweder den ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus oder den zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus als den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus auszuwählen. Durch das Einstellen des ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus kann die Fahrzeug-Innenraumtemperatur beim Starten des Brennstoffzellensystems innerhalb eines kürzeren Zeitraums erhöht werden. Durch das Einstellen des zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus können potentielle Verschlechterungen der Kraftstoffausnutzung und des Reaktionsvermögens in Bezug auf die Ausgangsleistung beim Starten des Brennstoffzellensystems verhindert bzw. beschränkt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt schematisch die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;
  • 2 stellt schematisch das I-Q-Kennfeld und das I-P-Kennfeld dar, die in 1 dargestellt sind;
  • 3 stellt schematisch ein Verfahren zum Einstellen des I-Q-Kennfelds und des I-P-Kennfelds dar;
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Heizsteuerverfahrens ist, das in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird;
  • 5 zeigt die Beziehung zwischen dem geforderten Wärmewert und der Abwärme des Brennstoffzellenstapels;
  • 6 zeigt den auf den Wärmebetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkt, der in Schritt S145 bestimmt wird;
  • 7 zeigt schematisch die Funktionsblöcke des Betriebs-Controllers und Einzelheiten des Ablaufs einer auf einen Aufheizbetrieb abgestellten Steuerung;
  • 8 zeigt die Beziehungen der Zufuhrluftmenge, der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge und der Umgehungsluftmenge zum Stromwert während des Heizsteuerverfahrens.
  • 9 zeigt schematisch Beispiele für Änderungen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels, der Fahrzeug-Innenraumtemperatur und der Abwärmemenge beim Start des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform; und
  • 10 zeigt schematisch das Aussehen eines Elektrofahrzeugs, das mit einem Brermstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform ausgestattet ist.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • A. Erste Ausführungsform
  • A1. Systemaufbau
  • 1 stellt schematisch die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Brennstoffzellensystem 100 verwendet, um Antriebsleistung zu liefern, und ist in einem Elektrofahrzeug eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 100 weist auf: einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Wasserstoffgas-Zuleitung 51, eine Anodenabgas-Ableitung 52, eine Wasserstoffgas-Umgehungsleitung 53, eine Luft-Zuleitung 54, eine Kathodenabgas-Ableitung 55, eine Luft-Umgehungsleitung 56, einen Wasserstofftank 31, ein Sperrventil 42, ein Wasserstoffgas-Zufuhrventil 43, ein Spülventil 46, eine Umwälzpumpe 47, einen Luftkompressor 32, einen Druckregler 45, ein Umgehungsventil 44, einen ersten Kühlmittel-Umwälzweg R1, eine Kühlmittel-Umgehungsleitung 69, einen Temperatursensor 16, einen Kühler 33, ein erstes angetriebenes Gebläse 34, eine erste Kühlmittelpumpe 48, eine Wärmetauschereinheit 35, ein Dreiwegeventil 99, einen zweiten Kühlmittel-Umwälzweg R2, einen Heizkörper 36, ein zweites angetriebenes Gebläse 37, eine zweite Kühlmittelpumpe 49, einen Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 210, ein Amperemeter 15 und eine Steuereinheit 60.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die MEAs (Membran-Elektroden-Anordnungen) aufweisen, aufgebaut ist und durch eine elektrochemische Reaktion von reinem Wasserstoff als Anodengas mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff als Kathodengas an jeweiligen Elektroden eine elektrochemische Reaktion erzeugt.
  • Die Wasserstoffgas-Zuleitung 51 ist als Strömungsweg vorgesehen, der den Wasserstofftank 31 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbindet, und führt Wasserstoffgas, das vom Wasserstofftank 31 geliefert wird, zum Brennstoffzellenstapel 10. Die Anodenabgas-Ableitung 52 ist als Strömungsweg vorgesehen, der Anodenabgas (überschüssiges Wasserstoffgas) von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Die Wasserstoffgas-Umgehungsleitung 53 ist als Strömungsweg vorgesehen, der die Anodenabgas-Ableitung 52 mit der Wasserstoffgas-Zuleitung 51 verbindet und den übrigen Wasserstoff (das von der Reaktion nicht verbrauchte Wasserstoffgas), der aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegeben wird, zur Wasserstoffgas-Zuleitung 51 zurückführt.
  • Die Luft-Zuleitung 54 ist als Strömungsweg vorgesehen, der den Luftkompressor 32 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbindet, und führt die verdichtete Luft, die vom Luftkompressor 32 geliefert wird, zum Brennstoffzellenstapel 10. Die Kathodenabgas-Ableitung 55 ist als Strömungsweg vorgesehen, der Kathodenabgas von den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Im normalen Betriebszustand enthält das Kathodenabgas die überschüssige Luft, die von der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 10 nicht verbraucht worden ist, und Wasser, das von der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird. Im Niedereffizienzbetriebszustand enthält das Kathodenabgas Wasserstoff, der während eines Niedereffizienzbetriebs durch eine in der nachstehend angegebenen Gleichung 1 dargestellte Reaktion in der Kathode erzeugt wird (im Folgenden als „Pumpwasserstoff” bezeichnet), zusätzlich zu der überschüssigen Luft und dem erzeugten Wasser.
  • [Math. 1]
    • 2H+ + 2e– → H2 (1)
  • Die Luft-Umgehungsleitung 56 ist als Strömungsweg vorgesehen, der die Luft-Zuleitung 54 mit der Kathodenabgas-Ableitung 55 verbindet, und führt die Luft, die vom Luftkompressor 32 geliefert wird, zur Kathodenabgas-Ableitung 55, ohne durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu verlaufen.
  • Der Wasserstofftank 31 speichert unter hohem Druck stehendes Wasserstoffgas. Das Sperrventil 42 ist an einer Wasserstoffgas-Abgabeöffnung (nicht dargestellt) des Wasserstofftanks 31 vorgesehen, um die Zufuhr von Wasserstoffgas zuzulassen und zu unterbrechen. Das Wasserstoffgas-Zufuhrventil 43 ist in der Wasserstoffgas-Zuleitung 51 angeordnet, und der Druck und der Volumenstrom von Wasserstoffgas, das zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, werden durch Anpassen der Ventilöffnung geregelt. Das Spülventil 46 wird so betätigt, dass es das Anodenabgas mit Luft mischt (verdünnt) und die Gasmischung in die Atmosphäre entlässt. Die Umwälzpumpe 47 wird betätigt, um zu bewirken, dass Wasserstoffgas von der Anodenabgas-Ableitung 52 durch die Wasserstoffgas-Umgehungsleitung 53 zur Wasserstoffgas-Zuleitung 51 strömt.
  • Der Luftkompressor 32 ist in der Luft-Zuleitung 54 angeordnet, um die angesaugte Außenluft zu verdichten und die verdichtete Luft zum Brennstoffzellenstapel 10 zu liefern. Der Luftkompressor 32 kann beispielsweise ein Kreiselverdichter, der eine Verdichtung durch Drehen eines Flügelrads durchführt, oder ein Axialverdichter sein, der eine Verdichtung durch Drehen einer Rotorschaufel (eines Rotors) durchführt. Der Druckregler 45 wird betätigt, um den Druck (den Gegendruck) auf den Brennstoffzellenstapel 10 zu regulieren. Das Umgehungsventil 44 wird betätigt, um die Luftmenge, die von der Luft-Zuleitung 54 durch die Luft-Umgehungsleitung 56 zur Kathodenabgas-Ableitung 55 strömt, zu regulieren.
  • Der erste Kühlmittel-Umwälzweg R1 ist als Strömungsweg vorgesehen, der reines Wasser als Kühlmittel zirkulieren lässt, um durch den Kühler 33 und die Wärmetauschereinheit 35 Wärme freizusetzen, die während der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt wird (Abwärme). Der erste Kühlmittel-Umwälzweg R1 weist eine erste Kühlmittelleitung 91, eine zweite Kühlmittelleitung 92, eine dritte Kühlmittelleitung 93 und eine vierte Kühlmittelleitung 94 auf.
  • Die erste Kühlmittelleitung 91 verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit dem Kühler 33 und führt das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegebene Kühlmittel zum Kühler 33. Die zweite Kühlmittelleitung 92 verbindet den Kühler 33 mit der Wärmetauschereinheit 35 und der Kühlmittel-Umgehungsleitung 69 und führt das vom Kühler 33 abgegebene Kühlmittel entweder zur Wärmetauschereinheit 35 oder der Kühlmittel-Umgehungsleitung 69. Die dritte Kühlmittelleitung 93 verbindet die Wärmetauschereinheit 35 und die Kühlmittel-Umgehungsleitung 69 mit der ersten Kühlmittelpumpe 48. Die vierte Kühlmittelleitung 94 verbindet die erste Kühlmittelpumpe 48 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 und liefert das von der ersten Kühlmittelpumpe 48 geförderte Kühlmittel zum Brennstoffzellenstapel 10.
  • Die Kühlmittel-Umgehungsleitung 69 verbindet die zweite Kühlmittelleitung 92 mit der dritten Kühlmittelleitung 93 und führt das Kühlmittel aus der zweiten Kühlmittelleitung 92 zur dritten Kühlmittelleitung 93, ohne durch die Wärmetauschereinheit 35 hindurch zu verlaufen. Der Temperatursensor 16 ist in der Nähe des Brennstoffzellenstapels 10 in der ersten Kühlmittelleitung 91 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Temperatur, die vom Temperatursensor 16 erfasst wird, stellvertretend für die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet. Der Kühler 33 ist in der ersten Kühlmittelleitung 91 vorgesehen. Das erste angetriebene Gebläse 34 ist nahe dem Kühler 33 angeordnet, um die Luft zum Kühler zu blasen. Die erste Kühlmittelpumpe 48 bewirkt, dass Kühlmittel von der dritten Kühlmittelleitung 93 zur vierten Kühlmittelleitung 94 strömt. Die Wärmetauschereinheit 35 bewirkt einen Wärmetausch zwischen der Wärme des Kühlmittels, das durch die zweite Kühlmittelleitung 92 strömt, und der Wärme des Kühlmittels, das durch eine siebte Kühlmittelleitung 97 strömt.
  • Das Dreiwegeventil 99 wird betätigt, um das Kühlmittel, das vom Kühler 33 abgegeben wird (d. h. Kühlmittel, das durch die zweite Kühlmittelleitung 92 strömt), zur Wärmetauschereinheit 35 oder zum Kühlmittel-Umgehungsleitung 69 zu führen. Im Brennstoffzellensystem 100 steuert das Dreiwegeventil 99 das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer thermischen Anbindung (eines Wärmetausches über das Kühlmittel) zwischen dem ersten Kühlmittel-Umwälzweg R1 und dem zweiten Kühlmittel-Umwälzweg R2. Genauer wird das Dreiwegeventil 99 verwendet, um das Kühlmittel, das durch die zweite Kühlmittelleitung 92 strömt, zur Wärmetauschereinheit 35 zu führen, um eine thermische Anbindung zwischen dem ersten Kühlmittel-Umwälzweg R1 und dem zweiten Kühlmittel-Umwälzweg R2 zu ermöglichen. Die drei Wege 99 werden außerdem verwendet, um das Kühlmittel, das durch die zweite Kühlmittelleitung 92 strömt, zur Kühlmittel-Umgehungsleitung 69 zu führen, um die thermische Anbindung zwischen dem ersten Kühlmittel-Umwälzweg R1 und dem zweiten Kühlmittel-Umwälzweg R2 zu verhindern.
  • Der zweite Kühlmittel-Umwälzweg R2 ist als Strömungsweg vorgesehen, der reines Wasser als Kühlmittel zirkulieren lässt, um die Wärme, die von der Wärmetauschereinheit 35 erhalten wird, zum Heizkörper 36 zu liefern. Der zweite Kühlmittel-Umwälzweg R2 weist eine fünfte Kühlmittelleitung 95, eine sechste Kühlmittelleitung 96 und die siebte Kühlmittelleitung 97 auf. Die fünfte Kühlmittelleitung 95 verbindet die Wärmetauschereinheit 35 mit dem Heizkörper 36 und liefert das Kühlmittel, das aus der Wärmetauschereinheit 35 abgegeben wird, zum Heizkörper 36. Die sechste Kühlmittelleitung 96 verbindet den Heizkörper 36 mit der zweiten Kühlmittelpumpe 49 und führt das Kühlmittel, das vom Heizkörper 36 abgegeben wird, zur zweiten Kühlmittelpumpe 49. Die siebte Kühlmittelleitung 97 verbindet die zweite Kühlmittelpumpe 49 mit der Wärmetauschereinheit 35 und führt das von der zweiten Kühlmittelpumpe 49 geförderte Kühlmittel zur Wärmetauschereinheit 35.
  • Der Heizkörper 36 wirkt als Wärmetauschereinheit zum Heizen und weist einen Temperaturanstieg aufgrund der Wärme des Kühlmittels, das durch den zweiten Kühlmittels-Umwälzweg R2 strömt, auf. Das zweite angetriebene Gebläse 37 bläst die Luft zum Heizkörper 36, um die warme Luft, die vom Heizkörper 36 erwärmt wird, in das Innere des Fahrzeugs (nicht dargestellt) zu blasen. Die zweite Kühlmittelpumpe 49 bewirkt, dass Kühlmittel von der sechsten Kühlmittelleitung 96 zur siebten Kühlmittelleitung 97 strömt.
  • Der Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 210 ist elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 10 und einem Motor bzw. Elektromotor 200 als Verbraucher verbunden und regelt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10. Das Amperemeter 15 wird verwendet, um den Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen.
  • Die Steuereinheit 60 ist elektrisch mit dem Luftkompressor 32, dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 210, den jeweiligen angetriebenen Gebläsen 34 und 37, den jeweiligen Pumpen 47 bis 49 und den jeweiligen Ventilen 42 bis 46 und 99 verbunden und steuert diese Elemente. Die Steuereinheit 60 ist außerdem elektrisch mit dem Amperemeter 15 und dem jeweiligen Temperatursensor 16 verbunden und empfängt die von diesen Elementen gemessenen Werte.
  • Die Steuereinheit 60 weist eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 61, einen RAM (Schreib-Lese-Speicher) 62 und einen ROM (Nur-Lese-Speicher) 63 auf. Ein (nicht dargestelltes) Steuerprogramm zum Steuern des Brennstoffzellensystems 100 ist im ROM 63 gespeichert. Die CPU 62 führt dieses Steuerprogramm unter Verwendung des RAM 62 aus, um als Betriebs-Controller 61a, als Luftkompressor-Controller 61b, als Ventil-Controller 61c und als Heizungs-Controller 61d zu dienen.
  • Der Betriebs-Controller 61a passt die Menge der Reaktionsgase (der Luft und des Wasserstoffgases), die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert werden, und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 an, um die Leistung zu regeln, die vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgegeben wird. Die Steuerung des Gleichspannung-Gleichspannung-Wandlers 210 ermöglicht eine solche Spannungsanpassung des Brennstoffzellenstapels 10. Die Luftmenge kann durch Regulieren der Drehzahl des Luftkompressors 32 über den Luftkompressor-Controller 61b angepasst werden. Die Menge an Wasserstoffgas kann durch Regulieren der Öffnung des Wasserstoffgas-Zufuhrventils 43 über den Ventil-Controller 61c angepasst werden. Der Betriebs-Controller 61a berechnet außerdem einen vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderten Ausgangsleistungswert auf Basis der Öffnung der Beschleunigereinrichtung und der Fahrzeuggeschwindigkeit (nicht dargestellt).
  • Der Luftkompressor-Controller 61b reguliert die Drehzahl des Luftkompressors 32, um die Menge der zum Brennstoffstapel 10 gelieferten Luft anzupassen. Der Ventil-Controller 61 reguliert die Öffnungen der jeweiligen Ventile 42 bis 46 und 99. Der Heizungs-Controller 61d empfängt die Heizforderung des Nutzers und führt ein später beschriebenes Heizsteuerverfahren aus.
  • Ein Drehzahl-Kennfeld 63a, ein I-Q-Kennfeld 63b, ein I-P-Kennfeld 63c, ein Druckregleröffnungs-Kennfeld 63d und ein Umgehungsventilöffnungs-Kennfeld 63e sind im ROM 63 gespeichert. Das Drehzahl-Kennfeld 63a korreliert die Drehzahl des Flügelrads des Luftkompressors 32 mit der Menge der Luft, die vom Luftkompressor 32 geliefert wird, und kann beispielsweise vorab durch Versuche erstellt und gespeichert werden.
  • 2 stellt schematisch das I-Q-Kennfeld und das I-P-Kennfeld dar, die in 1 dargestellt sind. Die obere Zeichnung von 2 zeigt schematisch das I-Q-Kennfeld 63b, und die untere Zeichnung zeigt schematisch das I-P-Kennfeld 63c. Die obere Zeichnung 2 zeigt den Stromwert als Abszisse und den Wärmewert als Ordinate. Die untere Zeichnung von 2 zeigt den Stromwert als Abszisse und die Ausgangsleistung (Elektrizitätsmenge) als Ordinate.
  • Das I-Q-Kennfeld 63b korreliert den vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderten Wärmewert Qfc mit dem Stromwert I0 des Brennstoffzellenstapels 10, der gefordert ist, um den geforderten Wärmewert Qfc (im Folgenden als „aufgrund des Wärmewerts geforderter Stromwert” bezeichnet) zu erreichen. Das I-P-Kennfeld 63c korreliert die vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderte Ausgangsleistung Pfc mit dem Stromwert Iref des Brennstoffzellenstapels 10, der gefordert ist, um die geforderte Ausgangsleistung Pfc (im Folgenden als „aufgrund der Ausgangsleistung geforderter Stromwert” bezeichnet) zu erreichen.
  • 3 stellt schematisch ein Verfahren zum Einstellen des I-Q-Kennfelds und des I-P-Kennfelds dar. 3 zeigt den Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 als Abszisse und den Spannungswert des Brennstoffzellenstapels 10 als Ordinate. Eine Kurve Lc in 3 ist eine I-V-Kennlinie (Strom-Spannung-Kennlinie) des Brennstoffzellenstapels 10. Eine Kurve Lq ist eine Konstantwärmeerzeugungs-Kurve mit Bezug auf einen bestimmten geforderten Wärmewert Qfc. Eine Kurve Lp ist eine Konstantausgangsleistungs-Kurve mit Bezug auf eine bestimmte geforderte Ausgangsleistung Pfc.
  • Wie in 3 dargestellt ist, entspricht der Stromwert am Schnittpunkt der Konstantwärmeerzeugungs-Kurve (der Kurve Lq) mit der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) dem aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0. Der Stromwert am Schnittpunkt der Konstantausgangsleistungs-Kurve (der Kurve Lp) mit der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) entspricht dem aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert Iref. Das I-Q-Kennfeld 63b kann durch Bestimmen des Stromwerts am Schnittpunkt der Konstantwärmeerzeugungs-Kurve (der Kurve Lq) mit der I-V-Kennlinie (Lc) bei einer Änderung des geforderten Wärmewerts eingestellt werden. Ebenso kann das I-P-Kennfeld 63c durch Bestimmen des Stromwerts am Schnittpunkt der Konstantausgangsleistungs-Kurve (der Kurve Lp) mit der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) bei einer Änderung der geforderten Ausgangsleistung eingestellt werden.
  • Das in 1 dargestellte Druckregleröffnungs-Kennfeld 63d wird verwendet, um die Öffnung des Druckreglers 45 zu bestimmen. Das Druckregler-Öffnungskennfeld 63d wird eingestellt, um die Öffnung des Druckreglers 45 auf Basis der Luftmenge Abp, die durch das Umgehungsventil 44 strömt (im Folgenden als „Umgehungsluftmenge” bezeichnet, und die Luftmenge Afc, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird (im Folgenden als „FC-bedarfsgemäße Luftmenge” bezeichnet), aus der Luftmenge Aac, die vom Luftkompressor 32 geliefert wird (im Folgenden als „Zufuhrluftmenge” bezeichnet), eindeutig zu bestimmen. Das Umgehungsventil-Öffnungskennfeld 63e wird verwendet, um die Öffnung des Umgehungsventils 44 zu bestimmen. Ebenso wie das Druckregleröffnungs-Kennfeld 63d wird das Umgehungsventilöffnungs-Kennfeld 63e eingestellt, um die Öffnung des Umgehungsventils 44 auf Basis der Umgehungsluftmenge Abp und der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc eindeutig zu bestimmen.
  • Im Brennstoffzellensystem 100, das aufgebaut ist wie oben beschrieben, wird als Reaktion auf eine Heizforderung während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels 10 das später beschriebene Heizsteuerverfahren durchgeführt, um das Reaktionsvermögen in Bezug auf die Ausgangsleistung und das Reaktionsvermögen in Bezug auf die Wärmeerzeugung zu verbessern. Gemäß dieser Ausführungsform bedeutet „Normalbetrieb” des Brennstoffzellenstapels 10, dass der Brennstoffzellenstapel 10 mit ausreichender Zufuhr an Reaktionsgasen betrieben wird, so dass der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 auf der I-V-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 10 liegt. Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung bedeutet die Fähigkeit, den geforderten Wärmewert als Reaktion auf eine Forderung nach Wärmeerzeugung zu erreichen, oder die Kürze eines Zeitraums bis zum Erreichen des geforderten Wärmewerts als Reaktion auf eine Forderung nach Wärmeerzeugung.
  • Der oben beschriebene Luftkompressor 32 entspricht der Oxidationsgasquelle in den Ansprüchen. Das Umgehungsventil 44 und der Druckregler 45, die oben beschrieben sind, entsprechen dem Drosselventil in den Ansprüchen.
  • A2. Heizsteuerverfahren
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Heizsteuerverfahrens zeigt, das im Brennstoffzellensystem durchgeführt wird. Das Heizsteuerverfahren beginnt als Reaktion auf die Heizungsforderung des Nutzers während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 100 mit einer Temperaturvorgabe. Zu Beginn des Heizsteuerverfahrens sind der erste Kühlmittel-Umwälzweg R1 und der zweite Kühlmittel-Umwälzweg R2 miteinander verbunden.
  • Der Heizungs-Controller 61d ermittelt einen vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderten Ausgangsleistungswert (Schritt S100). Der Betriebs-Controller 61a berechnet geforderte Energien für den Elektromotor 200 und für Hilfsmaschinen (z. B. einen Luftkompressor 32) auf Basis der Öffnung der Beschleunigungseinrichtung und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Heizungs-Controller 61d ermittelt diese geforderten Energien als den vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderten Ausgangsleistungswert vom Betriebs-Controller 61a.
  • Der Heizungs-Controller 61d bestimmt einen vom Brennstoffzellenstapel geforderten Wärmewert (Schritt S105). Der vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderte Wärmewert wird als Summe des Wärmewerts, der gefordert wird, um die Temperatur des Heizkörpers 36 anzuheben, und des Wärmewerts, der gefordert wird, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 aufrechtzuerhalten, erhalten. Der Wärmewert, der gefordert wird, um die Temperatur des Heizkörpers 36 anzuheben, kann anhand eines bekannten Verfahrens auf Basis der vom Nutzer vorgegebenen Temperatur des Fahrzeug-Innenraums, der Außenlufttemperatur, der Ventilationsrate (der Nutzungsrate der Innenluft zur Außenluft), der Menge an Sonneneinstrahlung und der Menge an durch Fenster nach außen gelassener Wärme bestimmt werden. Der Wärmewert, der gefordert wird, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 aufrechtzuerhalten, kann anhand eines bekannten Verfahrens auf Basis der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und der Außenlufttemperatur bestimmt werden.
  • Der Heizungs-Controller 61d bestimmt einen Betriebsmodus-Wechselstromwert Is des Brennstoffzellenstapels 10 (Schritt S110). Im Brennstoffzellensystem 100 sind ein Normalbetriebsmodus und ein auf einen Heizbetrieb abgestellter Modus als die Betriebsmodi des Brennstoffzellenstapels 10 während des Heizsteuerverfahrens vorgesehen. Der Betriebsmodus wird gemäß dem Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 gewechselt wie nachstehend beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 100 verwendet den aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0 als Wechselstromwert Is. Der Heizungs-Controller 61d nimmt somit Bezug auf das I-Q-Kennfeld 63b, um den Wechselstromwert Is (d. h. den aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0) auf Basis des geforderten Wärmewerts Qfc, der in Schritt S105 bestimmt worden ist, zu bestimmen.
  • Der Heizungs-Controller 61d bestimmt einen Normalbetriebspunkt (Schritt S115). Normalbetriebspunkt bedeutet einen Betriebspunkt, der vom Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10, mit dem der geforderte Ausgangsleistungswert (der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref) erreicht wird, und vom Spannungswert des Brennstoffzellenstapels 10, mit dem der geforderte Ausgangsleistungswert erreicht wird (im Folgenden als „aufgrund der Ausgangsleistung geforderter Spannungswert Vref” bezeichnet), definiert wird. Der Heizungs-Controller 61d fragt den geforderten Ausgangswert vom Betriebs-Controller 61a ab, nimmt Bezug auf das I-P-Kennfeld 63c, um den aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert Iref auf Basis des abgefragten geforderten Ausgangsleistungswerts zu bestimmen, und dividiert den geforderten Ausgangsleistungswert durch den bestimmten aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert Iref, um den aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Spannungswert Vref zu bestimmen.
  • Der Heizungs-Controller 61d bestimmt dann, ob der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref, der in Schritt S115 bestimmt worden ist, kleiner ist als der Wechselstromwert Is, der in Schritt S110 bestimmt wird (Schritt S120).
  • 5 zeigt die Beziehung zwischen dem geforderten Wärmewert und der Abwärme des Brennstoffzellenstapels. Die obere Zeichnung von 5 zeigt die Beziehung zwischen dem geforderten Wärmewert und der Abwärme des Brennstoffzellenstapels, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0. Die untere Zeichnung von 5 zeigt die Beziehung zwischen dem geforderten Wärmewert und der Abwärme des Brennstoffzellenstapels, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0. Die Abszisse und die Ordinate von 5 sind der Abszisse und der Ordinate von 3 gleich. Eine Kurve Lq1 in sowohl der oberen Zeichnung als auch der unteren Zeichnung von 5 ist eine Konstantwärmeerzeugung-Kurve in Bezug auf den geforderten Wärmewert, der einem Wärmewert Qfc1 gleich ist. Eine Kurve Lp1 in der oberen Zeichnung von 5 ist eine Konstantausgangsleistung-Kurve mit Bezug auf einen geforderten Ausgangsleistungswert Pfc1, und eine Kurve Lp2 in der unteren Zeichnung von 5 ist eine Konstantausgangsleistungskurve mit Bezug auf eine geforderte Kurve Pfc2. Eine Kurve Lc in sowohl der oberen Zeichnung als auch der unteren Zeichnung von 5 ist eine I-V-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 10. Eine theoretische elektromotorische Kraft Vth, die von einer aus kurzen und langen strichen gebildeten Linie sowohl in der oberen Zeichnung als auch der unteren Zeichnung von 5 dargestellt ist, stellt eine Spannung dar, die durch Multiplizieren der maximalen elektromotorischen Kraft pro Einheitszelle (beispielsweise 1,23 V) mit der Anzahl der Zellen, die im Brennstoffzellenstapel 10 enthalten sind, berechnet wird.
  • Wenn beispielsweise, wie in der oberen Zeichnung von 5 dargestellt ist, die geforderte Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 dem Ausgangsleistungswert Pfc1 gleich ist, der von der Kurve Lp1 dargestellt wird, dann ist der Betriebspunkt während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels 10 ein Betriebspunkt p11 als Schnittpunkt der Kurve Lc und der Kurve Lp1. Der Stromwert und der Spannungswert an diesem Betriebspunkt sind Iref(1) bzw. Vref(1). Eine Abwärmemenge Qp während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 beim Betriebspunkt p11 ist die Wärmemenge, die einem Bereich entspricht, der von den durchgezogenen Linien in der oberen Zeichnung von 5 dargestellt ist, und wird durch die nachstehend angegebene Gleichung 2 ausgedrückt:
  • [Math. 2]
    • Qp = Iref(1)·(Vth – Vref(1)) (2)
  • Wenn der geforderte Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels 10 (dessen Betriebspunk auf der I-V-Kennlinie liegt) die Wärmemenge Qfc1 ist, die von der Kurve Lq1 dargestellt wird, ist der Betriebspunkt, bei dem der geforderte Wärmewert erreicht wird, ein Betriebspunkt p21 (I0(1), V0(1)) als Schnittpunkt der Kurve Lc und der Kurve Lq1. In dieser Situation ist ein geforderter Wärmewert Qq die Wärmemenge, die einem Bereich entspricht, der von den unterbrochenen Linien in der oberen Zeichnung von 5 dargestellt wird, und wird durch die nachstehend angegebene Gleichung 3 ausgedrückt:
  • [Math. 3]
    • Qq = I0(1)·(Vth – V0(1)) (3)
  • Wenn der Stromwert beim Betriebspunkt p11, d. h. der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref(1) gleich ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0(1), ist, wie in der oberen Zeichnung von 5 dargestellt ist, die Abwärmemenge Qp gleich groß wie oder größer als der geforderte Wärmewert Qq. Der Grund dafür ist, dass aufgrund der I-V-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 10 (d. h. der Form der Kurve Lc) der Spannungswert umso niedriger ist, je höher der Stromwert ist. In diesem Fall ermöglicht die Verschiebung des Betriebspunkts des Brennstoffzellenstapels 10 entlang der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) zum Betriebspunkt p11 als dem Soll-Betriebspunkt eine ausreichende Zufuhr des Wärmewerts Qq durch die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Wenn der vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderte Wärmewert dem geforderten Wärmewert Qq in der oberen Zeichnung von 5 gleich ist, wenn der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert dem Stromwert I0(1) gleich ist und wenn die vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderte Ausgangsleistung dem Ausgangsleistungswert Pfc2 gleich ist, der von der Kurve Lp2 dargestellt wird, dann ist der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 während eines Normalbetriebs ein Betriebspunkt p21 (Iref(2), Vref(2)) als Schnittpunkt der Kurve Lc und der Kurve Lp2, wie in der unteren Zeichnung von 5 dargestellt ist. Die Abwärmemenge Qp während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 beim Betriebspunkt p21 ist die Wärmemenge, die einem Bereich entspricht, der von den durchgezogenen Linien in der unteren Zeichnung von 5 dargestellt ist, und wird durch die nachstehend angegebene Gleichung 4 ausgedrückt:
  • [Math. 4]
    • Qp = Iref(2)·(Vth – Vref(2)) (4)
  • Wenn der Stromwert beim Betriebspunkt p21, d. h. der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref(2) kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0(1), ist die Abwärmemenge Qp kleiner als der geforderte Wärmewert Qq, wie in der unteren Zeichnung von 5 dargestellt ist. Der Grund dafür ist die I-V-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 10. In diesem Fall wird durch die Verschiebung des Betriebspunkts des Brennstoffzellenstapels 10 entlang der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) zum Betriebspunkt p21 der geforderte Wärmewerts Qq durch die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 nicht erreicht.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 stellt somit den aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0 auf den Wechselstromwert Is ein und vergleicht in Schritt S120 den aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert Irf mit dem Wechselstromwert Is (dem aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0). Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der Wechselstromwert Is (der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0), wird der Normalbetrieb durchgeführt, um den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 entlang der I-V-Kennlinie zu verschieben, wie nachstehend beschrieben. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der Wechselstromwert Is (der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0), wird dagegen der nachstehend beschriebene Heizbetrieb durchgeführt, um den geforderten Wärmewert zu erreichen.
  • Wenn bestimmt wird, dass der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der Wechselstromwert Is (Schritt S120: NEIN), steuert der Heizungs-Controller 61d den Betriebs-Controller 61a, um eine Normalbetriebssteuerung durchzuführen (Schritt S125), und führt anschließend eine Heizsteuerung durch (Schritt S130). Bei der Normalbetriebssteuerung reguliert der Betriebs-Controller 61a die Zufuhrmengen der Reaktionsgase und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, um den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 vom aktuellen Betriebspunkt zum Normalbetriebspunkt zu verschieben, der in Schritt S115 bestimmt wird. Bei der Heizsteuerung reguliert der Heizungs-Controller 61d den Volumenstrom der zweiten Kühlmittelpumpe 49 und die Drehzahl des zweiten angetriebenen Gebläses 37, um die Wärmemenge, die über das Kühlmittel zum Heizkörper 36 geliefert wird, zu regeln und dadurch den Fahrzeug-Innenraum auf eine vorgegebene Temperatur aufzuwärmen bzw. aufzuheizen.
  • Nach dem Schritt S130 bestimmt der Heizungs-Controller 61d, ob keine Heizungsforderung gestellt wird (Schritt S135). Wenn eine Heizungs-Forderung gestellt wird, kehrt der Verfahrensablauf zu Schritt S100 zurück. Wenn keine Heizungsforderung gestellt wird, wird das Heizsteuerverfahren beendet. In einem nächsten oder anschließenden Zyklus des Heizsteuerverfahrens von Schritt S100 und besteht die Möglichkeit, dass der geforderte Wärmewert mit einer Änderung der vorgegebenen Temperatur gegenüber derjenigen im vorangehenden Zyklus geändert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die geforderte Ausgangsleistung gegenüber derjenigen im vorangehenden Zyklus geändert wird, beispielsweise mit einer Änderung des Niederdrückens der Beschleunigungseinrichtung. Im nächsten oder anschließenden Zyklus besteht somit eine Möglichkeit, dass in Schritt S120 bestimmt wird, dass der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der Wechselstromwert Is.
  • Wenn bestimmt wird, dass der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der Wechselstromwert Is (Schritt S120: JA), bestimmt der Heizungs-Controller 61d einen Soll-Betriebspunkt während des Heizbetriebs, der nachstehend beschrieben ist (im Folgenden als „auf einen Heizbetrieb abgestellter Soll-Betriebspunkt”) (Schritt S145). Genauer wird der Betriebspunkt, mit dem sowohl der geforderte Wärmewert als auch die geforderte Ausgangsleistung erreicht werden kann, als der auf einen Heizbetrieb abgestellte Soll-Betriebspunkt definiert. Der auf einen Heizbetrieb abgestellte Soll-Betriebspunkt entspricht dem geforderten Betriebspunkt in den Ansprüchen.
  • 6 zeigt den auf den Wärmebetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkt, der in Schritt S145 bestimmt wird Die Abszisse und die Ordinate von 6 sind der Abszisse und der Ordinate von 5 gleich. Die Kurven Lc, Lp2 und Lq1 von 6 sind den Kurven Lc, Lp2 und Lq1, die in der unteren Zeichnung von 5 dargestellt sind, gleich. Wenn die vom Brennstoffzellenstapel 10 geforderte Ausgangsleistung Pfc der Ausgangsleistungswert ist, der von der Kurve Lp2 dargestellt wird, und wenn der geforderte Wärmewert Qfc die Wärmemenge ist, die von der Kurve Lq1 dargestellt wird, bestimmt der Betriebs-Controller 61a einen Betriebspunkt P2 (Iref', Vref'), der der Schnittpunkt der beiden Kurven Lp2 und Lq1 ist, als den auf einen Heizbetrieb abgestellten Betriebspunkt. Genauer bestimmt der Betriebs-Controller 61a einen Stromwert Iref' gemäß der nachstehend angegebenen Gleichung 5 und bestimmt anschließend eine Spannungswert Vref' gemäß der nachstehend angegebenen Gleichung 6 unter Verwendung des bestimmten Stromwerts Iref':
  • [Math. 5]
    • Iref' = (Qfc + Pfc)/Vth (5)
  • [Math. 6]
    • Vref' = Pfc/Iref'(6)
  • Nach der Bestimmung des auf einen Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts in Schritt S145 steuert der Heizungs-Controller 61d den Betriebs-Controller 61a, um eine auf einen Heizbetrieb abgestimmte Steuerung durchzuführen (Schritt S150), und führt anschließend eine Heizsteuerung durch (S155). Der Ablauf in Schritt S155 ist dem Ablauf in Schritt S130 gleich.
  • 7 zeigt schematisch die Funktionsblöcke des Betriebs-Controllers und Einzelheiten des Ablaufs einer auf einen Heiz-Aufwärmbetrieb abgestellten Steuerung. Wie in 7 dargestellt ist, weist der Betriebs-Controller 61a einen FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator 71, einen Luftkompressor-Volumenstromkalkulator 81, einen Wandlerspannungskalkulator 98, eine Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72, eine Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung 82, eine Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74, eine Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73, eine Umgehungsventilöffnungs-Meldeeinrichtung 83 und eine Luftkompressorvolumenstrom-Meldeeinrichtung 84 auf.
  • Der FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator 71 ist ein Funktionsblock, der die Luftmenge berechnet, die vom Brennstoffzellenstapel 10 während eines Heizbetriebs benötigt wird (die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc). Der Luftkompressor-Volumenstromkalkulator 81 ist ein Funktionsblock, der die Zufuhrluftmenge Aac berechnet. Der Wandlerspannungs-Controller 98 ist ein Funktionsblock, der den Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler steuert und dadurch die Spannung der Brennstoffzelle 10 regelt. Die Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 ist ein Funktionsblock, der die Öffnung des Druckreglers 45 auf Basis des Druckregleröffnungs-Kennfelds 63d bestimmt. Die Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung 82 ist ein Funktionsblock, der die Öffnung des Umgehungsventils 44 auf Basis des Umgehungsventilöffnungs-Kennfelds 63e bestimmt.
  • Die Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 ist ein Funktionsblock zur Bestimmung eines Korrekturumfangs (Regelungsumfangs) der Öffnung des Druckreglers 45, die von der Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 auf Basis des Unterschieds zwischen dem FC-bedarfsgemäßen Stromwert (d. h. dem Stromwert Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts) und des gemessenen Stromwerts, der vom Amperemeter 15 gemeldet wird, bestimmt wird. Die Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73 ist ein Funktionsblock zur Bestimmung einer Soll-Öffnung des Druckreglers 45 durch Addieren der Öffnung des Druckreglers 45, die von der Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 bestimmt wird, und dem Regelungsumfang, der von der Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 bestimmt wird, und zur Meldung der bestimmten Soll-Öffnung an den Ventil-Controller 61c. Die Umgehungsventilöffnungs-Meldeeinrichtung 83 ist ein Funktionsblock, der die Öffnung des Umgehungsventils 44, die von der Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt wird, an den Ventil-Controller 61c meldet. Die Luftkompressorvolumenstrom-Meldeeinrichtung 84 ist ein Funktionsblock, der die Zufuhrluftmenge Aac, die vom Luftkompressor-Volumenstromkalkulator 81 berechnet wird, an den Luftkompressor-Controller 61b meldet.
  • Der FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator 71 berechnet die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc gemäß der nachstehend angegebenen Gleichung 7 unter Verwendung des Stromwerts Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts, der in Schritt S145 bestimmt wird. In Gleichung 7 stellt eine Konstante „n” die Anzahl der Einheitszellen dar, die im Brennstoffzellenstapel 10 enthalten sind; ist eine Konstante „22,4” ein Faktor zur Umwandlung der Luftmenge (Mol) in Volumen (Liter); ist eine Konstante „60” ein Faktor zur Umwandlung der Minute in die Sekunden; ist eine Konstante „96500” eine Faraday-Konstante; und ist eine Konstante „0,21” die Sauerstoffgehaltsrate in der Luft. Wie in Gleichung 7 dargestellt ist, wird eine Konstante „1,0” als stöchiometrisches Luftverhältnis zur Berechnung der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc verwendet:
  • [Math. 7]
    • Afc = Iref'· n·22.4·60 / 4·96500·0.21·(stöchiometrisches Luftverhältnis 1,0) (7)
  • Der Luftkompressorvolumenstrom-Kalkulator 81 berechnet die Zufuhrluftmenge Aac gemäß der nachstehend angegebenen Gleichung 8 unter Verwendung des Wechselstromwerts Is (des aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwerts I0), der in Schritt S110 bestimmt wird. Die Werte der jeweiligen Konstanten, die in Gleichung 8 verwendet werden, sind mit denen der entsprechenden Konstanten in Gleichung 7 identisch, außer dem stöchiometrischen Luftverhältnis. Das stöchiometrische Luftverhältnis, das zum Berechnen der Zufuhrluftmenge Aac verwendet wird, ist ein als das stöchiometrische Luftverhältnis während eines Normalbetriebs vorgegebener Wert. In Gleichung 8 wird ein Wert „1,4” als das stöchiometrische Luftverhältnis während eines Normalbetriebs verwendet. Es kann jedoch jeder andere Wert als das stöchiometrische Luftverhältnis verwendet werden.
  • [Math. 8]
    • Aac = Is· n·22.4·60 / 4·96500·0.21·(stöchiometrisches Luftverhältnis 1,4) (8)
  • Die Luftkompressorvolumenstrom-Meldeeinrichtung 84 steuert den Luftkompressor 32 über den Luftkompressor-Controller 61b, um die Zufuhrluftmenge Aac, die berechnet wird wie oben beschrieben, zu liefern. Wie in der oben angegebenen Gleichung 8 dargestellt ist, ist der Stromwert, der zum Berechnen der Zufuhrluftmenge Aac verwendet wird, der Wechselstromwert Is, d. h. der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0. Der Luftkompressor 32 liefert demgemäß die Luft unter der Annahme, dass der Soll-Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 nicht der auf den Heizbetrieb abgestellte Soll-Betriebspunkt (der Betriebspunkt P2 in 6) ist, sondern der Schnittpunkt der I-V-Kennlinie (der Kurve Lc) und der Konstantwärmeerzeugung-Kurve in Bezug auf den geforderten Wärmewert Qfc (Kurve Lq1) (Betriebspunkt P1 (I0, V0) in 6). In diesem Fall ist der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0 größer als der Stromwert Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts, so dass die Zufuhrluftmenge Aac größer ist als die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc.
  • Die Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 berechnet die Umgehungsluftmenge Abp durch Subtrahieren der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc, die vom FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator 71 berechnet wird, von der Zufuhrluftmenge Aac, die vom Luftkompressor-Volumenstromkalkulator 81 berechnet wird, nimmt Bezug auf das Druckregleröffnungs-Kennfeld 63d, um die Öffnung des Druckreglers 45 auf Basis der Umgehungsluftmenge Abp und der errechneten FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc zu bestimmen, und meldet die bestimmte Öffnung an die Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73. Die Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73 bestimmt die Öffnung des Druckreglers 45 auf Basis der Öffnung, die von der Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 gemeldet wird, und des Öffnungskorrekturwerts, der von der Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 gemeldet wird, und meldet die bestimmte Öffnung an den Ventil-Controller 61c, der in 1 dargestellt ist. Im Anfangsstadium gibt es keinen Öffnungskorrekturwert, der von der Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 gemeldet wird, so dass die Öffnung des Druckreglers 45 auf die Öffnung geregelt wird, die von der Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung 72 bestimmt wird.
  • Die Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 führt einen Vergleich zwischen dem vom Amperemeter 15 gemessenen Stromwert und dem FC-bedarfsgemäßen Stromwert (dem Stromwert Iref)' und eine Bestimmung des Öffnungskorrekturwerts des Druckreglers 45 in regelmäßigen Intervallen durch und meldet den bestimmten Öffnungskorrekturwert an die Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73. Genauer speichert eine (nicht dargestellte) Tabelle, die im ROM 63 gespeichert ist, die Einstellungen des Korrekturwerts, der mit dem Stromwertunterschied zwischen dem gemessenen Stromwert und dem Stromwert Iref' korreliert ist. Die Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung 74 nimmt Bezug auf diese Tabelle, um den Korrekturwert zu bestimmen, und meldet den bestimmten Korrekturwert an die Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung 73. Wenn in der Tabelle, in der die Einstellungen des Korrekturwerts gespeichert sind, der mit dem Stromwertunterschied zwischen dem gemessenen Stromwert und dem Stromwert Iref' korreliert ist, der gemessene Stromwert kleiner ist als der Stromwert Iref', wird der Korrekturwert so eingestellt, dass die Öffnung des Druckreglers 45 vergrößert wird, und wird so eingestellt, dass die Öffnung umso größer ist, je größer der Stromwertunterschied ist. Wenn der gemessene Stromwert größer ist als der Stromwert Iref', wird der Korrekturwert so eingestellt, dass die Öffnung des Druckreglers 45 verkleinert wird, und wird so eingestellt, dass die Öffnung umso kleiner ist, je größer der Stromwertunterschied ist. Die Öffnung des Druckreglers 45 wird auf Basis des auf diese Weise eingestellten Korrekturwerts so geregelt, dass der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 auf den auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkt (den Betriebspunkt P2 (Iref', Vref'), der in 6 dargestellt ist, geregelt wird.
  • Die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc wird aus folgenden Gründen nicht auf eine theoretische Luftmenge eingestellt, mit der der Stromwert Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts erreicht wird (auf die theoretische Luftmenge beim stöchiometrischen Luftverhältnis 1,4), sondern auf die Luftmenge beim stöchiometrischen Luftverhältnis 1,0 (die Luftmenge, die kleiner ist als die theoretische Luftmenge) eingestellt und anschließend über eine Feedback-Regelung angepasst. Das vorbestimmte stöchiometrische Luftverhältnis („1,4” in dieser Ausführungsform) ist ein vorgegebener Wert, mit dem die Luftmenge, die für jede Einheitszelle während eines Normalbetriebs gefordert ist, wenn der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 auf der I-V-Kennlinie liegt, geliefert wird. In der Situation, wo der Betriebspunkt nicht auf der I-V-Kennlinie liegt, sondern eine Konzentrationsüberspannung bewirkt wie im Heizbetrieb, kann die Verwendung des stöchiometrischen Luftverhältnisses, das unter der Voraussetzung eines Normalbetriebs eingestellt worden ist, dazu führen, dass keine angemessene Luftmenge als die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc geliefert werden kann (dass eine zu große Luftmenge geliefert wird). Die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc wird somit zu Anfang auf einen relativ kleinen Wert eingestellt, wobei das stöchiometrische Luftverhältnis auf 1,0 eingestellt wird. Der Druckregler 45 wird dann reguliert, um zu bewirken, dass der gemessene Stromwert sich dem Stromwert Iref' des Soll-Betriebspunkts nähert, um eine angemessene Luftmenge als FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc zu liefern.
  • Die Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung 82 berechnet die Umgehungsluftmenge Abp durch Subtrahieren der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc, die vom FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator 71 berechnet wird, von der Zufuhrluftmenge Aac, die vom Luftkompressor-Volumenstromkalkulator 81 berechnet wird, nimmt Bezug auf das Umgehungsventilöffnungs-Kennfeld 63e, um die Öffnung des Umgehungsventils 44 auf Basis der errechneten Umgehungsluftmenge Abp und der errechneten FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc zu bestimmen, und meldet die bestimmte Öffnung an die Umgehungsventilöffnungs-Meldeeinrichtung 83. Die Umgehungsventilöffnungs-Meldeeinrichtung 83 bestimmt die Öffnung des Umgehungsventils 44 auf Basis der Öffnung, die von der Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung 82 gemeldet wird, und meldet die bestimmte Öffnung an den Ventil-Controller 61c, der in 1 dargestellt ist. Die Öffnung des Umgehungsventils 44 wird somit auf die Öffnung geregelt, die von der Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung 82 bestimmt wird.
  • Der Wandlungsspannungs-Controller 98 meldet den Spannungswert Vref' des in Schritt S145 bestimmten auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts an den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 210. Der Gleichspannungs-Gleichspannungswandler 210 regelt dann die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, um den Spannungswert Vref' zu erreichen.
  • Zurück zu 4 – nach Durchführung der Heizsteuerung (Schritt S155) bestimmt der Heizungs-Controller 61d, ob keine Heizungsforderung gestellt ist (Schritt S160). Wenn eine Heizungs-Forderung gestellt ist, kehrt der Verfahrensablauf zu Schritt S100 zurück. Wenn keine Heizungsforderung gestellt ist, wird das Heizsteuerverfahren beendet.
  • 8 zeigt die Beziehungen der Zufuhrluftmenge, der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge und der Umgehungsluftmenge zum Stromwert während des Heizsteuerverfahrens. Die untere Zeichnung von 8 zeigt die Beziehungen der Zufuhrluftmenge Aac, der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc und der Umgehungsluftmenge Abp zum Stromwert während des Heizsteuerverfahrens. Um die Erklärung zu vereinfachen, ist die obere Zeichnung von 8 eine Kopie von 6.
  • Die untere Zeichnung von 8 zeigt den Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 als Abszisse und den Luftvolumenstrom als Ordinate. In der unteren Zeichnung von 8 zeigt eine dicke durchgezogene Kurve die vom Luftkompressor 32 gelieferte Luftmenge Aac, und eine dicke Kurve aus einer unterbrochenen Linie zeigt die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc. Wenn der Stromwert gleich groß ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0 (der Wechselstromwert Is), ist die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc der Zufuhrluftmenge Aac gleich. In der unteren Zeichnung von 8 zeigt eine Kurve LI aus langen und kurzen Strichen die Beziehung zwischen dem Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 und der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc beim stöchiometrischen Luftverhältnis 1,0 während eines Normalbetriebs. In der unteren Zeichnung von 8 zeigt eine Kurve Lh aus langen und doppelten kurzen Strichen die Beziehung zwischen dem Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 und der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc beim stöchiometrischen Luftverhältnis 1,4 während eines Normalbetriebs.
  • Wenn der Stromwert des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0 (der Wechselstromwert Is), d. h. während des Heizbetriebs, ist die Zufuhrluftmenge Aac unabhängig von der Höhe des Stromwerts des Brennstoffzellenstapels 10 auf eine Luftmenge Aq1 festgelegt, wie in der unteren Zeichnung von 8 dargestellt. Der Grund dafür ist wie folgt. In der Situation, dass die Zufuhrmenge Aac auf die Luftmenge Aq1 festgelegt ist, besteht keine Notwendigkeit für eine Änderung der Zufuhrluftmenge Aac am Soll-Betriebspunkt, der nicht größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0 (der Wechselstromwert Is). Infolgedessen hat das Reaktionsvermögen des Luftkompressors 32 nur einen begrenzten Einfluss, wenn eine Notwendigkeit besteht, die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc mit einer Änderung des Soll-Betriebspunkts zu ändern. Dadurch werden die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 auch dann verbessert, wenn der Luftkompressor 32 ein schlechtes Reaktionsvermögen aufweist. Auch wenn beispielsweise die Beschleunigungseinrichtung während eines Heizbetriebs weiter niedergedrückt wird, ermöglicht dies eine Erhöhung der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge unter Beibehaltung einer unveränderten Drehzahl des Luftkompressors 32, wodurch die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verbessert wird.
  • Die Zufuhrluftmenge Aac wird aus dem folgenden Grund auf die Luftmenge Aq1 beim Betriebspunkt der I-V-Kennlinie festgelegt, der den Stromwert aufweist, der dem aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwerts I0 gleich ist. Die Festlegung der Zufuhrluftmenge Aac auf die Luftmenge, mit der der Stromwert erreicht werden kann, der höher ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, erweitert den Stromwertebereich für den Heizbetrieb. Dadurch besteht eine größere Möglichkeit zur Durchführung der auf den Heizbetrieb abgestellten Steuerung, bei der es sich um eine Steuerung handelt, die komplexer ist als die Normalbetriebssteuerung. Dies kann die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verschlechtern. Wenn die Zufuhrluftmenge Aac auf die Luftmenge festgelegt wird, die der Drehzahl entspricht, mit der der Stromwert erreicht werden kann, der kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, ist andererseits der Umfang der Erhöhung der Drehzahl des Luftkompressors 32 bei der Verschiebung des Betriebs vom Heizbetrieb auf den Normalbetrieb mit einer Erhöhung der geforderten Ausgangsleistung größer. In diesem Fall führt eine schlechte Reaktionsfähigkeit des Luftkompressors 32 zu einer schlechten Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Regulierung der Luftmenge. Dies kann die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verschlechtern. Durch Festlegen der Zufuhrluftmenge Aac auf die Luftmenge Aq1 beim Betriebspunkt der I-V-Kennlinie mit dem Stromwert, der dem aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert I0 gleich ist, werden gleichzeitig die Forderung nach Verkleinerung des Stromwertebereichs für den Heizbetrieb und die Forderung nach Begrenzung des Umfangs der Erhöhung der Drehzahl des Luftkompressors 32 (d. h. des Umfangs der Vergrößerung der Zufuhrluftmenge Aac) bei der Verschiebung des Betriebs vom Heizbetrieb in den Normalbetrieb erfüllt.
  • Wie in der unteren Zeichnung von 8 dargestellt ist, ist bei Beginn des Heizbetriebs die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc einer Luftmenge Aq2 an einem Punkt P31 auf der Linie LI gleich, während die Umgehungsluftmenge Apb dem Unterschied in der Luftmenge zwischen der Luftmenge Aq1 und der Luftmenge Aq2 gleich ist. Wenn der Stromwert des Soll-Betriebspunkts während des Heizbetriebs größer wird, wird die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc allmählich größer und entfernt sich von der Linie LI beim stöchiometrischen Verhältnis 1,0. Wenn der Soll-Stromwert nicht kleiner ist als der Wechselstromwert (der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0), wird die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc der Zufuhrluftmenge Aac gleich.
  • Während des Heizbetriebs wird bei der Konzentrationsüberspannung Pumpwasserstoff an der Kathode jeder Einheitszelle erzeugt. Während eines Aufwärmbetriebs beim Starten ist der geforderte Wärmewert hoch (beispielsweise 90 kW), was dazu führt, dass eine große Menge an Pumpwasserstoff erzeugt wird. Die Umgehungsluftmenge Abp muss daher unter Berücksichtigung der Luftmenge bestimmt werden, die verwendet wird, um den Pumpwasserstoff zu verdünnen. Andererseits liegt eine niedrige Wärmewertforderung aufgrund einer Heizungsforderung (beispielsweise 5 kW) vor, was dazu führt, dass eine kleine Menge an Pumpwasserstoff erzeugt wird. Somit kann der Pumpwasserstoff durch Subtrahieren der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc von der Zufuhrluftmenge Aac (d. h. der Umgehungsluftmenge) ausreichend mit der Differenzluftmenge verdünnt werden. Das Brennstoffzellensystem 100 muss daher nicht die Luftmenge berechnen, die zum Verdünnen des Pumpwasserstoffs während des Heizbetriebs erforderlich ist. Dadurch werden die Heizsteuerung vereinfacht und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Regulierung der Luftmenge verbessert.
  • Wie in der oberen Zeichnung von 8 dargestellt ist, ist zu der Zeit, zu der der Heizbetrieb beginnt, der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 der Betriebspunkt P2. Wenn es anschließend zu einer Erhöhung der geforderten Ausgangsleistung kommt und der geforderte Wärmewert unverändert bleibt, verschiebt sich der Betriebspunkt entlang der Wärmeerzeugungskurve in Bezug auf den geforderten Wärmewert Qfc (Kurve Lq1). Wenn der Soll-Stromwert Iref größer ist als der Wechselstromwert Is (der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0), wird der Normalbetrieb durchgeführt, um den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 entlang der I-V-Kennlinie (Kurve Lc) zu verschieben.
  • Wie oben beschrieben bestimmt das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform, ob der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, wird der Normalbetrieb durchgeführt. Dadurch werden die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verbessert, ohne dass eine komplizierte Wärmeregelung erforderlich ist. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, wird außerdem die geforderte Ausgangsleistung erreicht. Dementsprechend wird die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verbessert. Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, wird die Abwärmemenge des Brennstoffzellenstapels 10 während eines Normalbetriebs größer als der geforderte Wärmewert. Dadurch kann der geforderte Wärmewert durch die Abwärmemenge des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht werden, wodurch das Reaktionsvermögen in Bezug auf die Wärmeerzeugung verbessert ist.
  • Wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, wird dagegen der Heizbetrieb durchgeführt, um den Betriebspunkt auf den Betriebspunkt zu regeln, der einen niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungserzeugung (d. h. einen höheren Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung) aufweist als im Normalbetrieb. Dadurch kann der geforderte Wärmewert durch die Abwärmemenge des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht werden. Außerdem werden die Luftmenge und die Spannung durch Einstellen des Betriebspunkts, mit dem sowohl der geforderte Wärmewert als auch die geforderte Ausgangsleistung erreicht werden können, als Betriebspunkt geregelt. Dadurch werden die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verbessert. Während eines Heizbetriebs ist die Drehzahl des Luftkompressors 32 festgelegt. Dadurch wird der Einfluss der Reaktionsfähigkeit des Luftkompressors 32 begrenzt. Auch wenn der Luftkompressor eine schlechte Reaktionsfähigkeit aufweist, können durch eine solche Festlegung die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verbessert werden.
  • Während des Heizbetriebs wird die Luftmenge beim Betriebspunkt auf der I-V-Kennlinie festgelegt, die den Stromwert aufweist, der dem aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwerts I0 gleich ist. Dadurch werden gleichzeitig die Forderung nach Verkleinerung des Stromwertebereichs für den Heizbetrieb und die Forderung nach Beschränkung des Umfangs, in dem die Drehzahl des Luftkompressors 32 bei der Verschiebung des Betriebs vom Heizbetrieb in den normalen Betrieb erhöht wird, erfüllt. Dadurch werden die Heizsteuerung verbessert und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Regulierung der Luftmenge verbessert, wodurch die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 verbessert werden.
  • Während des Heizbetriebs, der durchgeführt wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert I0, wird der Betriebspunkt, mit dem sowohl die geforderte Ausgangsleistung als auch der geforderte Wärmewert erreicht werden können, als der auf den Heizbetrieb abgestellte Soll-Betriebspunkt eingestellt. Dadurch werden sowohl die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung als auch die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung verbessert.
  • Der oben beschriebene Aufbau kann auf die Operation zur Berechnung der Luftmenge, die verwendet wird, um den Pumpwasserstoff zu verdünnen, der während des Heizbetriebs erzeugt wird, verzichten. Dadurch wird die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf eine Regulierung der Luftmenge im Vergleich zu dem Aufbau, bei dem diese Operation durchgeführt wird, vereinfacht.
  • Die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc wird zu Anfang nicht auf die theoretische Luftmenge eingestellt, mit der der Stromwert Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts erreicht werden kann, sondern wird auf eine kleinere Luftmenge als die theoretische Luftmenge eingestellt. Die Luftmenge wird dann durch eine Feedback-Regelung reguliert. Dadurch kann auch in der Situation, dass der Betriebspunkt nicht auf der I-V-Kennlinie liegt, sondern eine Konzentrationsüberspannung bewirkt, eine angemessene Luftmenge als die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc geliefert werden.
  • B. Zweite Ausführungsform
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform durch das Steuer- bzw. Regelungsverfahren, das den Heizsteuerprozess als Reaktion auf eine Heizungsforderung während einer Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung (später beschrieben) nicht sofort startet, sondern die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung fortsetzt, bis die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs eine vorgegebene Temperatur erreicht, und den Heizsteuerprozess startet, wenn die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht oder überschreitet. Der übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform ähnelt dem der ersten Ausführungsform.
  • Im Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform wird bei einem Starten bei Temperaturen unter null ein Aufwärmbetrieb durchgeführt, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf einen vorgegebenen Temperaturbereich zu erhöhen, der eine effiziente Leistungserzeugung ermöglicht (beispielsweise 60°C bis 80°C). Während dieses Aufwärmbetriebs (nachfolgend als „Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung” bezeichnet) wird ein Betriebspunkt mit einem niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungserzeugung als während des Heizbetriebs der ersten Ausführungsform als Soll-Betriebspunkt eingestellt, um den Wärmewert zu erhöhen (d. h. um die Konzentrationsüberspannung zu erhöhen). Die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung unterscheidet sich vom Heizbetrieb der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten, ist aber ansonsten dem Aufwärmbetrieb ähnlich: der niedrigere Wirkungsgrad der Leistungserzeugung führt zu einer schlechteren Kraftstoffausnutzung; die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 kann niedriger sein als die geforderte Ausgangsleistung; eine Regulierung der Drehzahl des Luftkompressors 32 ändert die Luftmenge, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, erheblich; und es wird keine Feedback-Regelung durchgeführt. Der bekannte Aufwärmbetrieb, der beim Starten des Brennstoffzellenstapels 10 durchgeführt wird, kann als Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung verwendet werden.
  • 9 zeigt schematisch Beispiele für Änderungen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels, der Fahrzeug-Innenraumtemperatur und der Abwärmemenge beim Start des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform. Die obere Zeichnung von 9 zeigt ein Beispiel für eine Änderung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 beim Starten. Die mittlere Zeichnung in 9 zeigt ein Beispiel für eine Änderung der Fahrzeug-Innenraumtemperatur als Reaktion auf eine Heizungsforderung während des Startzeit-Aufheizbetriebs. In der unteren Zeichnung von 9 zeigt eine durchgezogene Kurve ein Beispiel für eine Änderung des geforderten Wärmewerts für den Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Heizungsforderung während des Startzeit-Aufheizbetriebs, und eine gestrichelte Kurve zeigt eine Änderung des geforderten Heizwerts des Brennstoffzellenstapels 10 ohne Heizungsforderung. In den Zeichnungen von 9 zeigt die Abszisse jeweils die Zeit. Die Ordinate in der oberen Zeichnung von 9 zeigt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10; die Ordinate in der mittleren Zeichnung von 9 zeigt die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs; und die Ordinate in der unteren Zeichnung von 9 zeigt den geforderten Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Im Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform ist eine Aufheizungs-Solltemperatur auf +60°C eingestellt. Wie in der oberen Zeichnung von 9 dargestellt ist, steigt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 von –20°C beim Starten und erreicht die Aufheizungs-Solltemperatur (+60°C) zum Zeitpunkt t1. Im Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform ist der Zeitpunkt, zu dem der Startzeit-Aufheizbetrieb abgeschlossen wird, wenn keine Heizungsforderung gestellt wird, der Zeitpunkt t11, zu dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 die Aufheizungs-Solltemperatur erreicht, wie von der gestrichelten Kurve in der unteren Zeichnung von 9 dargestellt ist. Wie in der unteren Zeichnung von 9 dargestellt ist, führt das Brennstoffzellensystem ohne eine Heizungsforderung das Heizsteuerverfahren, mit dem die Energie erreicht werden soll, die gefordert ist, um den Brennstoffzellenstapel 10 bei der angemessenen Temperatur zu halten (die Temperaturbewahrungsenergie), zum Zeitpunkt t1 durch.
  • Wenn eine Heizungsforderung während des Startzeit-Aufheizbetriebs gestellt wird, werden andererseits der erste Kühlmittelumwälzweg R1 und der zweite Kühlmittelumwälzweg R2 zum Zeitpunkt t1 miteinander verbunden, um die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 zum Heizen zu nutzen. In diesem Zustand wird der Aufwärmbetrieb nicht beendet, anders als in der Situation ohne Heizungsforderung. Wie in der mittleren Zeichnung von 9 dargestellt ist, steigt die Fahrzeug-Innenraumtemperatur nach dem Zeitpunkt t1 abrupt von –20°C beim Start an und erreicht zum Zeitpunkt t2 +25°C, wobei es sich um die durch die Heizungsforderung vorgegebene Temperatur handelt.
  • Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform überwacht die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs und beendet den Startzeit-Aufheizbetrieb und startet den Heizsteuerprozess, wenn die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht. Wie in der unteren Zeichnung von 9 dargestellt ist, wird die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10, die während des Startzeit-Aufheizbetriebs vom Zeitpunkt t1 bis zu Zeitpunkt t2 erzeugt wird, für die Klimatisierungsenergie zum Heizen und die Temperaturbeibehaltungsenergie des Brennstoffzellenstapels 10 genutzt. Nach dem Zeitpunkt 12 wird die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10, die während des Heizsteuerprozess erzeugt wird, für die Klimatisierungsenergie zum Heizen (die Innenraumtemperatur-Beibehaltungsenergie) und die Temperaturbeibehaltungsenergie des Brennstoffzellenstapels 10 genutzt.
  • Der Steuerungsablauf setzt den Startzeit-Aufheizbetrieb fort, bis die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht, und startet den Heizbetrieb, wenn die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht, und zwar aus dem folgenden Grund. Der Startzeit-Aufheizbetrieb weist einen höheren Wärmewert auf als der Heizbetrieb. Die Fortsetzung des Startzeit-Aufheizbetriebs bis zum Erreichen der vorgegebenen Temperatur durch die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs ermöglicht daher eine Erhöhung der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs in einem kürzeren Zeitraum. Nachdem die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht hat, sind die Wärmemenge, die gefordert ist, um die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs beizubehalten, und die Wärmemenge, die gefordert ist, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 beizubehalten, relativ klein, und daher wird der Heizbetrieb durchgeführt, um die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 zu verbessern.
  • Das Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform weist ähnliche vorteilhafte Wirkungen auf wie das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform. Die Fortsetzung des Startzeit-Aufheizbetriebs bis zum Erreichen der vorgegebenen Temperatur durch die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs ermöglicht außerdem eine Erhöhung der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs in einem kürzeren Zeitraum. Nachdem die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht hat, wird der Heizbetrieb durchgeführt, um die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeerzeugung zu verbessern.
  • C. Dritte Ausführungsform
  • 10 zeigt schematisch das Aussehen eines Elektrofahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform ausgestattet ist. Das Elektrofahrzeug EV der dritten Ausführungsform weist einen Fahrzeug-Innenraum CA, Vordersitze 111, Rücksitze 112 und eine Bedienungskonsole SP auf. Die Vordersitze 111 und die Rücksitze 112 sind innerhalb des Fahrzeug-Innenraums CA angeordnet. Die Bedienungskonsole SP ist vor dem Fahrersitz angeordnet und weist einen Schalter SW für eine maximale Aufheizung auf.
  • Das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform in den folgenden Punkten, weist aber ansonsten einen ähnlichen Aufbau auf wie das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform: das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform weist während des Startzeit-Aufheizbetriebs zwei verschiedene auf einen Heizbetrieb abgestellte Modi auf: einen Modus, der zu dem Zeitpunkt, zu dem die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs die vorgegebene Temperatur erreicht, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, den Startzeit-Aufheizbetrieb beendet und den Heizsteuerprozess startet (im Folgenden als „Maximalaufheizungs-Modus” bezeichnet) und einen Modus, der zu dem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eine vorgegebene Hocheffizienz-Betriebstemperatur (beispielsweise +60°C) erreicht, den Startzeit-Aufheizbetrieb beendet und den Heizsteuerprozess beginnt (im Folgenden als „Kraftstoffausnutzungsprioritäts-Modus” bezeichnet) und weist den Schalter SW zum maximalen Aufheizen auf. Der Schalter SW zum maximalen Aufheizen entspricht der Nutzerschnittstelle in den Ansprüchen. Der Maximalaufheizungs-Modus und der Kraftstoffausnutzungsprioritäts-Modus entsprechen jeweils dem ersten auf einen Heizbetrieb abgestellten Modus und dem zweiten auf einen Heizbetrieb abgestellten Modus in den Ansprüchen.
  • Der Schalter SW zum maximalen Aufheizen wird betätigt, um den Maximalaufheizungs-Modus als den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus während des Startzeit-Aufheizbetriebs einzustellen. Der Fahrer (Beifahrer) drückt diesen Schalter SW für eine maximale Aufheizung als Heizungsforderung während des Startzeit-Aufheizbetriebs, um den Maximalaufheizungs-Modus einzustellen, und heizt dadurch den Innenraum des Fahrzeugs in einem kürzeren Zeitraum auf. Wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, sind jedoch im Maximalaufheizungs-Modus, mit dem der Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 maximiert wird, die Kraftstoffausnutzung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung verringert. Der Fahrer (Beifahrer) drückt daher den Schalter für die maximale Aufheizung nicht, wenn die schlechtere Kraftstoffausnutzung und die schlechtere Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung von Nachteil sind. In diesem Fall wird der Kraftstoffausnutzungsprioritäts-Modus eingestellt, um den Heizsteuerprozess durchzuführen, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, nachdem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 die Aufheizungs-Solltemperatur erreicht hat.
  • Das Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen dritten Ausführungsform weist ähnliche vorteilhafte Wirkungen auf wie das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform. Außerdem sind im Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform der Maximalaufheizungs-Modus und der Kraftstoffausnutzungsprioriäts-Modus als auf den Heizbetrieb abgestellte Modi während des Startzeit-Aufheizbetriebs vorgesehen. Das Elektrofahrzeug EV weist den Schalter SW für eine maximale Aufheizung auf, um den Maximalaufheizungs-Modus einzustellen. Der Fahrer (Beifahrer) drückt den Schalter SW für eine maximale Aufheizung als Heizungsforderung, um zu ermöglichen, dass der Innenraum des Fahrzeugs beim Starten innerhalb eines kürzeren Zeitraums aufgeheizt werden kann. Der Fahrer (Beifahrer) drückt den Schalter SW für eine maximale Aufheizung dagegen nicht, um zu verhindern, dass die Kraftstoffausnutzung und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung beim Starten verschlechtert werden.
  • D. Modifikationen
  • Unter den verschiedenen Elementen der oben jeweils beschriebenen Ausführungsformen sind solche, die sich von den in den unabhängigen Ansprüchen offenbarten Elementen unterscheiden, zusätzliche und ergänzende Elemente und können gegebenenfalls weggelassen werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern es können verschiedene Varianten und Modifikationen der Ausführungsformen geschaffen werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele für mögliche Modifikationen sind nachstehend angegeben.
  • D1. Erste Modifikation
  • Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein Drücken des Schalters SW für eine maximale Aufheizung erforderlich, um den Maximalaufheizungs-Modus als den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus während des Startzeit-Aufheizbetriebs einzustellen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Gemäß einer Modifikation kann der auf den Heizbetrieb abgestellte Modus auf den Maximalaufheizungs-Modus eingestellt werden, wenn eine vorgebbare maximale Temperatur als die Temperatur der Heizungsforderung vorgegeben wird, und auf den Kraftstoffausnutzungsprioritäts-Modus eingestellt werden, wenn eine andere Temperatur als die vorgebbare maximale Temperatur als die Temperatur der Heizungsforderung vorgegeben wird. Diese modfizierte Gestaltung braucht keinen Schalter SW für die maximale Aufheizung und senkt somit die Herstellungskosten des Elektrofahrzeugs EV.
  • Gemäß einer anderen Modifikation kann die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs als Reaktion auf die Heizungsforderung des Fahrers (Beifahrers) gemessen werden, und der auf den Heizbetrieb abgestellte Modus kann auf den Maximalaufheizungs-Modus eingestellt werden, wenn die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs niedriger ist als eine vorbestimmte Temperatur (beispielsweise –10°C), und auf den Kraftstoffausnutzungsprioritäts-Modus eingestellt werden, wenn die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs nicht niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur. Wenn der Innenraum des Fahrzeugs eine sehr niedrige Temperatur aufweist, besteht ein hoher Bedarf nach möglichst schneller Aufheizung des Fahrzeuginnenraums. Die modifizierte Gestaltung stellt den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus auf den Maximalaufheizungs-Modus ein, ohne dass eine Betätigung des Schalters durch den Fahrer (Beifahrer) nötig ist, um dem Fahrer (Beifahrer) mehr Komfort zu bieten.
  • D2. Zweite Modifikation
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc während eines Aufheizbetriebs zu Anfang auf den Volumenstrom eingestellt, der unter der Annahme berechnet worden ist, dass das stöchiometrische Luftverhältnis 1,0 ist, und wird dann gemäß dem Stromwert Iref' des auf den Heizbetrieb abgestellten Soll-Betriebspunkts und des gemessenen Stromwerts geregelt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Gemäß einer Modifikation kann ein optimales stöchiometrisches Luftverhältnis, wenn der Stromwert dem Stromwert Iref' während eines Heizbetriebs gleich wird, durch Versuche oder auf andere Weise vorab bestimmt und im ROM 63 gespeichert werden. Die FC-bedarfsgemäße Luftmenge Afc kann unter Verwendung dieses stöchiometrischen Luftverhältnisses berechnet werden. Bei diesem modifizierten Aufbau wird die Öffnung des Druckreglers 45 bestimmt und wird auf Basis der errechneten FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc festgelegt. Dadurch wird die Operation zur Regulierung der Luftmenge ohne Feedback-Regelung erleichtert, wodurch die Reaktionsfähigkeit auf die Regulierung der Luftmenge verbessert wird.
  • D3. Dritte Modifikation
  • Gemäß den zweiten und dritten Ausführungsformen wird der Startzeit-Aufheizbetrieb ohne eine Heizungsforderung beendet, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 +60°C erreicht (d. h. wenn die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 90 kW erreicht). Die Beendigungsbedingung ist jedoch nicht auf +60°C beschränkt, sondern kann jede beliebige Temperatur (jeder beliebige Wärmewert sein). Gemäß den zweiten und dritten Ausführungsformen ist die Temperatur, die eine thermische Anbindung des ersten Kühlmittel-Umwälzwegs R1 mit dem zweiten Kühlmittel-Umwälzweg R2 bewirkt, gleich der Temperatur, die den Startzeit-Aufheizbetrieb ohne eine Heizungsforderung beendet. Die Temperatur für die thermische Anbindung kann niedriger oder höher sein als diese Startzeit-Aufwärmbetriebsbeendigungstemperatur.
  • Gemäß den zweiten und dritten Ausführungsformen ist der Zeitpunkt, zu dem der Startzeit-Aufheizbetrieb beendet ist, derselbe Zeitpunkt, zu dem das Elektrofahrzeug in Fahrbereitschaft versetzt wird. Der Zeitpunkt, zu dem das Elektrofahrzeug in Fahrbereitschaft versetzt wird, kann vor dem Zeitpunkt liegen, zu dem der Startzeit-Aufheizbetrieb beendet wird. Beispielsweise kann das Elektrofahrzeug zu dem Zeitpunkt in Fahrbereitschaft versetzt werden, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eine Temperatur erreicht, bei der die zum Fahren des Elektrofahrzeug mindestens notwendige Ausgangsleistung sichergestellt ist (beispielsweise +30°C), während der Startzeit-Aufheizbetrieb zu dem Zeitpunkt beendet werden kann, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eine höhere Temperatur (beispielsweise +60°C) erreicht. Diese modfizierte Gestaltung macht es möglich, dass das Elektrofahrzeug zu einem früheren Zeitpunkt in Fahrbereitschaft versetzt wird.
  • D4. Vierte Modifikation
  • Gemäß den jeweiligen Ausführungsformen werden das Umgehungsventil 44 und der Druckregler 45 verwendet, um das Luftströmungsverhältnis der FC-bedarfsgemäßen Luftmenge Afc zur Umgehungsluftmenge Abp zu regeln. Nur eines dieser Elemente kann für eine solche Regelung verwendet werden. Bei dieser modifizierten Gestaltung entspricht ein Ventil, das verwendet wird, um das Strömungsratenverhältnis zu regeln, dem Drosselventil in den Ansprüchen. Generell kann ein Drosselventil, das dazu dient, das Strömungsratenverhältnis des Volumenstroms des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung zur Brennstoffzelle strömt, zum Volumenstrom des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung zur Umgehungsleitung strömt, aus dem Oxidationsgas, das von der Oxidationsgasquelle geliefert wird, für das Brennstoffzellensystem der Erfindung verwendet werden.
  • D5. Fünfte Modifikation
  • Gemäß den jeweiligen Ausführungsformen führt der Heizsteuerprozess die auf den Heizbetrieb abgestimmte Steuerung durch, wenn der für die Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref kleiner ist als der Wechselstromwert Is. Eine Modifikation des Heizsteuerprozesses kann eine Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung anstelle der auf den Heizbetrieb abgestellten Steuerung durchführen. Im Steuerungsablauf dieser Modifikation wird der Normalbetrieb durchgeführt, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert Iref nicht kleiner ist als der Wechselstromwert Is. Dadurch werden die Steuerung vereinfacht und die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 im Vergleich zu dem Steuerverfahren, bei dem die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung unabhängig von der Höhe des aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwerts Iref durchgeführt wird, verbessert. Generell kann ein Betriebs-Controller, der den Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf den Betriebspunkt steuert, der einen niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungserzeugung aufweist als der Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert (der Wechselstromwert), für das Brennstoffzellensystem der Erfindung verwendet werden.
  • D6. Sechste Ausführungsform
  • Das Brennstoffzellensystem ist gemäß den jeweiligen Ausführungsformen in dem Elektrofahrzeug eingebaut. Das Brennstoffzellensystem kann jedoch auf verschiedene bewegliche Körper angewendet werden, unter anderem auf Hybridfahrzeuge, Boote und Schiffe und Roboter. Das Brennstoffzellensystem kann auch auf das Heizungssystem in verschiedenen Strukturen einschließlich von Gebäuden und Häusern angewendet werden, wobei der Brennstoffzellenstapel 10 als stationäre Leistungsquelle verwendet wird.
  • D7. Siebte Modifikation
  • Luft wird gemäß den jeweiligen Ausführungsformen als das Oxidationsgas verwendet, aber es kann jedes beliebige sauerstoffhaltige Gas außer Luft als das Oxidationsgas verwendet werden.
  • D8. Achte Modifikation
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein Teil der Software-Konfiguration durch eine Hardware-Konfiguration ersetzt werden. Andererseits kann ein Teil der Hardware-Konfiguration durch eine Software-Konfiguration ersetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellenstapel
    15
    Amperemeter
    16
    Temperatursensor
    31
    Wasserstofftank
    32
    Luftkompressor
    33
    Kühlkörper
    34
    Erstes angetriebenes Gebläse
    35
    Wärmetauscher
    36
    Heizkörper
    37
    Zweites angetriebenes Gebläse
    42
    Sperrventil
    43
    Wasserstoffgas-Zufuhrventil
    44
    Umgehungsventil
    45
    Druckregler
    46
    Spülventil
    47
    Umwälzpumpe
    48
    Erste Kühlmittelpumpe
    49
    Zweite Kühlmittelpumpe
    51
    Wasserstoffgas-Zuleitung
    52
    Anodenabgas-Ableitung
    53
    Wasserstoffgas-Umgehungsleitung
    54
    Luft-Zuleitung
    55
    Kathodenabgas-Ableitung
    56
    Luft-Umgehungsleitung
    60
    Steuereinheit
    61
    CPU
    61a
    Betriebs-Controller
    61b
    Luftkompressor-Controller
    61c
    Ventil-Controller
    61d
    Heizungs-Controller
    62
    RAM
    63
    ROM
    63a
    Drehzahl-Kennfeld
    63b
    I-Q-Kennfeld
    63c
    I-P-Kennfeld
    63d
    Druckregleröffnungs-Kennfeld
    63e
    Umgehungsventilöffnungs-Kennfeld
    91
    Erste Kühlmittelleitung
    92
    Zweite Kühlmittelleitung
    93
    Dritte Kühlmittelleitung
    94
    Vierte Kühlmittelleitung
    95
    Fünfte Kühlmittelleitung
    96
    Sechste Kühlmittelleitung
    97
    Siebte Kühlmittelleitung
    69
    Kühlmittel-Umgehungsleitung
    71
    FC-Bedarfs-Luftmengenkalkulator
    72
    Druckregleröffnungs-Bestimmungseinrichtung
    73
    Druckregleröffnungs-Meldeeinrichtung
    74
    Regelungsumfangs-Bestimmungseinrichtung
    81
    Luftkompressor-Volumenstromkalkulator
    82
    Umgehungsventilöffnungs-Bestimmungseinrichtung
    83
    Umgehungsventilöffnungs-Meldeeinrichtung
    84
    Luftkompressorvolumenstrom-Meldeeinrichtung
    98
    Wandlerspannungs-Controller
    99
    Dreiwegeventil
    100
    Brennstoffzellensystem
    111
    Vordersitze
    112
    Rücksitze
    200
    Motor
    CA
    Fahrzeug-Innenraum
    SP
    Bedienungskonsole
    EC
    Elektrofahrzeug
    SW
    Schalter für maximale Aufheizung

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); einen Betriebs-Controller (61a), der dafür ausgelegt ist, den Betrieb der Brennstoffzelle (10) zu regeln; und einen Klimatisierungsmechanismus (36), der dafür ausgelegt ist, ein Heizen unter Nutzung von Abwärme aus der Brennstoffzelle (10) durchzuführen, wobei der Betriebs-Controller (61a) als Reaktion auf eine Heizungsforderung an den Klimatisierungsmechanismus (36) während eines Normalbetriebs, wenn die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt auf einer Strom-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle (10) betrieben wird, einen aufgrund eines Wärmewerts geforderten Stromwert mit einem aufgrund einer Ausgangsleistung geforderten Stromwert vergleicht, wobei der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem ein von der Brennstoffzelle (10) geforderter Wärmewert erreicht werden kann, wobei der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert ein Stromwert eines Betriebspunkts ist, der auf der Strom-Spannung-Kennlinie liegt und mit dem eine von der Brennstoffzelle (10) geforderte Ausgangsleistung erreicht werden kann, der Betriebs-Controller (61a) bewirkt, dass die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie betrieben wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich groß ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, und der Betriebs-Controller (61a) eine auf einen Heizbetrieb abgestellte Steuerung durchführt, bei der der Betriebspunkt der Brennstoffzelle (10) auf einen Betriebspunkt mit einem niedrigeren Wirkungsgrad der Leistungserzeugung als bei einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie der Brennstoffzelle (10) gesteuert wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ferner aufweist: eine Oxidationsgasquelle (32), die so ausgelegt ist, dass sie ein Oxidationsgas, das für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (10) verwendet wird, zur Brennstoffzelle (10) liefert; eine Oxidationsgas-Zuleitung (54), die dafür ausgelegt ist, die Oxidationsgasquelle (32) mit der Brennstoffzelle (10) zu verbinden; eine Kathodenabgas-Ableitung (55), die dafür ausgelegt ist, Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) abzuführen; eine Umgehungsleitung (56), die dafür ausgelegt ist, die Oxidationsgas-Zuleitung (54) mit der Kathodenabgas-Ableitung (55) zu verbinden; und ein Drosselventil (44, 45), das dafür ausgelegt ist, von dem Oxidationsgas, das von der Oxidationsgasquelle (32) geliefert wird, ein Volumenstromverhältnis eines Volumenstroms des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung (54) zur Brennstoffzelle (10) strömt, zu einem Volumenstrom des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung (54) zur Umgehungsleitung (56) strömt, zu regeln, wobei der Betriebs-Controller (61a) die auf den Heizbetrieb abgestimmte Steuerung durchführt, bei der eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases aus der Oxidationsgasquelle (32) auf eine Zufuhrmenge festgelegt ist, mit der der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert erreicht werden kann, und das Drosselventil (44, 45) regelt, um einen Volumenstrom des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle (10) anzupassen und den Betriebspunkt der Brennstoffzelle (10) auf einen geforderten Betriebspunkt zu verschieben, mit dem sowohl der geforderte Wärmewert als auch die geforderte Ausgangsleistung erreicht werden können.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Amperemeter (15), das dafür ausgelegt ist, einen Stromwert der Brennstoffzelle (10) zu messen, wobei der Betriebs-Controller (61a) zu Beginn der auf den Heizbetrieb abgestimmten Steuerung das Drosselventil (44, 45) so anpasst, dass es von dem Oxidationsgas, das von der Oxidationsgasquelle (32) geliefert wird, einen kleineren Volumenstrom des Oxidationsgases, der kleiner ist als ein Volumenstrom des Oxidationsgases, mit dem ein Stromwert des geforderten Betriebspunkts erreicht werden kann, zur Brennstoffzelle (10) liefert, der Betriebs-Controller (61a) das Drosselventil (44, 45) so anpasst, dass der Volumenstrom des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle (10) geliefert wird, verringert wird, wenn der Stromwert der Brennstoffzelle (10), der vom Amperemeter (15) gemessen wird, größer ist als der Stromwert des geforderten Betriebspunkts, und der Betriebs-Controller (61a) das Drosselventil (44, 45) so anpasst, dass der Volumenstrom des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle (10) geliefert wird, vergrößert wird, wenn der Stromwert der Brennstoffzelle (10), der vom Amperemeter (15) gemessen wird, kleiner ist als der Stromwert des geforderten Betriebspunkts.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Brennstoffzellentemperatur-Ermittlungseinrichtung (16), die dafür ausgelegt ist, die Temperatur der Brennstoffzelle (10) zu ermitteln; und eine Erwärmungsraumtemperatur-Ermittlungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Erwärmungsraumtemperatur, bei der es sich um die Temperatur eines Raums, der ein Ziel der Erwärmung durch den Klimatisierungsmechanismus (36) ist, zu ermitteln, wobei der Betriebs-Controller (61a) beim Starten der Brennstoffzelle (10) eine Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung durchführt, bei der es sich um eine Steuerung handelt, mit der der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (10) unter den Wirkungsgrad der auf den Heizbetrieb abgestellten Steuerung gesenkt wird, der Betriebs-Controller (61a) einen ersten auf einen Heizbetrieb abgestellten Modus aufweist, der als Reaktion auf eine Heizungsforderung an den Klimatisierungsmechanismus (36) während der Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung beendet, wenn die Erwärmungsraumtemperatur eine Temperatur erreicht, die die Heizungsforderung erfüllt, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle (10) eine vorbestimmte Aufheizungs-Endtemperatur erreicht hat, der Betriebs-Controller (61a) den aufgrund des Wärmewerts geforderten Stromwert mit dem aufgrund der Ausgangsleistung geforderten Stromwert vergleicht, nachdem die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung beendet worden ist, der Betriebs-Controller (61a) die Brennstoffzelle (10) so steuert, dass diese bei einem Betriebspunkt auf der Strom-Spannung-Kennlinie betrieben wird, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert gleich groß ist wie oder größer ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert, und der Betriebs-Controller (61a) die auf den Heizbetrieb abgestellte Steuerung durchführt, wenn der aufgrund der Ausgangsleistung geforderte Stromwert kleiner ist als der aufgrund des Wärmewerts geforderte Stromwert.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, ferner aufweisend: eine Nutzerschnittstelle (SW), wobei der Betriebs-Controller (61a) zusätzlich zum ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus einen zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus aufweist, der als Reaktion auf eine Heizungsforderung an den Klimatisierungsmechanismus (36) während der Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung die Startzeit-Aufheizbetriebssteuerung beendet, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (10) die Aufheizungs-Endtemperatur erreicht, und die Nutzerschnittstelle (SW) den Nutzer in die Lage versetzt, den auf den Heizbetrieb abgestellten Modus, der vom Betriebs-Controller (61a) durchgeführt wird, zwischen dem ersten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus und dem zweiten auf den Heizbetrieb abgestellten Modus auszuwählen.
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