DE112010005600B4

DE112010005600B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112010005600B4
Application number: DE112010005600.5T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Naganuma; Hiromi Tanaka; Osamu Yumita; Masashi Fuji; Nobukazu MIZUNO
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: WO2011148426A1; JP4873105B2; KR20120006969A; CN102405150A; US20110293972A1; JPWO2011148426A1; CA2740221C; DE112010005600T5; US8158293B2; CN102405150B; CA2740221A1; KR101298692B1; DE112010005600T8

Abstract

Brennstoffzellensystem (100; 100a), aufweisend:eine Brennstoffzelle (10);eine Sekundärbatterie (220), die mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist;ein Oxidationsgaszuführer (32), der konfiguriert ist, um der Brennstoffzelle (10) ein Oxidationsgas zuzuführen, das durch die Brennstoffzelle (10) für eine Leistungserzeugung verwendet werden soll, und der durch die von der Sekundärbatterie (220) zugeführte elektrische Leistung betrieben wird;einen Gaszufuhrströmungsregler (61a), der konfiguriert ist, um eine Gaszufuhrströmungsrate zu regulieren, wobei die Gaszufuhrströmungsrate einer Menge des durch den Oxidationsgaszuführer (32) zugeführten Oxidationsgases entspricht;einen Oxidationsgaszuführweg (54), der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführer (32) mit der Brennstoffzelle (10) zu verbinden;einen Kathodenabgas-Abgasweg (55), der angeordnet ist, um das Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) abzuführen;ein Umgehungsströmungsweg (56), der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführweg (54) mit dem Kathodenabgas-Abgasweg (55) zu verbinden;einen Strömungsregler (44, 45), der konfiguriert ist, um ein Strömungsverhältnis von einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate zu einer Umgehungsströmungsrate in einer Gesamtströmung des von dem Oxidationsgaszuführer (32) zugeführten Oxidationsgases zu steuern, wobei die Strömungsrate einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg (54) zu der Brennstoffzelle (10) strömt, und wobei die Umgehungsströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg (54) zu dem Umgehungsströmungsweg (56) strömt;eine Erhalteeinrichtung (221) für eine verfügbare Leistungsabgabe, die konfiguriert ist, um eine verfügbare Menge einer Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie (220) zu erhalten; undeinen Betriebs-Controller (61a), der konfiguriert ist, um einen Soll-Stromwert (Iref) und einen Soll-Spannungswert (Vref) der Brennstoffzelle (10) basierend auf einer benötigten Leistungsabgabemenge und einer benötigten Wärmemenge für die Brennstoffzelle (10) einzustellen, und den Strömungsregler (44, 45) so zu steuern, um die von einer Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate und die Umgehungsströmungsrate zu regulieren, so dass ein Niedereffizienzbetrieb der Brennstoffzelle (10) erreicht wird, wobei die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt einer niedrigeren Leistungserzeugungseffizienz als einer Leistungserzeugungseffizienz auf einem Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf der Brennstoffzelle (10) bei einem Normalbetrieb betrieben wird,wobei der Gaszufuhrströmungsregler (61a) die Gaszufuhrströmungsrate reguliert, um zu bewirken, dass der Oxidationsgaszuführer (32) eine überschüssige Gasströmungsrate zuführt, die so eingestellt ist, dass sie größer als eine von der Brennstoffzelle (10) benötigte Soll-Gasströmungsrate ist, wobei die von der Brennstoffzelle (10) benötigte Soll-Gasströmungsrate die von der Brennstoffzelle (10) benötigte Gasströmungsrate ist, die der Brennstoffzelle (10) zugeführt werden soll, damit der Soll-Stromwert (Iref) erreicht wird, wenn die verfügbare Leistungsabgabemenge von der Sekundärbatterie (220) kleiner als eine minimale Menge einer elektrischen Leistung ist, die der Oxidationsgaszuführer (32) benötigt, um die Gaszufuhrströmungsrate von 0 auf eine voreingestellte Gasströmungsrate innerhalb einer voreingestellte Zeitspanne zu erhöhen, undder Betriebs-Controller (61a) den Strömungsregler (44, 45) so steuert, dass die Umgehungsströmungsrate gleich einer Differenz-Gasströmungsrate zwischen der überschüssigen Gasströmungsrate und der von einer Brennstoffzelle (10) benötigten Soll-Gasströmungsrate ist,wobei der Gaszufuhrströmungsregler (61a) die Gaszufuhrströmungsrate derart reguliert, dass die überschüssige Gasströmungsrate bei einer Verringerung der verfügbaren Leistungsabgabemenge von der Sekundärbatterie (220) ansteigt.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Abwärme einer Brennstoffzelle.
2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
Bei einem Vorschlag zur Technik, die angewendet wird, um den Betrieb einer Brennstoffzelle in der Niedertemperaturumgebung zu starten, wird ein spezieller Betrieb ausgelöst, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird, um eine elektrische Leistung mit einem niedrigeren Wirkungsgrad bzw. einer geringeren Effizienz als im Normalbetrieb zu erzeugen, (wobei der spezielle Betrieb nachstehend als „Niedereffizienzbetrieb“ bezeichnet wird), so dass ein Wärmeverlust (eine Abwärme) der Brennstoffzelle erhöht wird und die Brennstoffzelle mit der Abwärme aufgewärmt wird. Bei einem weiteren Vorschlag zur Technik wird der Niedereffizienzbetrieb in dem Zustand ausgelöst, in dem die elektrische Leistung von der Brennstoffzelle zu einer mit der Brennstoffzelle verbunden Last geführt wird. Die vorgeschlagene Technik kann beispielsweise auf ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Elektrofahrzeug angewendet werden, so dass der Niedereffizienzbetrieb unmittelbar nach einem Start des Elektrofahrzeugs initiiert wird, dem Elektrofahrzeug ermöglicht wird, den Fahrbetrieb zu dem Zeitpunkt aufzunehmen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle eine voreingestellte Temperatur erreicht oder überschritten hat, und der Aufwärmvorgang der Brennstoffzelle bis zu einer Aufwärmvorgangs-Beendungstemperatur fortgesetzt wird, während das Elektrofahrzeug angetrieben wird.
In Bezug auf die Leistungsabgabereaktion sowie die Wärmeerzeugungsreaktion während des Niedereffizienzbetriebs, der mit der Zufuhr von elektrischer Leistung zur Last ausgeführt wird, besteht immer noch Verbesserungsbedarf.
Darüber hinaus offenbart die JP 2009 - 277 502 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Luftkompressor, einer Spülleitung und einem Ablassventil. Wenn eine Erwärmung des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist, wird das Ablassventil geöffnet und Wasserstoff wird zu einer Seite einer Ansaugöffnung des Luftkompressors geleitet.
Kurzfassung
In Anbetracht von zumindest einem Teil der vorstehend erläuterten Problematik besteht Verbesserungsbedarf in Bezug auf die Leistungsabgabereaktion und die Wärmerzeugungsreaktion einer Brennstoffzelle während des Niedereffizienzbetriebs, der mit der Zufuhr von elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle zu einer Last ausgeführt wird.
Die vorstehende Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
In ihrer Herangehensweise an zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Notwendigkeit sieht die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen und Anwendungen vor, die in der nachstehenden Beschreibung erläutert werden.
[Aspekt 1] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen. Das Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle; eine Sekundärbatterie, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist; einen Oxidationsgaszuführer, der konfiguriert ist, um der Brennstoffzelle ein Oxidationsgas zuzuführen, das zur Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle dienen soll, und der durch eine von der Sekundärbatterie zugeführte elektrische Leistung betrieben wird; einen Gaszuführströmungsregler, der konfiguriert ist, um eine Gaszuführströmungsrate zu regulieren, wobei die Gaszuführströmungsrate eine Menge des durch den Oxidationsgaszuführer zugeführten Oxidationsgases ist; einen Oxidationsgaszuführweg, der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführer mit der Brennstoffzelle zu verbinden; einen Kathoden-Offgas- bzw. Kathodenabgas-Abgasweg, der so angeordnet ist, dass ein Kathoden-Offgas bzw. Kathodenabgas von der Brennstoffzelle abgeführt wird; einen Umgehungsströmungsweg, der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführweg mit dem Kathodenabgas-Abgasweg zu verbinden; einen Strömungsregler, der konfiguriert ist, um ein Strömungsverhältnis einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate auf eine Umgehungsströmungsrate in einer Gesamtströmung des von dem Oxidationsgaszuführer zugeführten Oxidationsgases zu steuern, wobei das Strömungsverhältnis einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg zu der Brennstoffzelle strömt, wobei die Umgehungsströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg zu dem Umgehungsströmungsweg strömt; eine Erhalteinrichtung einer verfügbaren Leistungsabgabe, die konfiguriert ist, um eine verfügbare Menge einer Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie zu erhalten; und einen Betriebs-Controller, der konfiguriert ist, um einen Soll-Stromwert und einen Soll-Spannungswert der Brennstoffzelle basierend auf einer benötigten Menge einer Leistungsabgabe und einer benötigten Menge einer Wärme für die Brennstoffzelle einzustellen und den Strömungsregler so zu steuern, dass die durch die Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate und die Umgehungsströmungsrate reguliert werden, um einen Niedereffizienzbetrieb der Brennstoffzelle zu erreichen, wobei die Brennstoffzelle an einem Betriebspunkt einer niedrigeren Leistungserzeugungseffizienz als eine Leistungserzeugungseffizienz auf einem Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf betrieben wird, wobei der Gaszuführströmungsregler die Gaszuführströmungsrate reguliert, um zu bewirken, dass der Oxidationsgaszuführer eine überschüssige Gasströmungsrate zuführt, die höher als eine von der Brennstoffzelle benötigte Soll-Gasströmungsrate eingestellt ist, wobei es sich bei der von der Brennstoffzelle benötigten Soll-Gasströmungsrate um die von der Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate handelt, die der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, um den Soll-Stromwert zu erreichen, wenn die verfügbare Menge der Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie eine minimale Menge der elektrischen Leistung unterschreitet, die für den Oxidationsgaszuführer notwendig ist, um die Gaszuführströmungsrate innerhalb einer voreingestellten Zeitspanne von 0 auf eine voreingestellte Gasströmungsrate zu erhöhen, und der Betriebs-Controller den Strömungsregler so steuert, dass die Umgehungsströmungsrate einer Differenz-Gasströmungsrate zwischen der überschüssigen Gasströmungsrate und der von der Brennstoffzelle benötigten Soll-Gasströmungsrate entspricht.
Wenn die verfügbare Menge einer Leistungsabgabe oder die verfügbare Menge einer von der Sekundärbatterie abgegebenen Leistung kleiner als die minimale Menge der für den Oxidationsgaszuführer benötigten elektrischen Leistung ist, um die Gaszuführströmungsrate innerhalb der voreingestellten Zeitspanne von 0 auf die voreingestellte Gasströmungsrate zu erhöhen, reguliert das Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt 1 der Erfindung die Gaszuführströmungsrate, um zu bewirken, dass der Oxidationsgaszuführer die überschüssige Gasströmungsrate zuführt. Selbst wenn ein Anstieg der mit der Brennstoffzelle verbundenen Last eine Erhöhung der von der Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate in dem Zustand voraussetzt, in dem die Sekundärbatterie einen relativ niedrigen Wert in Bezug auf die verfügbare Menge der Leistungsabgabe aufweist, wird durch die vorläufige Zufuhr der überschüssigen Gasströmungsrate durch den Oxidationsgaszuführer die Umgehungsströmungsrate verringert und dadurch wirksam verhindert, dass die Oxidationsgas-Zufuhrreaktion verringert wird. Selbst im Fall eines Lastanstiegs während des Niedereffizienzbetriebs, der mit der Zufuhr elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle zu der Last ausgeführt wird, verbessert das Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 1 somit effektiv die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels.
[Aspekt 2] In dem in Aspekt 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem reguliert der Gaszufuhrströmungsregler die Gaszuführströmungsrate derart, dass die überschüssige Gasströmungsrate bei einer Verringerung der verfügbaren Menge der von der Sekundärbatterie abgegebenen Leistung ansteigt.
Selbst in dem Zustand, in dem durch geringere verfügbare Menge der von der Sekundärbatterie abgegebenen Leistung die Gaszuführströmungsrate, die durch den Oxidationsgaszuführer mit der von der Sekundärbatterie zugeführten elektrischen Leistung zugeführt werden kann, gesenkt wird, erhöht das Brennstoffzellensystem gemäß Aspekt 2 die durch den Oxidationsgaszuführer zugeführte überschüssige Gasströmungsrate. Wenn die von der Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate durch einen Anstieg der mit der Brennstoffzelle verbundenen Last ansteigt, wird durch diese Anordnung wirksam verhindert, dass die Zuführreaktion des Oxidationsgases verringert wird.
[Aspekt 3] In dem entweder gemäß Aspekt 1 oder 2 beschriebenen Brennstoffzellensystem handelt es sich bei der überschüssigen Gasströmungsrate um die Gaszuführströmungsrate, die gemäß der verfügbaren Menge der von der Sekundärbatterie abgegebenen Leistung im Voraus als eine benötigte Menge bestimmt wird, die die Gaszuführströmungsrate innerhalb der voreingestellten Zeitspanne auf die voreingestellte Gasströmungsrate erhöhen soll.
Selbst wenn die Sekundärbatterie eine geringe verfügbare Menge einer Leistungsabgabe aufweist, ermöglicht das Brennstoffzellensystem des Aspekts 3 einen Anstieg der Gaszuführströmungsrate auf die voreingestellte Gasströmungsrate innerhalb der voreingestellten Zeitspanne. Selbst in dem Zustand, in dem die Sekundärbatterie einen relativ geringen Wert der verfügbaren Menge der abgegebenen Leistung aufweist, ermöglicht diese Anordnung dem Oxidationsgaszuführer, eine voreingestellte Zuführreaktion als die Zuführreaktion des Oxidationsgases beizubehalten.
[Aspekt 4] In dem vorstehend gemäß einem der Aspekte 1 bis 3 beschriebenen Brennstoffzellensystem korrigiert der Betriebs-Controller den Soll-Stromwert, der gemäß der benötigten Menge der Leistungsabgabe und der benötigten Menge der Wärme für die Brennstoffzelle eingestellt wird, basierend auf einem Stromwert, der anhand einer Kondensatorkomponente der Brennstoffzelle entsteht.
Das Brennstoffzellensystem von Aspekt 4 stellt den Soll-Stromwert ein, um die variierende Energiemenge, die aus dem Kondensatorkomponente der Brennstoffzelle entsteht, bei einer Variation des Soll-Spannungswerts der Brennstoffzelle auszugleichen bzw. zu kompensieren. Durch diese Anordnung bzw. Vorkehrung wird eine genaue Steuerung sichergestellt, so dass bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle an einem Soll-Betriebspunkt betrieben wird, wodurch die Leistungsreaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels verbessert wird.
[Aspekt 5] Ein gemäß einem der Aspekte 1 bis 4 beschriebenes Brennstoffzellensystem weist weiterhin auf: eine Wasserrückstandsmengen-Erhalteinrichtung, die konfiguriert ist, um eine Wasserrückstandsmenge in der Brennstoffzelle zu einem Startzeitpunkt der Brennstoffzelle zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller eine Beendungstemperatur einstellt, die mit einem Anstieg der Wasserrückstandsmenge ansteigt, wobei die Beendungstemperatur eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs ist.
Bei einem Anstieg der Wasserrückstandsmenge in der Brennstoffzelle zu einem Startzeitpunkt stellt das Brennstoffzellensystem des Aspekts 5 den höheren Wert auf die Beendungstemperatur ein. Durch diese Anordnung bzw. Vorkehrung wird der Wärmewert oder die Menge einer auf die Brennstoffzelle an sich während des Niedereffizienzbetriebs angewendeten Wärme erhöht und dadurch die Abführung von Wasser in Form von Wasserdampf aus der Brennstoffzelle sogar in dem Zustand einer hohen Wasserrückstandsmenge in der Brennstoffzelle vereinfacht.
[Aspekt 6] Ein gemäß einem der Aspekte 1 bis 5 beschriebenes Brennstoffzellensystem weist ferner auf: eine Temperatur-Erhalteeinrichtung, die konfiguriert ist, eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Temperatur der Brennstoffzelle zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller eine Beendungstemperatur oder eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs so einstellt, dass sie bei einer Verringerung der Brennstoffzellentemperatur zu einem Startzeitpunkt der Brennstoffzelle ansteigt.
Im Allgemeinen bewirkt die geringere Brennstoffzellentemperatur zum Startzeitpunkt, dass eine größere Wassermenge in der Brennstoffzelle zurückbleibt. Das Brennstoffzellensystem des Aspekts 6 stellt den höheren Wert auf die Beendungstemperatur bei einer Verringerung der Brennstoffzellentemperatur auf den Startzeitpunkt ein. Durch diese Vorkehrung wird der Wärmewert oder die Menge der auf die Brennstoffzelle an sich während des Niedereffizienzbetriebs angewendeten Wärme erhöht und dadurch die Abführung von Wasser in Form von Wasserdampf aus der Brennstoffzelle sogar in dem Zustand erleichtert, in dem der Wasserrückstand in der Brennstoffzelle hoch ist.
[Aspekt 7] Das gemäß einem der Aspekte 1 bis 6 beschriebene Brennstoffzellensystem weist ferner auf: eine Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung, die konfiguriert ist, um die angeforderte Wärmemenge für die Brennstoffzelle zu bestimmen; und eine Temperatur-Erhalteinrichtung, die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Temperatur der Brennstoffzelle zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller die Ausführung des Niedereffizienzbetriebs solange fortsetzt, bis die Brennstoffzellentemperatur eine Beendungstemperatur oder eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs erreicht, die benötigte Menge der Wärme für die Brennstoffzelle eine Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung beinhaltet, wobei es sich bei der Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung um eine benötigte Wärmemenge handelt, um die Brennstoffzellentemperatur zu erhöhen, und wenn die Brennstoffzellentemperatur nicht niedriger als eine voreingestellte Temperatur ist, die als ein Kriterium zum Erfassen eines fahrbaren Zustands eines Fahrzeugs verwendet wird, jedoch niedriger als die Beendungstemperatur ist, bestimmt die Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung die Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung, die mit einem Anstieg der Brennstoffzellentemperatur abnehmen soll.
Das Brennstoffzellensystem des Aspekts 7 senkt die Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle bei einem Anstieg der Brennstoffzellentemperatur. Durch diese Vorkehrung wird verhindert, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die Beendungstemperatur des Niedereffizienzbetriebs überschreitet, wodurch der nicht notwendige Niedereffizienzbetrieb minimiert und der Brennstoffverbrauch des Reaktionsgases begünstigt wird.
[Aspekt 8] In dem in Aspekt 7 beschriebenen Brennstoffzellensystem weist das an einem Fahrzeug montierte Brennstoffzellensystem ein Fahrpedal auf, wobei die Brennstoffzelle ferner aufweist: eine Geschwindigkeits-Erhalteeinrichtung, die konfiguriert ist, eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erhalten; und eine Fahrpedalöffnungs-Erhalteeinrichtung, die konfiguriert ist, eine Fahrpedalöffnung bzw. einen Öffnungsgrad bzw. Öffnungswinkel des Fahrpedals zu erhalten, wobei, wenn die Brennstoffzellentemperatur die voreingestellte Temperatur nicht unterschreitet, aber niedriger als die Beendungstemperatur ist, die Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung nicht höher ist als zumindest entweder eine auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze oder eine auf einem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze, wobei die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze so eingestellt ist, das sie bei einer Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt, und die auf einem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze so eingestellt ist, dass sie bei einer Vergrößerung des Fahrpedalöffnungswinkels ansteigt.
Im Allgemeinen werden die im Zustand der niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeit sowie im Zustand des größeren Fahrpedalwinkels zusammen mit dem Betrieb des Oxidationsgaszuführers auftretenden Geräusche und Vibrationen vom Fahrer als störend empfunden. Das Brennstoffzellensystem des Aspekts 8 schränkt die Wärmewertanforderung auf oder unter zumindest entweder die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze oder die auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze ein, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass der Fahrer die zusammen mit dem Betrieb des Oxidationsgaszuführer auftretenden Geräusche und Vibrationen als störend empfindet.
[Aspekt 9] In dem gemäß einem der Aspekte 1 bis 8 beschriebenen Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug montiert ist, weist das Brennstoffzellensystem außerdem auf: eine Verlangsamungsanforderungs-Erhalteeinrichtung, die konfiguriert ist, um eine Verlangsamungsanforderung für das Fahrzeug zu erhalten, wobei, in Reaktion auf die Verlangsamungsanforderung der Gaszufuhrströmungsregler die Gaszuführströmungsrate reguliert, um eine Variation der regulierten Gaszuführströmungsrate zu erreichen, die nicht höher als ein voreingestellter Wert sein darf.
Das Brennstoffzellensystem des Aspekts 9 begrenzt die Variation der regulierten Gasströmungsrate bei Vorliegen einer Verlangsamungsanforderung auf oder unter den voreingestellten Wert ein. Durch diese Vorkehrung wird verhindert, dass die zusammen mit dem Betrieb des Oxidationsgaszuführers auftretenden Geräusche und Vibrationen bei einer Variation der Gaszuführströmungsrate, anstelle der Verlangsamungsanforderung, ansteigt und dies durch den Fahrer als störend empfunden werden kann.
Figurenliste

1 ist eine erläuternde graphische Darstellung der allgemeinen Konfiguration eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine erläuternde graphische Darstellung einer exemplarischen Einstellung des Kennfeldes 63b eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, das in 1 gezeigt ist;
3 ist eine exemplarische graphische Darstellung von exemplarischen Einstellungen des Kennfelds 63e einer Luftfehlmenge, das in 1 gezeigt ist;
4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Ablaufs eines Luftzuführsteuerungsvorgangs, der in dieser Ausführungsform ausgeführt wird;
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Ablaufs eines Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgangs;
6 ist eine erläuternde graphische Darstellung zum Bestimmen der Konzentrationsüberspannung;
7 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen der Luftzufuhr des Luftkompressors in dem Luftzuführ-Steuerungsvorgang der Ausführungsform;
8 ist ein Flussdiagramm, das einen weiteren exemplarische Ablauf eines Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgangs zeigt, der in einer zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
9 ist eine erläuternde schematische Darstellung der allgemeinen Konfiguration eines Brennstoffzellensystems in einer dritten Ausführungsform;
10 ist ein Flussdiagramm, das einen exemplarischen Ablauf eines Wärmewertanforderungs-Einstellungsvorgangs zeigt, der in einer dritten Ausführungsform ausgeführt wird;
11 ist eine erläuternde graphische Darstellung von exemplarischen Einstellungen des Kennfelds einer ersten Wärmewertgrenze und des Kennfelds einer zweiten Wärmewertgrenze, die in 9 gezeigt sind;
12 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Kennfelds 63i einer Soll-Aufwärmtemperatur, das in 9 gezeigt ist;
13 ist eine erläuternde graphische Darstellung von exemplarischen Einstellungen eines Kennfelds 63h eines von der BZ benötigten Wärmewerts, das in 9 gezeigt ist;
14 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Ablaufs eines BZ-Luftanforderungs-Bestimmungsvorgangs, der in einer vierten Ausführungsform ausgeführt wird; und
15 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Kennfelds einer Luftfehlmenge, das gemäß einer Modifikation 1 angewendet werden kann.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
A. Erste Ausführungsform
A.1 Systemkonfiguration
1 ist ein erläuternde schematische Darstellung der allgemeinen Konfiguration eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform ist an einem Elektrofahrzeug montiert, um dort als ein Antriebleistungszuführsystem verwendet zu werden. Das Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Wasserstoffgas-Zuführweg 51, einen Anoden-Offgas- bzw. Anodenabgas-Abgasweg 52, einen Wasserstoffgas-Umgehungsweg 53, einen Luftzuführweg 54, einen Kathoden-Offgas- bzw. Kathodenabgas-Abgasweg 55, einen Luftumgehungsweg 56, einen Wasserstofftank 31, ein Sperrventil 42, ein Wasserstoffgas-Zuführventil 43, ein Ableitventil 46, eine Umwälzpumpe 47, einen Luftkompressor 32, einen Druckregler 45, ein Umgehungsventil 44, einen Temperatursensor 16, einen Gleichstromwandler 210, eine Sekundärbatterie 220, eine Ladezustandsschätzeinrichtung 221 und eine Steuerungseinheit 60.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist als ein Stapel von einer Mehrzahl von Einheitszellen 20 bereitgestellt. Die Einheitszelle 20 beinhaltet einen Anodenseparator 21, eine eine Elektrolytmembran enthaltende MEA (Membranelektrodenanordnung) 22 und einen Kathodenseparator 23. Die MEA 22 ist zwischen dem Anodenseparator 21 und dem Kathodenseparator 23 angeordnet.
Der Wasserstoffgas-Zuführweg 51 verbindet den Wasserstofftank 31 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 und führt das aus dem Wasserstofftank 31 zugeführte Wasserstoffgas in den Brennstoffzellenstapel 10 ein. Der Anodenabgas-Abgasweg 52 führt das Anodenabgas (überschüssige Wasserstoffgas) von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 10 ab. Der Wasserstoffgas-Umgehungsweg 53 verbindet den Anodenabgas-Abgasweg 52 mit dem Wasserstoffgaszuführweg 51 und führt das von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführte Wasserstoffgas (d. h. das an der Reaktion unbeteiligte Wasserstoffgas) an den Wasserstoffgas-Zuführweg 51 ab.
Der Luftzuführweg 54 verbindet den Luftkompressor 32 mit den Brennstoffzellenstapel 10 und führt die von dem Luftkompressor 32 zugeführte Druckluft in den Brennstoffzellenstapel 10 ein. Der Kathodenabgas-Abgasweg 55 führt das Kathodenabgas von den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 10 ab. Während einer normalen Betriebsbedingung beinhaltet das Kathodenabgas die an der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 unbeteiligte Luft und das durch die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Wasser. Im Zustand des Niedereffizienzbetriebs beinhaltet das Kathodenabgas Wasserstoff, der durch die in der nachstehend angegebenen chemischen Gleichung (1) ausgedrückte chemische Reaktion an den Kathoden während des Niedereffizienzbetriebs erzeugt wird (und der nachstehend als „Pumpwasserstoff“ bezeichnet wird), sowie überschüssige Luft und das entstandene Wasser. In dieser Ausführungsform ist unter dem Begriff „Niedereffizienzbetrieb“ ein Betrieb mit einer gegenüber dem Normalbetrieb (wenn der Brennstoffzellenstapel 10 an einem Betriebspunkt auf einem I-V-Kennlinienverlauf betrieben wird) geringeren Leistungserzeugungseffizienz zu verstehen. 2H⁺ + 2e^- → H₂ (1)
Die Luftumgehungsweg 56 ist so angeordnet, dass er den Luftzuführweg 54 mit dem Kathodenabgas-Abgasweg 55 verbindet und die dem Kathodenabgas-Abgasweg 55 von dem Luftkompressor 32 zugeführte Luft nicht über den Brennstoffzellenstapel 10 einführt.
Der Wasserstofftank 31 speichert ein Hochdruck-Wasserstoffgas. Das Sperrventil 42 befindet sich an einem Wasserstoffgasauslass (nicht gezeigt) des Wasserstofftanks 31, um die Zufuhr des Wasserstoffgases zu starten und zu unterbrechen. Das Wasserstoffgas-Zuführventil 43 befindet sich in dem Wasserstoffgas-Zuführweg 51. Der Druck und die Strömungsrate des dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Wasserstoffgases sind durch Regulieren der Ventilöffnung des Wasserstoffgas-Zuführventils 43 einstellbar. Das Ableitventil 46 wird betätigt, um das Anodenabgas freizusetzen, das durch den Anodenabgas-Abgasweg 52 in die Atmosphäre abgeführt wird. Die Umwälzpumpe 47 befindet sich in dem Wasserstoffgas-Umgehungsweg 53, um das Wasserstoffgas von dem Anodenabgas-Abgasweg 52 in den Wasserstoffgas-Zuführweg 51 einzuführen.
Der Luftkompressor 32 befindet sich in dem Luftzuführweg 54, um die externe Saugluft mit Druck zu beaufschlagen und die Druckluft dem Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführen. Der Luftkompressor 32 kann beispielsweise ein Zentrifugalkompressor sein, der die Drehung des Impellers zur Luftkompression nutzt, oder ein Axialkompressor sein, der die Drehung des Rotors (Rotorblatts) zur Luftkompression nutzt. Die Antriebsleistung für den Luftkompressor 32 wird vom Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Der Druckregler 45 wird betrieben, um den Druck (Gegendruck) des Brennstoffzellenstapels 10 zu regulieren. Das Umgehungsventil 44 befindet sich in dem Luftumgehungsweg 56, um die Menge der von dem Luftzuführweg 54 in den Kathodenabgas-Abgasweg 55 eingeführten Luft zu regulieren. Der Temperatursensor 16 befindet sich in dem Kathodenabgas-Abgasweg 55 nahe dem Brennstoffzellenstapel 10. In dieser Ausführungsform wird die durch den Temperatursensor 16 gemessene Temperatur als die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und als die Temperatur der Sekundärbatterie 220 verwendet.
Der Gleichstromwandler 210 ist mit sowohl der Sekundärbatterie 220 als auch dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden und dient dazu, eine Gleichstromspannung, die von der Sekundärbatterie 220 zugeführt wird, zu erhöhen und die erhöhte Spannung an eine Last über einen Inverter (nicht gezeigt) abzugeben. In dieser Ausführungsform beinhaltet die Last einen Antriebsmotor 200 für das Elektrofahrzeug sowie Nebenaggregate, wie z. B. den Luftkompressor 32 und die Umwälzpumpe 47. Der Gleichstromwandler 210 dient zudem dazu, die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten elektrischen Leistung zu senken und die Sekundärbatterie 220 mit der elektrischen Leistung der gesenkten Spannung zu laden. Die Sekundärbatterie 220 kann eine beliebige Batterie von verschiedenen Batterien, beispielsweise eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithium-Sekundärbatterie sein. Die Ladzustandsschätzeinrichtung 221 schätzt den Ladezustand der Sekundärbatterie.
Die Steuereinheit 60 ist mit dem Luftkompressor 32, dem Gleichstromwandler 210 und den Ventilen 42 bis 47 elektrisch verbunden, um die Betriebsabläufe dieser Komponenten zu steuern. Die Steuerungseinheit 60 ist ebenso mit dem Temperatursensor 16 und der Ladezustands-Schätzeinrichtung 221 elektrisch verbunden, um die Messergebnisse und Schätzungen von diesen Komponenten zu empfangen.
Die Steuerungseinheit 60 beinhaltet eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 61, einen RAM (Direktzugriffspeicher) 62, und einen ROM (Nur-Lese-Speicher) 63. Der ROM 63 speichert ein Steuerprogramm (nicht gezeigt), das ausgeführt wird, um die Betriebsabläufe des Brennstoffzellensystems 100 zu steuern. Die CPU 61 führt dieses Steuerungsprogramm unter Zuhilfenahme des ROM 62, der als ein Betriebs-Controller 61a dienen soll, einer Brennstoffzellen- (BZ-) Luftanforderungs-Bestimmungseinrichtung 61b, einer Luftzuführungs-Bestimmungseinrichtung 61c, eines Ventil-Controllers 61d und einer Erhalteeinrichtung 61e einer verfügbaren Leistungsabgabe aus.
Der Betriebs-Controller 61a reguliert die Mengen der Reaktionsgase (Luft und Wasserstoffgas), die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden, und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, um die Leistungsabgabe (Menge der Leistungserzeugung) und den Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 zu steuern. Die Menge der Luft wird reguliert, indem die Drehzahl des Luftkompressors 32 eingestellt wird. Die Strömungsrate des Wasserstoffgases wird durch Einstellen der Ventilöffnung des Wasserstoffgas-Zuführventils 43 über den Ventil-Controller 61d reguliert. Die Leistungssteuerung des Brennstoffzellenstapels 10 wird über den Gleichstromwandler 210 ausgeführt. Der Betriebs-Controller 61a berechnet eine Leistungsabgabenanforderung oder eine benötigte Menge einer Leistungsabgabe für den Brennstoffzellenstapel 10 anhand des Fahrpedalöffnungswinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit (nicht gezeigt).
Ein Drehzahl-Kennfeld 63a, ein Kennfeld 63b eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, ein Kennfeld 63c eines Ventilöffnungswinkels, ein Kennfeld 63d einer verfügbaren Leistungsabgabe und ein Kennfeld 63a einer Luftfehlmenge werden im Voraus im ROM 63 gespeichert. Das Drehzahl-Kennfeld 63a korreliert die Impellerdrehzahl des Luftkompressors 32 mit der Luftzufuhr oder zugeführten Menge der Luft des Luftkompressors 32 und wird im Voraus empirisch oder anderweitig eingestellt.
2 ist eine erläuternde graphische Darstellung einer beispielhaften Einstellung des Kennfelds 63b eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, das in 1 gezeigt ist. Das Kennfeld von 2 ist mit dem stöchiometrischen Luftverhältnis als Abszisse und mit einer Konzentrationsüberspannung als Ordinate angelegt. Im Zustand des Niedereffizienzbetriebs wendet des Brennstoffzellensystem 100 ein bekanntes Verfahren zum Begrenzen der Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 10 an, um die Konzentrationsüberspannung zu erzeugen und dadurch die Menge der Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 zu erhöhen. Die Beziehung der Konzentrationsüberspannung zum stöchiometrischen Luftverhältnis im Zustand des Niedereffizienzbetriebs wird im Voraus empirisch oder anderweitig bestimmt. Unter dem Begriff „stöchiometrisches Luftverhältnis“ ist ein Verhältnis der dem Brennstoffzellenstapel 10 tatsächlich zugeführten Luftmenge zu der theoretischen Luftanforderung oder theoretisch benötigten Luftmenge zum Betreiben einer jeden der in dem Brennstoffzellenstapel 10 beinhalteten Einheitszellen 20 an einem Betriebspunkt auf dem IV-Kennlinienverlauf gemeint. Wie in 2 gezeigt ist, ergibt das höhere stöchiometrische Luftverhältnis (d. h. die größere Luftzufuhr) die geringere Konzentrationsüberspannung an, und die Konzentrationsüberspannung nimmt bei einem stöchiometrischen Luftverhältnis in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 abrupt ab.
Das in 1 gezeigte Ventilöffnungswinkel-Kennfeld 63c korreliert die Mengen der Luft mit dem Ventilöffnungswinkeln des Umgehungsventils 44 und des Druckreglers 45. Der größere Ventilöffnungswinkel des Umgehungsventils 44 ergibt die größere Luftmenge in dem Luftumgehungsventil 56. Der größere Ventilöffnungswinkel des Druckreglers 45 ergibt die größere Luftmenge in dem Luftzuführweg 54 und die größere Luftmenge in dem Kathodenabgas-Abgasweg 55. In dem Brennstoffzellensystems 100 werden die Beziehungen der Luftmengen zu den Ventilöffnungswinkeln des Umgehungsventils 44 und des Druckreglers 45 im Voraus empirisch bestimmt und im ROM 63 gespeichert. Das Kennfeld 63d einer verfügbaren Leistungsabgabe korreliert den Ladezustand der Sekundärbatterie 220 und der Temperatur der Sekundärbatterie 220 mit der verfügbaren maximalen Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie 220. Der höhere Ladezustand der Sekundärbatterie 220 ergibt die größere verfügbare Leistungsabgabe, und die höhere Temperatur der Sekundärbatterie 220 ergibt ebenso die größere verfügbare Leistungsabgabe. Die Beziehungen der verfügbaren Leistungsabgabe oder einer verfügbaren Menge der Leistungsabgabe zu dem Ladezustand der Sekundärbatterie 220 und zu der Temperatur des Sekundärbatterie 220 werden im Voraus empirisch bestimmt und in Form des Kennfelds 63d einer verfügbaren Leistungsabgabe im ROM 63 gespeichert.
3 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Kennfelds 63e einer Luftfehlmenge, das in 1 gezeigt ist. Das Kennfeld von 3 ist mit einer verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 als Abszisse und mit einer Luftfehlmenge in der Luftzufuhr von dem Luftkompressor 32 als Ordinate angelegt.
Da die Sekundärbatterie 220 in der Niedertemperaturumgebung einen relativ niedrigen Wert der verfügbaren Leistungsabgabe aufweist, kann es für den Luftkompressor 32 zu einer verfehlten bzw. nicht erfolgten Zufuhr einer Leistungsabgabeanforderung oder benötigten Menge einer Leistungsabgabe kommen, die einer voreingestellten Luftzuführreaktion entsprechen soll. In dieser Ausführungsform handelt es ich bei einer Erhöhung der Luftzufuhr von 3.700 NI (Normalliter)/min als die maximale Luftzufuhr in 1 Sekunde um die voreingestellte Luftzuführreaktion. Bei der maximalen Luftzufuhrreaktion wird die Luftzufuhr von 0 NI/min auf 3.700 NI/min in 1 Sekunde in Reaktion auf die Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer aus dem Leerlaufzustand (mit einem Fahrpedalöffnungswinkel von 0 %) in den maximalen Fahrpedal-Betätigungs-Zustand (mit einem Fahrpedalöffnungswinkel von 100 %) unter der Bedingung einer nicht erfolgenden Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 10 erhöht. Hier wird angenommen, dass die zum Antreiben des Luftkompressors 32 benötigte elektrische Leistung, um dieser maximalen Reaktion zu entsprechen, 50 kW beträgt. Die maximale Luftzuführreaktion ist nicht erreichbar, wenn die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220, die gemäß dem Ladezustand und der Temperatur der Sekundärbatterie 220 bestimmt wird, 40 kW beträgt. Die maximale Luftzuführreaktion ist hingegen erreichbar, wenn die bestimmte verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 größer oder gleich 50 kW ist. Durch das Brennstoffzellensystem 100 wird die Beziehung zwischen der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 und der Luftfehlmenge (NI/min), um der voreingestellten Luftzuführreaktion unter der Bedingung einer nicht erfolgten Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zu entsprechen, empirisch oder anderweitig bestimmt und die bestimmte Beziehung in Form eines Kennfelds 63e einer Luftfehlmenge eingestellt.
Wie in dem Kennfeld 63e einer Luftfehlmenge von 3 gezeigt ist, nimmt die Luftfehlmenge bei einem Anstieg der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 ab und erreicht bei der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220, die größer oder gleich 50 kW ist, den Wert null. Das heißt, dass der Anstieg der Luftzufuhr auf 3.700 NI/min als die maximale Luftzufuhr in 1 Sekunde in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung durch den Fahrer auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100 % unter der Bedingung einer nicht erfolgten Luftzufuhr zu dem Luftkompressor 32 erreichbar ist, wenn die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 mindestens 50 kW beträgt. Die Luftfehlmenge beträgt 3.700 NI/min bei der verfügbaren Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie 220, die gleich 0 kW ist. Das bedeutet, dass 3700 NI/min in der Luftzufuhr fehlen, wenn die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 0 kW beträgt.
Unter der Bedingung einer Luftzufuhr von dem Luftkompressor 32 kann die voreingestellte Luftzuführreaktion selbst dann erreicht werden, wenn die Sekundärbatterie 220 einen relativ niedrigen verfügbaren Leistungsabgabewert aufweist. Wenn zum Beispiel die Luftzufuhranforderung oder benötigte Menge der Luftzufuhr, die in 1 Sekunde in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100 % aufgebracht werden soll, aufgrund der Luftzufuhr von dem Luftkompressor 32 1000 NI/min beträgt, kann sogar die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 unter 50 kW der voreingestellten Luftzuführreaktion entsprechen (d. h. der Anstieg der Luftzufuhr von 3700 NI/min in 1 Sekunde). In den Ansprüchen der Erfindung entsprechend die Luftzufuhr von 3700 NI/min und die Zeit von 1 Sekunde in diesem veranschaulichten Beispiel jeweils der voreingestellten Gasströmungsrate und der voreingestellten Zeitspanne. Die voreingestellte Luftzuführreaktion ist nicht auf die Erhöhung der Luftzufuhr auf 3.700 NI/min in 1 Sekunde beschränkt, sondern kann eine beliebige Luftzuführreaktion sein, um die Luftzufuhr auf eine beliebige Gasströmungsrate in einer beliebigen Zeitspanne zu erhöhen.
Neben den vorstehend erläuterten Komponenten beinhaltet das Brennstoffzellensystem 100 einen Mechanismus zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 10 mit einem Kühlmittel (z. B. einen Kühlmittel-Umwälzweg und einen Strahlkörper). Das Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet ferner einen Heizmechanismus (nicht gezeigt), um die Fahrgastzelle des Fahrzeugs durch Verwendung des durch den Brennstoffzellenstapel 10 erwärmten Kühlmittels aufzuheizen.
Wenn beim Start des Brennstoffzellensystems 100 die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 0° C unterschreitet, initiiert das Brennstoffzellensystem 100 den Niedereffizienzbetrieb, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu erwärmen.
In dem Zustand, in dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 niedriger als 10° C ist, wird das mit dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgestattete Elektrofahrzeug in den nichtfahrbaren Zustand versetzt, um die Fahrbetriebsstabilität beizubehalten. Das Elektrofahrzeug wird in den fahrbaren Zustand versetzt, sobald die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 im Verlauf des Niedereffizienzbetriebs auf oder über 0° C ansteigt. In dem Zustand, in dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 unter 0° C liegt, wird der Niedereffizienzbetrieb ausgeführt, um die Leistungsabgabe (die Leistung des Ausgebens der elektrischen Leistung, um einer Leistungsabgabeanforderung oder einer benötigten Menge einer Leistungsabgabe zu entsprechen, oder die am kürzesten mögliche Zeitspanne, um der Leistungsabgabeanforderung zu entsprechen) zu senken und den Wärmewert zu erhöhen, um das Elektrofahrzeug innerhalb einer minimal möglichen Zeit in den fahrbaren Zustand zu versetzen. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 auf 0° C ansteigt, setzt das Brennstoffzellensystem 100 den Niedereffizienzbetrieb fort und führt einen Luftzufuhr-Steuerungsvorgang (auf den später eingegangen wird) aus, um die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 zu verbessern. In dieser Ausführungsform steht der Begriff „Wärmeerzeugungsreaktion“ für die Leistung, die vollzogen wird, um einer Wärmewertanforderung oder einer benötigten Wärmemenge zu entsprechen, oder die am kürzesten mögliche Zeitspanne, um der Wärmewertanforderung tatsächlich zu entsprechen.
Der Luftkompressor 32 gemäß dieser Ausführungsform entspricht dem Oxidationsgaszuführer in den Ansprüchen der Erfindung. Das Umgehungsventil 44 und der Druckregler 45 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen dem Strömungssteuerungsventil in den Ansprüchen der Erfindung. Die Ladezustandsschätzeinrichtung 221 und der Temperatursensor 16 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen jeweils der Erhalteeinrichtung für eine verfügbare Leistungsabgabe und der Temperatur-Erhalteeinrichtung gemäß den Ansprüchen der Anmeldung. Der Betriebs-Controller 61a gemäß dieser Ausführungsform entspricht dem Gaszufuhrströmungsregler, dem Betriebs-Controller, der Wasserrückstandsmengen-Erhalteeinrichtung, der Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung, der Geschwindigkeits-Erhalteeinrichtung, der Fahrpedalöffnungswinkel-Erhalteinrichtung und der Verlangsamungsanforderungs-Erhalteeinrichtung gemäß den Ansprüchen der Erfindung.
A2. Luftzufuhr-Steuerungsvorgang
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 im Verlauf des Niedereffizienzbetriebs beim Start auf 0° C erhöht wird und das Elektrofahrzeug in den fahrbaren Zustand versetzt wird, aktiviert des Brennstoffzellensystem 100 einen Luftzufuhr-Steuerungsvorgang.
4 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Ablaufs eines Luftzuführsteuerungsvorgangs, der in dieser Ausführungsform ausgeführt wird. Der Betriebs-Controller 61a stellt eine Gesamtleistungsabgabeanforderung für den Antriebsmotor 200 und die Nebenaggregate, basierend auf dem Fahrpedalöffnungswinkel (nicht gezeigt) und der Geschwindigkeit des Elektrofahrzeugs (Schritt S105) ein und stellt anschließend eine Wärmewertanforderung ein (Schritt S110). In dieser Ausführungsform wird das Ergebnis der Subtraktion (das nachstehend als „maximaler Wärmewert“ bezeichnet wird) des auf den Nebenaggregaten basierten Verlustes (d. h. der Menge der Leistungszufuhr zu den Nebenaggregaten) von der maximal erzeugbaren Energie des Brennstoffzellenstapels 10 im Voraus als die Wärmewertanforderung in dem Niedereffizienzbetrieb eingestellt. Der Betriebs-Controller 61a stellt dementsprechend diesen maximalen Wärmewert auf die Wärmewertanforderung ein. Der Betriebs-Controller 61a stellt anschließend einen Soll-Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 ein (Schritt S115).
5 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Ablaufs eines Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgangs. Der Betriebs-Controller 61a berechnet einen Stromwert (Soll-Stromwert) Iref an einem Soll-Betriebspunkt gemäß einer nachstehend angegebenen Gleichung (2) (Schritt S205). $Iref = (Pfc + Ploss) / VI * n$
In einer Gleichung (2) stellen „Pfc“, „Ploss“, „VI“ und „n“ jeweils die Leistungsabgabeanforderung, die Wärmewertanforderung, die theoretische elektromotorische Kraft pro Einheitszelle und die Anzahl der Einheitszellen 20 dar, die in dem Brennstoffzellenstapel 10 enthalten sind.
Der Betriebs-Controller 61a berechnet dann einen Spannungswert (Soll-Spannungswert) Vref an dem Soll-Betriebspunkt gemäß einer nachstehend angegebenen Gleichung (3) (Schritt S210): $Vref = Pfc / Iref$
In der Gleichung (3) haben Pfc und Iref die gleiche Bedeutung wie in Gleichung (2).
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 nimmt der Betriebs-Controller 61a nach der Einstellung des Soll-Betriebspunkts Bezug auf das Kennfeld 63b eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, um das stöchiometrische Luftverhältnis gemäß der Konzentrationsüberspannung zu bestimmen (Schritt S120).
6 ist eine erläuternde graphische Darstellung zum Bestimmen der Konzentrationsüberspannung. Das Kennfeld von 6 ist mit einem Stromwert des Brennstoffzellenstapel 10 als Abszisse und einem Spannungswert des Brennstoffzellenstapels 10 als Ordinate angelegt. In dem Kennfeld von 6 stellt eine Kurve Lc einen I-V-Kennlinienverlauf (Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf) des Brennstoffzellenstapels 10 dar. Eine Kurve Lq stellt einen gleichmäßigen Wärmewertverlauf einer bestimmten Wärmewertanforderung dar. Eine Kurve Lp stellt einen gleichmäßigen Leistungsverlauf einer bestimmten Leistungsabgabeanforderung dar.
Ein in 6 gezeigter Betriebspunkt P2 erfüllt sowohl die Leistungsabgabeanforderung (Kurve Lp) als auch die Wärmewertanforderung (Kurve Lq) und wird bei Schritt S115 dementsprechend als der Soll-Betriebspunkt eingestellt. Ein weiterer Betriebspunkt P1 befindet sich auf dem I-V-Kennlinienverlauf des Brennstoffzellenstapels 10 und trifft auf den Soll-Stromwert Iref. Die Konzentrationsüberspannung wird als eine Differenz zwischen einer Spannung V0 am Betriebspunkt P1 und einer Spannung Vref am Soll-Betriebspunkt P2 erhalten. Der Betriebs-Controller 61a nimmt Bezug auf das Kennfeld 63b eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, das in 2 gezeigt ist, um das stöchiometrische Luftverhältnis entsprechend der so erhaltenen Konzentrationsüberspannung zu bestimmen.
Der Betriebs-Controller 61a steuert die BZ-Luftanforderungs-Bestimmungseinrichtung 61b, um eine Luftanforderung Afc oder eine benötigte Luftmenge für den Brennstoffzellenstapel 10 (die nachstehend als eine „BZ-Luftanforderung“ bezeichnet wird) gemäß einer nachstehend angegebenen Gleichung (4) zu bestimmen (Schritt S125): $Afc = Iref * (n * 22,4 * 60 / 4 * 96500 * 0,21) * (stochiometrisches Luftverh \ddot{a} ltnis)$
In der Gleichung (4) bezeichnen die Konstante „n“, die Konstante „22,4“, die Konstante „60“, die Konstante „96500“ und die Konstante „0,21“ jeweils die Anzahl der Einheitszellen 20, die in dem Brennstoffzellenstapel enthalten ist, einen Faktor, der zum Umwandeln der Luftmenge (Mol) in das Luftvolumen (Liter) verwendet wird, einen Faktor, der um Umwandeln von Minute in Sekunde verwendet wird, die Faraday-Konstante und den Sauerstoffgehalt in der Luft. Das bei Schritt 120 bestimmte stöchiometrische Luftverhältnis wird als das stöchiometrische Luftverhältnis in der Gleichung (4) verwendet.
Der Betriebs-Controller 61a nimmt Bezug auf das Kennfeld 63d der verfügbaren Leistungsabgabe, um die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 gemäß dem Ladezustand, der von der Ladezustands-Schätzeinrichtung 221 empfangen wird, und der von dem Temperatursensor 16 empfangenen Temperatur (d. h. der Temperatur des Sekundärbatterie 220) zu bestimmen (Schritt S130).
Der Betriebs-Controller 61a nimmt anschließend Bezug auf das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e, um eine Luftfehlmenge Alc gemäß der verfügbaren Leistungsabgabe zu bestimmen, die bei Schritt S130 bestimmt wurde (Schritt S135).
Der Betriebs-Controller 61a vergleicht dann die BZ-Luftanforderung Afc, die bei S125 bestimmt wurde, mit der Luftfehlmenge Alc, die bei Schritt S135 bestimmt wurde, und bestimmt, ob die BZ-Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Alc ist (Schritt S140).
Wenn die BZ-Luftanforderung Afc nicht kleiner als die Luftfehlmenge Ale ist (Schritt S140: NEIN), steuert der Betriebs-Controller 61c die Luftzuführbestimmungseinrichtung 61c, um die Luftmenge gleich der BZ-Luftanforderung Afc als eine Luftzufuhr Aac oder eine zugeführte Luftmenge des Luftkompressors 32 (die nachstehend einfach als „Luftzufuhr Aac“ bezeichnet wird) einzustellen (Schritt S145).
Nachdem die Luftzufuhr Aac bei Schritt S145 eingestellt worden ist, steuert der Betriebs-Controller 61a den Ventil-Controller 61d, um das Umgehungsventil 44 und den Druckregler 45 basierend auf der Luftmenge in dem Luftumgehungsweg 56 (die nachstehend als eine „Umgehungsluftmenge Abp“ bezeichnet wird) und der BZ-Luftanforderung Afc einzustellen (Schritt 160). Die Einstellung von Schritt S160 wird auch nach der bei Schritt S155 erfolgenden Einstellung (auf die später eingegangen wird) vorgenommen. Bei Schritt S 160, der nach der Einstellung von Schritt S 145 ausgeführt wird, stellt der Betriebs-Controller 61a die Umgehungsluftmenge Apb mit 0 ein und stellt die Öffnung bzw. den Öffnungswinkel des Umgchungsvcntils 44 auf 0 % ein. In einer alternativen Vorgehensweise können die Erzeugungsmenge des Pumpwasserstoffs in dem Brennstoffzellenstapel 10 und die Luftmenge, die für eine Verdünnung des Pumpwasserstoffs benötigt wird, geschätzt werden, und kann die Öffnung des Umgehungsventils 44 eingestellt werden, um die geschätzte Luftmenge zur Verdünnung der Strömung in dem Luftumgehungsweg 56 zu erzeugen. In diesem Fall wird die Summe der BZ-Luftanforderung Afc und die geschätzte Luftmenge zur Verdünnung für die Luftzufuhr Aac eingestellt.
Der Betriebs-Controller 61a nimmt Bezug auf das Drehzahl-Kennfeld 63a, um die Drehzahl des Luftkompressors 32 gemäß der bei Schritt S145 eingestellten Luftzufuhr Aac zu bestimmen, und steuert den Luftkompressor 32, um die bestimmte Drehzahl zu erreichen (Schritt S165). Durch die Steuerung von Schritt S165 wird die Zufuhr der BZ-Luftanforderung Afc zum Brennstoffzellenstapel 10 erreicht. Die BZ-Luftanforderung Afc ist größer als die Luftfehlmenge, die gemäß der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 bestimmt wird. Wenn in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100 % die BZ-Luftanforderung Afc mit 3.700 NI/min neu eingestellt wird, wird durch ein Erhöhen der Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 die neu eingestellte BZ-Luftanforderung Afc innerhalb von 1 Sekunde erreicht.
Bei der Bestimmung bei Schritt S140, dass die BZ-Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Alc ist, stellt der Betriebs-Controller 61a die Luftmenge genauso groß wie die Luftfehlmenge Ale ein, die bei Schritt 135 als die Luftzufuhr Aac bestimmt wurde (Schritt S150). In diesem Fall wird die von dem Luftkompressor 32 zugeführte Luftzufuhr Aac größer als die BZ-Luftanforderung Afc. Der Betriebs-Controller 61 stellt dementsprechend die Luftmenge ein, die der Differenz zwischen der Luftfehlmenge Ale und der BZ-Luftanforderung Afc zur Umgehungsluftmenge Abp entspricht (S155). Der Betriebs-Controller 61a führt dann die Einstellungen der vorstehend erläuterten Schritte S160 und S165 aus. Bei einer alternativen Vorgehensweise kann die für die Verdünnung des Pumpwasserstoffs benötigte Luftmenge geschätzt und die geschätzte Luftmenge zur Verdünnung der Umgehungsluftmenge Abp, die bei Schritt S155 eingestellt wurde, hinzugefügt werden, um die Umgehungsluftmenge Abp zu bestimmen. In diesem Fall wird die Summe der Luftfehlmenge Ale und die geschätzte Luftmenge zur Verdünnung als Luftzufuhr Aac eingestellt.
Wenn die BZ-Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Ale ist, wird die Abfolge von Verarbeitungsschritten S150 bis S165 ausgeführt, um die Luftfehlmenge Ale aus dem Luftkompressor 32 zuzuführen, die BZ-Luftanforderung Afc, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, zu erreichen und um zu ermöglichen, dass die Luftmenge, die der Differenz zwischen der Luftfehlmenge Alc und der BZ-Luftanforderung Afc entspricht, dem Luftumgehungsweg 56 zugeführt werden kann. Wenn in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung auf einen Fahrpedalöffnungswinkel von 100% 3.700 NI/min als die BZ-Luftanforderung Afc neu eingestellt werden, wird dadurch, das die Umgehungsluftmenge Abp auf 0 eingestellt wird, und die Luftmenge, die der Umgehungsluftmenge Abp entspricht, der BZ-Luftanforderung Afc hinzugefügt wird, ermöglicht, dass die gemäß der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 bestimmte Luftfehlmenge Alc durch die Luftzufuhr Aac ausgeglichen werden kann. Dadurch wird die voreingestellte Luftzuführreaktion erreicht.
7 ist eine exemplarische graphische Darstellung von exemplarischen Einstellungen der Luftzufuhr des Luftkompressors in dem Luftzufuhr-Steuerungsvorgang gemäß der Ausführungsform. Das Kennfeld von 7 ist mit einer verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 als Abszisse und einer Luftzufuhr des Luftkompressors 32 als Ordinate angelegt. Der Einfachheit halber ist das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e von 3 als ein mit gestrichelter Linie gezeigter Verlauf in 7 gezeigt.
Wenn in einem Beispiel die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 30 kW beträgt, und die BZ-Luftanforderung, um dem Soll-Betriebspunkt zu entsprechen, 4.000 NI/min beträgt (Betriebspunkt u2), ist bei dieser verfügbaren Leistungsabgabe (30 kW) diese BZ-Luftanforderung größer als die Luftfehlmenge (3.000NI/min). Wenn in diesem Fall in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100% 3700 NI/min als die BZ-Luftanforderung Afc neu eingestellt wird, wird durch das Einstellen der BZ-Luftanforderung von 4.000 NI/min als die Luftzufuhr Aac ermöglicht, dass die BZ-Luftanforderung Afc von 3.700 NI/min innerhalb von 1 Sekunde erreicht werden kann und dadurch der voreingestellten Luftzuführreaktion entsprochen wird.
Wenn in einem weiteren Beispiel die verfügbare Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 30 kW beträgt, und die BZ-Luftanforderung, um dem Soll-Betriebspunkt zu entsprechen, 1.500 NI/min beträgt (Betriebspunkt u1), ist diese BZ-Luftanforderung kleiner als die Luftfehlmenge (3000 NI/min) bei dieser verfügbaren Leistungsabgabe (30 kW). Die Luftzuführsteuerung wird jedoch so ausgeführt, dass der Luftkompressor 32 an einem Betriebspunkt u0 betrieben wird, wobei die Luftfehlmenge von 3.000 NI/min als die Luftzufuhr Aac eingestellt wird. Wenn in Reaktion auf die Fahrpedalbetätigung auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100 % die BZ-Luftanforderung Afc mit 3.700 NI/min neu eingestellt wird, ermöglicht die Luftzuführsteuerung, dass die BZ-Luftanforderung von 3700 NI/min innerhalb von 1 Sekunde erreicht werden kann und dadurch der voreingestellten Luftzuführreaktion entsprochen wird.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die BZ-Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Alc ist, stellt das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Ausführungsform die Luftfehlmenge Alc als die Luftzufuhr des Luftkompressors 32 ein und führt die Gasströmung, die der Differenz zwischen der Luftfehlmenge Ale und der BZ-Luftanforderung Afc entspricht, dem Luftumgehungsweg 56 zu. Diese Luftzuführsteuerung gewährleistet das Erreichen der voreingestellten Luftzuführreaktion in dem Brennstoffzellensystem 100 in Reaktion auf die anschließende Fahrpedalbetätigung auf den Fahrpedalöffnungswinkel von 100 % und verbessert dadurch die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10. In dem Niedereffizienzbetrieb, der durch die Zufuhr elektrischer Leistung vom Brennstoffzellenstapel 10 zum Antriebsmotor 200 ausgeführt wird, kommt es bei einer Variation des Fahrpedalöffnungswinkels zu einer erheblichen Veränderung der Last. Dies kann eine abrupte Variation der BZ-Luftanforderung Afc bewirken. Bei der Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform kann jedoch selbst im Zustand der geringen verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 in der Niedertemperaturumgebung ein abrupter Anstieg der BZ-Luftanforderung Afc in Reaktion auf einen abrupten Anstieg der Last erreicht werden, wodurch die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion verbessert werden.
In dem Luftzufuhr-Steuerungsvorgang der Ausführungsform wird die Gasströmung, die der Differenz zwischen der Luftfehlmenge Alc und der BZ-Luftanforderung Afc entspricht, dem Luftumgehungsweg 56 zugeführt. Die minimal mögliche Luftzufuhr, um die voreingestellte Luftzuführreaktion zu erreichen, kann somit auf die Luftzufuhr des Luftkompressors 32 eingestellt werden. Bei dieser Vorkehrung wird keine überschüssige Luftmenge für die Luftzufuhr des Luftkompressors 32 eingestellt und ein unnötiger Leistungsverbrauch somit effektiv minimiert.
Das Luftfehlmengen-Kennfeld stellt die Luftfehlmenge bei jeder Stufe bzw. jedem Wert der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 ein. Die Anwendung diese Luftfehlmengen-Kennfelds gewährleistet im Vergleich zu der Vorgehensweise, bei der ein fester Wert einheitlich für die Luftfehlmenge eingestellt wird, die genauere Bestimmung der Luftfehlmenge. In dem Zustand, in dem die BZ-Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Ale ist, wird bei dieser Vorkehrung keine überschüssige Luftmenge für die Luftzufuhr des Luftkompressors 32 eingestellt und somit ein unnötiger Leistungsverbrauch effektiv minimiert.
In dem Zustand, in dem die BZ-Luftanforderung Afc nicht kleiner als die Luftfehlmenge Alc ist, wird hingegen in dem Luftzuführsteuerungsvorgang die BZ-Luftanforderung Afc für die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 eingestellt. Durch diese Einstellung wird das Erreichen der voreingestellte Luftzuführreaktion in dem Brennstoffzellensystem 100 in Reaktion auf die anschließende Fahrpedalbetätigung auf einen Fahrpedalöffnungswinkel von 100% gewährleistet. In diesem Zustand überspringt der Luftzuführsteuerungsvorgang die Einstellungen der Schritte S 150 und S155. Bei dieser Vorkehrung wird der Verarbeitungsablauf im Vergleich zu der Vorgehensweise, bei der die Einstellungen von Schritt S150 und S155 ungeachtet des Werts der Luftfehlmenge Alc bedingungslos vorgenommen werden, effektiv vereinfacht.
B. Zweite Ausführungsform
8 ist ein Flussdiagramm, dass eine exemplarische Abfolge eines Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgangs zeigt, der in einer zweiten Ausführungsform ausgeführt wird. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform ist, mit Ausnahme der zusätzlichen Schritte S215 und S220 zu dem Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgang, ähnlich konfiguriert wie das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform, das in 1 gezeigt ist.
Der Brennstoffzellenstapel 10 weist im Allgemeinen die Funktion einer Kondensatorkomponente (elektrische Kapazität) auf, die eine Kapazität, die durch eine elektrische Doppelschicht an der Schnittstelle zwischen einer elektrolytischen Lösung und einem Katalysatorträger induziert wird, und eine scheinbare Kapazität beinhaltet, die durch die Redoxreaktion eines Katalysators induziert wird. Die Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 kann eine fehlerhafte Leistungsabgabe (Menge der elektrischen Leistung) sowie einen fehlerhaften Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 bewirken. Insbesondere im Fall eines abrupten Anstiegs der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, um den Brennstoffzellenstapel 10 an einem neu eingestellten Soll-Betriebspunkt anzutreiben, wird durch die Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 Energie absorbiert. Durch eine derartige Energieabsorption kann der Brennstoffzellenstapel 10 an einem sich von dem neu eingestellten Soll-Betriebspunkt unterscheidenden Betriebspunkt angetrieben werden. Im Fall einer abrupten Verringerung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 hingegen setzt die Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 Energie frei. In diesem Zustand kann der Brennstoffzellenstapel 10 auch an einem sich von dem neu eingestellten Soll-Betriebspunkt unterscheidenden Betriebspunkt angetrieben werden. Dadurch, dass der Brennstoffzellenstapel 10 an einem sich von dem Soll-Betriebspunkt unterscheidenden Betriebspunkt angetrieben wird, werden die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 gemindert. Bei der Vorgehensweise gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Soll-Betriebspunkt unter Berücksichtigung der Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt, um die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapel 10 zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf den konkreten Verarbeitungsablauf von 8 berechnet der Betriebs-Controller 61a nach der Berechnung des Soll-Stromwerts Iref und des Soll-Spannungswerts Vref bei den Schritten S205 und S210 eine aus der Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 entstehende variierende Energiemenge Pfcc bei einer Spannungsvariation gemäß einer nachstehend angegebenen Gleichung (5) (Schritt S215): $Pfcc = 1 / 2 Cfc* ({Vref}^{2} - {Vorg}^{2}) / Δ T$
In der Gleichung (5) steht Cfc für die Kondensatorkomponente (Kapazität) des Brennstoffzellenstapels 10, und Vorg steht für den Spannungswert zu einem gegenwärtigen Betriebspunkt. In der Gleichung (5) stellt ΔT eine Zeitspanne dar, die in dem Brennstoffzellensystem 100 als eine benötigte Zeit (Spannungssteuerungsreaktion) zum Variieren der Spannung von dem Spannungswert zum gegenwärtigen Betriebspunkt auf den Spannungswert am Soll-Betriebspunkt voreingestellt wird, und z. B. gleich „1 Sekunde“ eingestellt werden.
Der Betriebs-Controller 61a korrigiert den Soll-Stromwert Irf mit der bei Schritt S214 berechneten variierenden Energiemenge Pfcc entsprechend einer nachstehend angegebenen Gleichung (6), um einen korrigierten Soll-Stromwert Iref zu bestimmen (Schritt S220): $Iref' = Iref + Pfcc/Vorg$
In der Gleichung (6) haben Iref und Vorg die gleiche Bedeutung wie in Gleichung (5).
Im Zustand einer Spannungserhöhung wird z. B. durch die Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapel 10 Energie absorbiert bzw. aufgenommen. Wird ein Wert, der höher als der Soll-Stromwert ist, an dem ursprünglichen Soll-Betriebspunkt als der korrigierte Soll-Stromwert eingestellt, wird die Leistungsabgabe um eine Menge einer elektrischen Leistung erhöht, die der absorbierten bzw. aufgenommenen Energie entspricht, und dadurch die aufgenommene Energiemenge (variierende Energiemenge) ausgeglichen bzw. kompensiert. Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (6) gibt den Stromwert zum Kompensieren der variierenden Energie an. In dem Soll-Betriebspunkt-Einstellungsvorgang gemäß dieser Ausführungsform wird der durch die Kombination des Spannungswerts Vref und des korrigierten Stromwerts Iref definierte Betriebspunkt auf einen neuen Soll-Betriebspunkt eingestellt.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform, das die vorstehend erläuterte Konfiguration aufweist, weist ähnliche Effekte und Vorteile wie das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Das Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform korrigiert zusätzlich den Soll-Stromwert, um die variierenden Energiemenge zu kompensieren, die anhand der Kondensatorkomponente (Kapazität) des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer Spannungsvariation entsteht. Selbst im Zustand einer Energievariation, die anhand der Kondensatorkomponente des Brennstoffzellenstapels 10 entsteht, wird durch diese Vorkehrung ermöglicht, dass der Brennstoffzellenstapel 10 an dem ursprünglichen Soll-Betriebspunkt angetrieben werden kann und dadurch die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 verbessert.
C. Dritte Ausführungsform
9 ist eine erläuternde schematische Darstellung der allgemeinen Konfiguration eines Brennstoffzellensystems in einer dritten Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 100a gemäß der dritten Ausführungsform ist ähnlich konfiguriert wie das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ausgenommen, dass ein Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze, ein Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze, ein Kennfeld 63h eines BZ benötigenden Wärmewerts und ein Kennfeld 63i einer Soll-Aufwärmtemperatur im ROM 63 gespeichert sind. Auf die Kennfelder 63f bis 63i wird in der nachstehenden Beschreibung näher eingegangen.
Die Luftzuführsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform stellt den maximalen Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 als die Wärmewertanforderung im Niedereffizienzbetrieb ein. Die Luftzuführsteuerung gemäß der dritten Ausführungsform stellt hingegen die Wärmewertanforderung gemäß der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und der verfügbaren Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 ein.
10 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Ablauf eines Wärmewertanforderungs-Einstellungsvorgangs zeigt, der gemäß einer dritten Ausführungsform ausgeführt wird. In der dritten Ausführungsform wird der Wärmewertanforderungs-Einstellungsvorgang von 10 bei Schritt S 110 von 4 ausgeführt.
Der Betriebs-Controller 61a nimmt Bezug auf den Messwert des Temperatursensors 16 und bestimmt, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 unter 0° C liegt (Schritt S305). Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 unter 0° C liegt, stellt der Betriebs-Controller 61a den maximalen Wärmewert des Brennstoffzellenstapels 10 als die Wärmewertanforderung (Schritt S310) genauso wie in der ersten Ausführungsform ein. Indem der maximale Wärmewerts auf die Wärmewertanforderung unter der Bedingung eingestellt wird, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 unter 0° C liegt, steigt die Temperatur innerhalb einer möglichst kurzen Zeit auf oder über 0° C an, wodurch das Elektrofahrzeug innerhalb einer möglichst kurzen Zeitspanne in den fahrbaren Zustand versetzt wird.
Bei der Bestimmung bei Schritt S305, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 nicht unter 0° C liegt, bestimmt der Betriebs-Controller 61a anschließend, ob die verfügbare Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 eine voreingestellte Leistungsabgabe (elektrische Leistungsmenge) erreicht hat (Schritt S315). Die voreingestellte Leistungsabgabe (Schwellwert), die als das Kriterium von Schritt S315 herangezogen wird, bezeichnet einen Abgabewert, wobei eine garantierte Minimalreaktion als die Abgabereaktion des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wird. Insbesondere kann die voreingestellte Leistungsabgabe ein Abgabewert (z. B. 50 kW) sein, der halb so groß wie die maximale Leistungsabgabe (z. B. 100 kW) des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Die verfügbare Leistungsabgabe kann anhand des Stromwerts und des Spannungswerts an einem gegenwärtigen Betriebspunkt bestimmt werden.
Wenn bestimmt wird, dass die verfügbare Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 die voreingestellte Leistungsabgabe unterschreitet (Schritt S315: Ja), nimmt der Betriebs-Controller 61a Bezug auf das Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze, um eine Obergrenze des Wärmewerts basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen, die anhand eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors (nicht gezeigt) erhalten wird (Schritt S320). Der Betriebs-Controller 61a nimmt zudem Bezug auf das Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze, um eine Obergrenze des Wärmewerts basierend auf dem Fahrpedalöffnungswinkel zu bestimmen, der anhand eines Fahrpedalöffnungswinkelsensors (nicht gezeigt) erhalten wird (Schritt S325).
11 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Kennfelds einer ersten Wärmewertgrenze und des Kennfelds einer zweiten Wärmewertgrenze, die in 9 gezeigt sind. Das obere Kennfeld von 11 ist das Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze, und das untere Kennfeld ist das Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze. Das obere Kennfeld von 11 ist mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit als Abszisse und einem Wärmewert als Ordinate angelegt. Das untere Kennfeld von 11 ist mit einem Fahrpedalöffnungswinkel als Abszisse und einem Wärmewert als Ordinate angelegt.
Das Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze korreliert die Fahrzeuggeschwindigkeit des mit dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestatteten Elektrofahrzeugs mit der Obergrenze der Wärmewertanforderung. Eine Obergrenze „a10“ der Wärmewertanforderung ist beispielsweise bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von „V1“ angesetzt, wie in dem oberen Kennfeld von 11 gezeigt ist. Gemäß dem Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze ist die Wärmewertanforderung auf oder unter den Wert „a10“ bei der Fahrzeuggeschwindigkeit „V1“ begrenzt.
In dem Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze, das in der oberen Hälfe von 11 gezeigt ist, ist die obere Grenze der Wärmewertanforderung so eingestellt, dass sie bei einer Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine voreingestellte Geschwindigkeit V2 ansteigt und bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von oder über der voreingestellten Geschwindigkeit V2 konstant bleibt.
Die Einstellung der Obergrenze der Wärmewertanforderung erfolgt aus folgendem Grund. Unter der Bedingung der hohen Wärmewertanforderung wird die Konzentrationsüberspannung erhöht, um die Reaktion gemäß der vorstehend angegebenen Gleichung (1) zu verbessern. Die verbesserte Reaktion führt zu einer Erhöhung der Menge des Pumpwasserstoffs in dem Brennstoffzellenstapel 10 und dadurch zu einer Erhöhung der Luftmenge, die zur Verdünnung eines solchen Pumpwasserstoffs benötigt wird. Durch die Erhöhung der benötigen Luftmenge wird die Drehzahl des Luftkompressors 32 erhöht, was zu verstärkter Geräuschbildung und Vibrationen führen kann und vom Fahrer als störend empfunden wird. Bei der hohen Fahrzeuggeschwindigkeit liegen jedoch verhältnismäßig starke Fahrgeräusche und Vibrationen, wie z. B. Fahrbahngeräusche, vor, so dass die durch die erhöhte Drehzahl des Luftkompressors 32 bewirkten Geräusche und Vibrationen für den Fahrer relativ unerheblich sind. Durch das Einstellen des kleineren Werts als die Obergrenze der Wärmewertanforderung bei der niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeit wird versucht, das Auftreten von Geräuschen und Vibrationen im Niederdrehzahl-Antriebszustand zu reduzieren. Durch das Einstellen des größeren Werts als die Obergrenze der Wärmewertanforderung bei der höheren Fahrzeuggeschwindigkeit soll die Wärmeerzeugungsreaktion verbessert werden. Die Obergrenze der Wärmewertanforderung wird bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von oder über der voreingestellten Geschwindigkeit V2 auf einen konstant Wert eingestellt, da die Geräusche und Vibrationen, die durch die erhöhte Drehzahl des Luftkompressors 32 bewirkt werden, deutlicher vernommen werden als die Fahrgeräusche und Vibrationen, wie z. B. Fahrbahngeräusche, im Hochdrehzahlzustand bei oder über einem bestimmten Drehzahlwert.
Das Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze, das in der unteren Hälfte von 11 gezeigt ist, korreliert den Fahrpedalöffnungswinkel des mit dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestatteten Elektrofahrzeugs mit der Obergrenze der Wärmewertanforderung. Eine Obergrenze „a20“ der Wärmewertanforderung ist beispielsweise als ein Fahrpedalöffnungswinkel von „D1“ angesetzt, wie in dem unteren Kennfeld von 11 gezeigt ist. Gemäß dem Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze ist die Wärmewertanforderung auf den Wert „a20“ bei dem Fahrpedalöffnungswinkel von „D1“ begrenzt oder unterschreitet denselben.
Wie im Kennfeld 63f einer ersten Wärmewertgrenze ist in dem Kennfeld 63g einer zweiten Wärmewertgrenze, das in der unteren Hälfte von 11 gezeigt ist, die Obergrenze der Wärmewertanforderung so eingestellt, dass die bei einer Vergrößerung des Fahrpedalöffnungswinkels bis auf einen voreingestellten Öffnungswinkel D2 ansteigt und bei dem Fahrpedalöffnungswinkel von oder über dem voreingestellten Öffnungswinkel D2 konstant bleibt.
Die Einstellung der Obergrenze der Wärmewertanforderung wird aus folgendem Grund vorgenommen. Der größere Fahrpedalöffnungswinkel zeigt die Anforderung des Fahrers für die höhere Beschleunigung an. In diesem Fall werden die verstärkte Geräuschentwicklung und die verstärkten Vibrationen, die mit einem Anstieg der Drehzahl des Luftkompressors 32 einhergehen, vom Fahrer kaum als störend empfunden, da die Geräusche und Vibrationen mit einem Anstieg der Beschleunigung zunehmen. Der kleinere Fahrpedalöffnungswinkel hingegen zeigt die Anforderung des Fahrers für eine langsamere Beschleunigung an (z. B. eine Anforderung zum Beibehalten der gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Verlangsamungsanforderung). In diesem Fall werden die starke Geräusch- und Vibrationsentwicklung des Luftkompressors 32 beim Fahrer als störend empfunden.
Durch das Einstellen des kleineren Werts als die Obergrenze der Wärmewertanforderung bei dem kleineren Fahrpedalöffnungswinkel soll das Auftreten von Geräuschen und Vibrationen im Niederdrehzahl-Fahrzustand reduziert werden. Durch das Einstellen des größeren Werts auf die Obergrenze der Wärmewertanforderung bei der höheren Fahrzeuggeschwindigkeit wird versucht, die Wärmeerzeugungsreaktion zu verbessern. Die Obergrenze der Wärmewertanforderung wird bei dem Fahrpedalöffnungswinkel von oder über dem voreingestellten Öffnungswinkel D2 auf einen konstanten Wert eingestellt, da im hohen Beschleunigungszustand bei oder über einem bestimmten Beschleunigungswert die Geräusche und Vibrationen, die durch die erhöhte Drehzahl des Luftkompressors 21 hervorgerufen werden, auf erhebliche Werte ansteigen, die vom Fahrer als störend empfunden werden können.
Unter erneuter Bezugnahme auf 10 vergleicht der Betriebs-Controller 61 nach dem Einstellen der auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierenden Obergrenze der Wärmewertanforderung bei Schritt S325 die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze der Wärmewertanforderung mit der auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierten Obergrenze der Wärmewertanforderung, um die kleiner Obergrenze auszuwählen, und vergleicht außerdem die ausgewählte kleinere Obergrenze mit dem maximalen Wärmewert, so dass der kleinere Wert als die Wärmewertanforderung eingestellt wird (Schritt S330). Wenn der maximale Wärmewert kleiner als sowohl die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze als auch die auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze der Wärmewertanforderung ist, wird der maximale Wärmewert als die Wärmewertanforderung eingestellt. Wenn der maximale Wärmewert größer als zumindest entweder die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze der Wärmewertanforderung ist oder die auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze der Wärmewertanforderung ist, wird die kleinere Obergrenze hingegen als die Wärmewertanforderung eingestellt.
Die Verarbeitung der Schritte S315 bis S330 wird in dem Fall ausgeführt, in dem das Elektrofahrzeug sich in einem fahrbaren Zustand befindet, der Brennstoffzellenstapel 10 sich aber immer noch in dem Zustand befindet, indem noch keine Abgabe der voreingestellten Menge elektrischer Leistung erfolgt ist, die die garantierte minimale Reaktion erreichen würde. Durch die Verarbeitung der Schritte S315 bis S330 wird somit versucht, sowohl der Anforderung zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 als auch zum Erhöhen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 in möglichst kurzer Zeit und der Anforderung zum Verhindern, dass sich der Fahrer unbehaglich fühlt, zu entsprechen.
Wenn die verfügbare Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 die voreingestellte Leistungsabgabe (Menge der elektrischen Leistung) bei einer Erhöhung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht hat (Schritt S315: Nein), nimmt der Betriebs-Controller 61a Bezug auf das Kennfeld 63i einer Soll-Aufwärmtemperatur, um eine Soll-Aufwärmtemperatur (Aufwärm-Beendungstemperatur) des Brennstoffzellenstapels 10 einzustellen, und zwar basierend auf der Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt (die nachstehend als eine „Startzeitpunkttemperatur“ bezeichnet wird), und die Menge des Wassers (Wassermenge), die im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt vorhanden ist (Schritt S335).
12 ist eine beispielhafte graphische Darstellung der exemplarischen Einstellungen des Kennfelds 63i einer Soll-Aufwärmtemperatur, das in 9 gezeigt ist. Das Kennfeld von 12 ist mit einer Startzeitpunkt-Temperatur als Abszisse und mit einer Soll-Aufwärmtemperatur als Ordinate angelegt. Das Kennfeld 63i einer Soll-Aufwärmtemperatur korreliert die Startzeitpunkt-Temperatur mit der Soll-Aufwärmtemperatur in Bezug auf die verschiedenen Werte der Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt. In dem Kennfeld von 12 zeigt eine Kurve L11 die Korrelation bei einem relativ geringen Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt. Eine Kurve Lm1 zeigt die Korrelation bei einem mittleren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10, und eine Kurve Lh1 zeigt die Korrelation bei einem relativ hohen Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10.
Wie durch die jeweiligen Kurven L11, Lm1 und Lh1 verdeutlicht wird, ist der höhere Wert als die Soll-Aufwärmtemperatur bei der unteren Startzeitpunkt-Temperatur in einem Starttemperaturbereich von unter 0° C eingestellt. Diese Einstellung wird wie folgt begründet. Durch die niedrigere Startzeitpunkt-Temperatur ergibt sich eine kleinere Sättigungsdampfmenge, und wird bewirkt, dass eine größere Menge flüssigen Wassers im Brennstoffzelle 10 gehalten wird. Durch das Einstellen des höheren Werts als die Soll-Aufwärmtemperatur bei der unteren Startzeitpunkt-Temperatur kann der Brennstoffzellenstapel 10 auf die höhere Temperatur aufgewärmt werden und wird somit das Beseitigen von Wasser in Form von Wasserdampf aus dem Brennstoffzellenstapel 10 vereinfacht. Durch das Beseitigen von Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel 10 soll das Gasdiffusionsvermögen in jeder der Einheitszellen 20 verbessert werden.
Unter der gleichen Startzeitpunkt-Temperatur wird der höhere Wert als die Soll-Aufwärmtemperatur bei dem höheren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 eingestellt. Diese Art von Einstellung erfolgt wie oben aus dem gleichen Grund warum der höhere Wert als die Soll-Aufwärmtemperatur bei der niedrigeren Startzeitpunkt-Temperatur eingestellt wird.
Bei einer möglichen Vorgehensweise zum empirischen oder anderweitigen Bestimmen der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 wird die Korrelation der Impedanz mit der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 in Form eines Kennfelds eingestellt. Bei Schritt S335 wird durch die Vorgehensweise ein Messwert der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 erhalten und auf das Kennfeld Bezug genommen, um die Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 10 basierend auf der erhaltenen Impedanz zu bestimmen. Im Allgemeinen ergibt eine geringere Wassermenge eine höhere Impedanz, und eine größere Wassermenge ergibt eine niedrigere Impedanz. Bei einer weiteren möglichen Vorgehensweise kann die Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 anhand verschiedener während eines bisherigen Betriebs aufgezeichneter Daten bestimmt werden. Insbesondere wird bei dieser alternativen Vorgehensweise die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wassermenge anhand der während des bisherigen Betriebs aufgezeichneten Daten des Stromwerts und die Abführwassermenge anhand der während des bisherigen Betriebs aufgezeichneten Daten der BZ-Luftanforderung Afc, der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und des Luftdrucks des Brennstoffzellenstapels 10 (des Drucks des Druckreglers 45 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10) berechnet. Bei der Vorgehensweise wird dann die Abführwassermenge von der Menge des erzeugten Wassers subtrahiert, um die Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 zu bestimmen.
Wie in 12 gezeigt ist, folgt in einem Starttemperaturbereich von über 0° C die Soll-Aufwärmtemperatur ungeachtet der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 einem identischen Verlauf.
Der Betriebs-Controller 61a bestimmt anschließend, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 die bei Schritt S335 eingestellte Soll-Aufwärmtemperatur unterschreitet (Schritt S340). Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 die Soll-Aufwärmtemperatur noch nicht erreicht hat (Schritt S340: Ja), nimmt der Betriebs-Controller 61a Bezug auf das Kennfeld 63h eines von der BZ benötigten Wärmewerts, um den Wärmewert zu bestimmen, der benötigt wird, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 (die nachstehend als der „BZ benötigende Wärmewert“ bezeichnet wird) zu erhöhen, und zwar basierend auf der gegenwärtigen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt (Schritt S345).
13 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Kennfelds 63h eines von der BZ benötigten Wärmewerts, das in 9 gezeigt ist. Das Kennfeld von 13 ist mit einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 als Abszisse und einem von der BZ benötigten Wärmewert als Ordinate angelegt. Das Kennfeld 63h des von BZ benötigten Wärmewerts korreliert die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem von der BZ benötigten Wärmewert in Bezug auf die verschiedenen Werte der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt. Im Kennfeld von 13 zeigt eine Kurve L12 die Korrelation bei einem relativ niedrigen Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt an. Eine Kurve Lm2 zeigt die Korrelation bei einem mittleren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 an, und eine Kurve Lh2 zeigt die Korrelation bei einem relativ hohen Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 an.
Wie den drei Kurven L12, Lm2 und Lh2 deutlich zu entnehmen ist, wird bei gleichbleibender Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 der größere Wärmewert als der von der BZ benötigte Wärmewert bei dem höheren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt eingestellt. Indem der größere Wärmewert als der von der BZ benötigte Wärmewert eingestellt wird, kann Wasser in Form von Wasserdampf leichter aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt werden. Wie durch die jeweiligen Kurven L12, Lm2 und Lh2 verdeutlicht wird, wird der kleinere Wärmewert als der von BZ benötigte Wärmewert bei der höheren Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt. Die Temperaturanstiegsrate des Brennstoffzellenstapels 10 wird bei der höheren Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 gesenkt, um zu verhindern, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 die Aufwärmbeendungstemperatur überschreitet. Dadurch, dass der Temperaturanstieg des Brennstoffzellenstapels über die Aufwärmbeendungstemperatur hinaus verhindert wird, wird der unnötige Niedereffizienzbetrieb minimiert und dadurch der Kraftstoffverbrauch des Reaktionsgas verbessert.
Der Betriebs-Controller 61a summiert den von der BZ benötigten Wärmewert, der bei Schritt S345 bestimmt wurde, und einen von der Heizung benötigten Wärmewert, um die Wärmewertanforderung einzustellen (Schritt S350). Wenn die verfügbare Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 die voreingestellte Leistungsabgabe (Menge der elektrischen Leistung) erreicht oder überschritten hat, führt das Brennstoffzellensystem 100 die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 einem Heizmechanismus (nicht gezeigt) zu, um einer Heizanforderung zu entsprechen. Liegt ein Heizbedarf vor, wird die Summe des von der Heizung benötigten Wärmewerts, der der Heizanforderung entsprechen soll, und des Wärmewerts, der zum Erhöhen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 benötigt wird (von der BZ benötigter Wärmewert), als die Wärmewertanforderung eingestellt (Schritt S350). Liegt kein Heizbedarf vor, wird der von der BZ benötigte Wärmewert als die Heizwertanforderung eingestellt.
Wird bestimmt, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 nicht geringer als die Soll-Aufwärmtemperatur ist (Schritt S340: Nein), stellt der Betriebs-Controller 61a die Summe eines von der Heizung benötigten Wärmwerts und eines Wärmewerts, der benötigt wird, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 beizubehalten (der nachstehend als ein „BZ-Temperaturbeibehaltungs-Wärmewert“ bezeichnet wird), als die Wärmewertanforderung ein (Schritt S355).
Der BZ-Temperaturbeibehaltungs-Wärmewert wird eingestellt und im Voraus für jede Soll-Aufwärmtemperatur gespeichert und durch Messen bzw. Ablesen der gespeicherten Einstellung aus dem ROM 63 erhalten. Ein gemäß der Außenlufttemperatur und der Fahrgastzellentemperatur sowie der Soll-Aufwärmtemperatur bestimmter Wärmewert kann als der BZ-Temperaturbeibehaltungs-Wärmewert eingestellt werden. Der von der Heizung benötigte Wärmewert ist mit dem von der Heizung benötigten Wärmewert identisch, der bei Schritt S350 verwendet wurde.
Das Brennstoffzellensystem 100a gemäß der dritten Ausführungsform, das die gleiche Konfiguration wie oben aufweist, weist die gleichen Effekte und Vorteile wie das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Darüber hinaus wird in dem Brennstoffzellensystem 100a gemäß der dritten Ausführungsform der größere Wärmewert als die Wärmewertanforderung derart eingestellt, dass die mit einem Anstieg der Drehzahl des Luftkompressors 32 einhergehenden Geräusche und Vibrationen vom Fahrer als nicht störend empfunden werden, bis das Elektrofahrzeug in den fahrbaren Zustand versetzt ist, und die Abgabe des Brennstoffzellenstapels 10 die voreingestellte Leistungsabgabe erreicht hat, durch die die gewährleistete Minimalreaktion als die Abgabereaktion des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wird. Diese Vorkehrung wird sowohl der Anforderung zum Erhöhen der Temperaturanstiegsrate des Brennstoffzellenstapels 10 als auch der Anforderung gerecht, der gemäß verhindert werden soll, dass der Fahrer die Geräusche und Vibrationen als störend empfindet.
Die höhere Temperatur wird als die Soll-Aufwärmtemperatur (Aufwärmbeendungstemperatur) bei der niedrigeren Startzeitpunkt-Temperatur und bei dem höheren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt eingestellt. Durch diese Einstellung wird die auf den Brennstoffzellenstapel 10 während des Niedereffizienzbetriebs einwirkende Wärmemenge erhöht. Auch wenn im Brennstoffzellenstapel 10 eine große Wassermenge vorliegt, ermöglicht diese Einstellung, dass die große Wassermenge in Form von Wasserdampf aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt werden kann.
Der größere Wärmewert wird als der von der BZ benötigte Wärmewert bei dem höheren Wassermengenwert im Brennstoffzellenstapel 10 zum Startzeitpunkt eingestellt. Selbst wenn im Brennstoffzellenstapel 10 eine große Wassermenge vorhanden ist, ermöglicht diese Einstellung, dass die große Wassermenge in Form von Wasserdampf aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt werden kann. Der kleinere Wärmewert wird als der von der BZ benötigte Wärmewert bei der höheren Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt. Durch eine solche Einstellung wird die Temperaturanstiegsrate des Brennstoffzellenstapel 10 gesenkt und somit verhindert, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 die Aufwärmbeendungstemperatur überschreitet. Durch diese Vorkehrung wird ein unnötiger Niedereffizienzbetrieb minimiert und der Brennstoffverbrauch des Reaktionsgases reduziert. Das Brennstoffzellensystem 100a gemäß der dritten Ausführungsform erreicht bzw. erfüllt dementsprechend die Anforderung, der gemäß die Wahrscheinlichkeit verringert werden soll, dass der Fahrer die Geräusche und Vibrationen während des Niedereffizienzbetriebs als störend empfindet, neben der Anforderung, die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 zu verbessern. Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der dritten Ausführungsform erreicht bzw. erfüllt außerdem die Anforderung, der gemäß eine Minderung des Gasdiffusionsvermögens, die durch den Wasserrückstand im Brennstoffzellenstapel 10 während des Starts bewirkt wird, verhindert werden soll.
D. Vierte Ausführungsform
14 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Ablaufs eines BZ-Luftanforderungs-Bestimmungsvorgangs, der in einer vierten Ausführungsform ausgeführt wird. Der Bestimmungsvorgang einer BZ-Luftanforderung (Afc) von 14 wird bei Schritt S 125 von 4 ausgeführt. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform ist ähnlich wie das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform konfiguriert, außer, dass der BZ-Luftanforderungs-Bestimmungsvorgang zum Bestimmen der BZ-Luftanforderung Afc von 14 ausgeführt wird.
Der Betriebs-Controller 61a berechnet die BZ-Luftanforderung Afc anhand des Soll-Stromwerts Iref, der bei Schritt S115 eingestellt wurde, und des stöchiometrischen Luftverhältnisse, das bei Schritt S120 von 4 gemäß der vorstehend angegebenen Gleichung (4) bestimmt wurde (Schritt S405).
Der Betriebs-Controller 61a bestimmt, ob eine Verlangsamungsanforderung vorliegt (Schritt S140). Die Verlangsamungsanforderung kann beispielsweise erfasst werden, wenn ein Soll-Abgabewert (Soll-Stromwert Iref x Soll-Spannungswert Vref) kleiner als ein voreingestellter Abgabewert (gegenwärtiger Spannungswert Vorg x gegenwärtiger Stromwert Iorg) ist. Die Verlangsamungsanforderung kann auch in Reaktion auf eine Verringerung des Fahrpedalöffnungswinkels oder in Reaktion auf den durch den Fahrer vorgenommenen Bremsvorgang erfasst werden.
Wird bestimmt, dass eine Verlangsamungsanforderung vorliegt (Schritt S415: Ja), bestimmt der Betriebs-Controller 61 dann, ob die Luftmenge, die der Differenz zwischen der BZ-Luftanforderung Afc, die bei Schritt S405 berechnet wurde, und einer gegenwärtigen BZ-Luftzufuhr Afc org entspricht, größer als ein voreingestellter Wert Afc_c ist (Schritt S415). Wird bestimmt, dass die Luftmenge, die der Differenz entspricht, größer als der voreingestellte Wert Afc c ist, addiert der Betriebs-Controller 61a den voreingestellten Wert Afc c zu der voreingestellten BZ-Luftzufuhr Afc_org, um eine korrigierte BZ-Luftanforderung Afc' zu bestimmen (Schritt S420). Bei Vorliegen einer Verlangsamungsanforderung wird die Verarbeitung der Schritte S415 und S420 ausgeführt, um das Inkrement der BZ-Luftanforderung Afc auf oder unter den voreingestellten Wert Afc_c einzuschränken.
Das Inkrement der BZ-Luftanforderung Afc wird aus folgendem Grund auf den voreingestellten Wert Afc_c beschränkt. Selbst im Verlangsamungszustand des Elektrofahrzeugs, bei dem die Leistungsabgabeanforderung verringert wird, wird die Wärmewertanforderung nicht wesentlich verringert, sondern für den Zweck des Aufwärmens des Brennstoffzellenstapels 10 beibehalten. Dementsprechend tritt eine geringe Verringerung des Stromwerts auf. In diesem Zustand wird die Konzentrationsüberspannung erhöht, um der Leistungsabgabeanforderung und der Wärmewertanforderung zu entsprechen. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Erzeugungsmenge des Pumpwasserstoffs und dadurch der Luftmenge, die zur Verdünnung des Pumpwasserstoff benötigt wird. Der resultierende Anstieg der Drehzahl des Luftkompressors 32 kann die Verstärkung der Geräusche und Vibrationen hervorrufen. Trotz der durch den Fahrer gestellten Verlangsamungsanforderung an das Elektrofahrzeug können die verstärkten Geräusche und Vibrationen vom Fahrer als störend empfunden werden. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform schränkt dementsprechend das Inkrement der BZ-Luftanforderung Afc bei Vorliegen einer Verlangsamungsanforderung auf oder unter den voreingestellten Wert Afc_c ein. Dadurch wird ein erheblicher Anstieg der Geräusche und Vibrationen, die mit einer Erhöhung der Drehzahl des Luftkompressors 32 einhergehen, verhindert und somit vermieden, dass diese durch den Fahrer als störend empfunden werden. Der voreingestellte Wert Afc_c wird empirisch oder anderweitig im Voraus auf eine derartige Luftmenge eingestellt, die vom Fahrer nicht als störend empfunden wird.
Bei der Bestimmung bei Schritt S410, dass keine Verlangsamungsanforderung vorliegt, oder bei der Bestimmung bei Schritt S415, dass die Luftmenge, die der Differenz entspricht, nicht größer als der voreingestellte Wert Afc c ist, wird der BZ-Luftanforderungs-Bestimmungsvorgang beendet. Die Luftmenge, die bei Schritt S405 berechnet wurde, wird dann als die BZ-Luftanforderung Afc eingestellt.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform, das die vorstehend erläuterte Konfiguration aufweist, weist die gleichen Effekte und Vorteile wie das Brennstoffzellensystems 100 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Bei Vorliegen der Verlangsamungsanforderung schränkt das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform zusätzlich das Inkrement der BZ-Luftanforderung auf oder unter den voreingestellten Wert Afc_c ein. Durch diese Vorkehrung wird effektiv verhindert, dass der Fahrer, trotz des Vorliegens der Verlangsamungsanforderung durch den Fahrer des Elektrofahrzeugs, die verstärkte Geräusch- und Vibrationsentwicklung des Luftkompressors 32 als störend empfindet. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform entspricht somit der Anforderung, der gemäß die Wahrscheinlichkeit verringert werden soll, dass der Fahrer die Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Vorliegen einer Verlangsamungsanforderung des Elektrofahrzeugs als störend empfindet, sowie der Anforderung, die Abgabereaktion und Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 zu bessern.
E. Modifizierungen
Von den verschiedenen Bestandteilen und Komponenten, die in den jeweiligen vorstehend erläuterten Ausführungsformen enthalten sind, sind alle, mit Ausnahme der in den unabhängigen Ansprüchen offenbarten Bestandteile und Komponenten, als zusätzliche und ergänzende Elemente aufzufassen, auf die vorschriftsmäßig verzichtet werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine der Ausführungsformen und deren vorstehend erläuterte Anwendung beschränkt, sondern kann in ihrer Vielseitigkeit durch andere Ausführungsformen und Anwendungen innerhalb des Schutzbereichs der Anmeldung realisiert werden. Einige Beispiele für eine mögliche Modifizierung sind nachstehend angegeben.
E1. Modifizierung 1
In den vorstehend erläuterten Brennstoffzellensystemen gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform wird die Luftfehlmenge Alc als die Luftzufuhr Aac eingestellt, wenn die BZ- Luftanforderung Afc kleiner als die Luftfehlmenge Ale ist. In einer modifizierten Vorgehensweise kann eine sich von der Luftfehlmenge Ale unterscheidende andere Luftmenge als die BZ-Luftanforderung Afc eingestellt werden. In dieser Modifizierung kann ein anderes Kennfeld als das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e, das in 3 gezeigt ist, für das Luftfehlmengen-Kennfeld verwendet werden.
15 ist eine erläuternde graphische Darstellung von beispielhaften Einstellungen des Luftfehlmengen-Kennfelds, die in der Modifizierung 1 verwendet werden können. Die Abszisse und die Ordinate von 15 sind mit denen von 3 identisch. Der Graph von 3 beinhaltet ein erstes Luftfehlmengen-Kennfeld 63x, ein zweites Luftfehlmengen-Kennfeld 63y und ein drittes Luftfehlmengen-Kennfeld 63z, die in der Modifizierung 1 verwendet werden. Eine gestrichelte Kurve zeigt das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e der ersten Ausführungsform, das in 3 gezeigt ist.
Das Kennfeld 63x einer ersten Luftfehlmenge setzt eine um eine vorbestimmte Rate größere Luftmenge als die Luftmenge an, die durch das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e der ersten Ausführungsform als die Luftfehlmenge im Bereich der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 von oder unter 50 kW eingestellt wird. Eine größere Luftmenge als die Luftmenge, die in der ersten Ausführungsform eingestellt wird, wird somit als die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 bei Schritt S150 von 4 eingestellt. Diese Einstellung des Luftfehlmengen-Kennfelds bewirkt, dass die Luftzufuhr Aac größer als die Luftfehlmenge Alc ist, wodurch sichergestellt wird, dass die voreingestellte Luftzuführreaktion erreicht wird.
Das Kennfeld 63y einer zweiten Luftfehlmenge setzt einen festen Wert von 3.700 NI/min als die Luftfehlmenge im Bereich der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 von oder unter 50 kW an. Die Luftmenge, die nicht kleiner als die Luftmenge ist, die in der ersten Ausführungsform eingestellt wird, wird somit auf die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 bei Schritt S150 eingestellt. Durch diese Einstellung des Luftfehlmengen-Kennfelds wird die Luftzufuhr Aac, ungeachtet der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220, im Bereich der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 von oder unter 50 kW festgelegt, wodurch die Verarbeitung vereinfacht wird.
Das dritte Luftfehlmengen-Kennfeld 63z setzt eine um eine vorbestimmte Rate kleinere Luftmenge als die Luftmenge an, die durch das Luftfehlmengen-Kennfeld 63e gemäß der ersten Ausführungsform auf die Luftfehlmenge im Bereich der verfügbaren Leistungsabgabe der Sekundärbatterie 220 von oder unter 50 kW eingestellt wird. Unter der Bedingung, dass die BZ-Luftanforderung Afc keiner als die Luftfehlmenge Alc ist, wird somit eine größere Luftmenge als die BZ-Luftanforderung Afc als die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 eingestellt. Durch diese Einstellung des Luftfehlmengen-Kennfelds wird die voreingestellte Luftzuführreaktion nicht erreicht, jedoch die Luftzuführreaktion im Vergleich zu der Vorkehrung verbessert, gemäß der die BZ-Luftanforderung Afc als die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 eingestellt wird. Dementsprechend wird durch diese Einstellung die Abgabereaktion und die Wärmeerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels 10 verbessert.
Solange die Sekundärbatterie 220 die verfügbare Leistungsabgabe von oder unter 50 kW aufweist (d. h. wenn die verfügbare Leistungsabgabe nicht größer als eine minimale Menge einer elektrischen Leistung ist, die für den Luftkompressor 32 benötigt wird, um die Gaszuführströmungsrate von 0 auf eine voreingestellte Gasströmungsrate innerhalb einer voreingestellten Zeitspanne zu erhöhen), kann für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem im Allgemeinen eine beliebige Konfiguration verwendet werden, um eine größere Gasströmungsrate als die Luftmenge (BZ-Luftanforderung Afc) einstellen zu können, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Erreichen des Soll-Stromwerts Iref als die Luftzufuhr Aac des Luftkompressors 32 zugeführt werden soll.
E2. Modifizierung 2
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 nicht niedriger als 0° C und die verfügbare Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 geringer als die voreingestellte Leistungsabgabe ist, bestimmt das Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform die auf der Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze des Wärmewerts und die auf dem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze des Wärmewerts und schränkt die Wärmewertanforderung auf oder unter diese Obergrenzen ein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Verarbeitungsablauf beschränkt. In einer möglichen Modifizierung kann entweder eine der Bestimmungen bei den Schritten S320 und S325 übersprungen und die Wärmewertanforderung ausschließlich auf die verbleibende Obergrenze der nicht übersprungenen Bestimmung eingeschränkt werden. Bei eine weiteren möglichen Modifizierung kann die Verarbeitung der Schritte S315 bis S330 übersprungen werden, jedoch die Verarbeitung der Schritte S335 bis S355 ausgeführt werden, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 0° C erreicht oder überschritten hat. Bei diesen Modifizierungen kann die Wärmewertanforderung entsprechend der Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 10 eingestellt und der Wasserrückstand im Brennstoffzellenstapel 10 leichter entfernt werden.
Bei noch einer weiteren Modifizierung kann die Verarbeitung der Schritte S335 bis S355 übersprungen werden, jedoch die Verarbeitung der Schritt S315 bis S330 ausgeführt werden, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 0° C erreicht oder überschritten hat, jedoch nicht höher als die Soll-Aufwärmtemperatur ist. Bei dieser Modifizierung kann die Obergrenze des Wärmewerts entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Fahrpedalöffnungswinkels eingeschränkt werden, wodurch verhindert wird, dass der Fahrer die Geräusche und Vibrationen als störend empfindet.
E3. Modifizierung 3
Die jeweiligen vorstehend erläuterten Ausführungsformen verwenden das Umgehungsventil 44 und den Druckregler 45, um das Strömungsverhältnis der BZ-Luftanforderung Afc auf die Umgehungsluftmenge Abp zu steuern. Für den gleichen Verwendungszweck darf entweder nur das Umgehungsventil 44 oder nur der Druckregler 45 verwendet werden. Bei einer solchen Modifizierung entspricht nur ein Ventil, das zum Steuern des Strömungsverhältnisses verwendet wird, dem in den Ansprüchen der Erfindung genannten Strömungsregler. Im Allgemeinen kann für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ein beliebiger Flussregler verwendet werden, um das Strömungsverhältnis der Strömungsrate des durch den Oxidationsgaszuführweg zu der Brennstoffzelle strömenden Oxidationsgases zu der Strömungsrate des durch den Oxidationsgaszuführweg zu dem Umgehungsströmungsweg strömenden Oxidationsgases in der Gesamtströmung des von dem Oxidationsgaszuführer zugeführten Oxidationsgases zu steuern.
E4. Modifizierung 4
In den jeweiligen vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist das Brennstoffzellensystem an dem Elektrofahrzeug montiert. Das Brennstoffzellensystem kann auf einen beliebigen von verschiedenen anderen beweglichen Körpern einschließlich Hybridfahrzeugen, Booten und Schiffen sowie Robotern angewendet werden. Der Brennstoffzellenstapel 10 kann als eine stationäre Leistungsquelle verwendet werden, und das Brennstoffzellensystem kann bei einem Heizsystem in einer von verschiedenen Konstruktionen einschließlich Gebäuden und Häusern angewendet werden.
E5. Modifizierung 5
In den jeweiligen vorstehend erläuterten Ausführungsformen wird Luft als Oxidationsgas Luft verwendet. Anstelle von Luft kann ein beliebiges anderes sauerstoffhaltiges Gas als Oxidationsgas verwendet werden.
E6. Modifizierung 6
In einer beliebigen der vorstehend erläuterten Ausführungsformen kann ein Teil einer oder die gesamte Software-Konfiguration durch die Hardware-Konfiguration ausgetauscht werden, während ein Teil oder die gesamte Hardware-Konfiguration durch die Software-Konfiguration ausgetauscht werden kann.

Claims

Brennstoffzellensystem (100; 100a), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); eine Sekundärbatterie (220), die mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist; ein Oxidationsgaszuführer (32), der konfiguriert ist, um der Brennstoffzelle (10) ein Oxidationsgas zuzuführen, das durch die Brennstoffzelle (10) für eine Leistungserzeugung verwendet werden soll, und der durch die von der Sekundärbatterie (220) zugeführte elektrische Leistung betrieben wird; einen Gaszufuhrströmungsregler (61a), der konfiguriert ist, um eine Gaszufuhrströmungsrate zu regulieren, wobei die Gaszufuhrströmungsrate einer Menge des durch den Oxidationsgaszuführer (32) zugeführten Oxidationsgases entspricht; einen Oxidationsgaszuführweg (54), der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführer (32) mit der Brennstoffzelle (10) zu verbinden; einen Kathodenabgas-Abgasweg (55), der angeordnet ist, um das Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) abzuführen; ein Umgehungsströmungsweg (56), der angeordnet ist, um den Oxidationsgaszuführweg (54) mit dem Kathodenabgas-Abgasweg (55) zu verbinden; einen Strömungsregler (44, 45), der konfiguriert ist, um ein Strömungsverhältnis von einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate zu einer Umgehungsströmungsrate in einer Gesamtströmung des von dem Oxidationsgaszuführer (32) zugeführten Oxidationsgases zu steuern, wobei die Strömungsrate einer von einer Brennstoffzelle benötigten Gasströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg (54) zu der Brennstoffzelle (10) strömt, und wobei die Umgehungsströmungsrate eine Strömungsrate des Oxidationsgases ist, das durch den Oxidationsgaszuführweg (54) zu dem Umgehungsströmungsweg (56) strömt; eine Erhalteeinrichtung (221) für eine verfügbare Leistungsabgabe, die konfiguriert ist, um eine verfügbare Menge einer Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie (220) zu erhalten; und einen Betriebs-Controller (61a), der konfiguriert ist, um einen Soll-Stromwert (Iref) und einen Soll-Spannungswert (Vref) der Brennstoffzelle (10) basierend auf einer benötigten Leistungsabgabemenge und einer benötigten Wärmemenge für die Brennstoffzelle (10) einzustellen, und den Strömungsregler (44, 45) so zu steuern, um die von einer Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate und die Umgehungsströmungsrate zu regulieren, so dass ein Niedereffizienzbetrieb der Brennstoffzelle (10) erreicht wird, wobei die Brennstoffzelle (10) bei einem Betriebspunkt einer niedrigeren Leistungserzeugungseffizienz als einer Leistungserzeugungseffizienz auf einem Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf der Brennstoffzelle (10) bei einem Normalbetrieb betrieben wird, wobei der Gaszufuhrströmungsregler (61a) die Gaszufuhrströmungsrate reguliert, um zu bewirken, dass der Oxidationsgaszuführer (32) eine überschüssige Gasströmungsrate zuführt, die so eingestellt ist, dass sie größer als eine von der Brennstoffzelle (10) benötigte Soll-Gasströmungsrate ist, wobei die von der Brennstoffzelle (10) benötigte Soll-Gasströmungsrate die von der Brennstoffzelle (10) benötigte Gasströmungsrate ist, die der Brennstoffzelle (10) zugeführt werden soll, damit der Soll-Stromwert (Iref) erreicht wird, wenn die verfügbare Leistungsabgabemenge von der Sekundärbatterie (220) kleiner als eine minimale Menge einer elektrischen Leistung ist, die der Oxidationsgaszuführer (32) benötigt, um die Gaszufuhrströmungsrate von 0 auf eine voreingestellte Gasströmungsrate innerhalb einer voreingestellte Zeitspanne zu erhöhen, und der Betriebs-Controller (61a) den Strömungsregler (44, 45) so steuert, dass die Umgehungsströmungsrate gleich einer Differenz-Gasströmungsrate zwischen der überschüssigen Gasströmungsrate und der von einer Brennstoffzelle (10) benötigten Soll-Gasströmungsrate ist, wobei der Gaszufuhrströmungsregler (61a) die Gaszufuhrströmungsrate derart reguliert, dass die überschüssige Gasströmungsrate bei einer Verringerung der verfügbaren Leistungsabgabemenge von der Sekundärbatterie (220) ansteigt.
Brennstoffzellensystem (100; 100a) nach Anspruch 1, wobei die überschüssige Gasströmungsrate die Gaszufuhrströmungsrate ist, die entsprechend der verfügbaren Leistungsabgabemenge von der Sekundärbatterie (220) im Voraus als eine benötigte Menge bestimmt wird, um die Gaszufuhrströmungsrate auf die voreingestellte Gasströmungsrate innerhalb der voreingestellten Zeitspanne zu erhöhen.
Brennstoffzellensystem (100; 100a) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Betriebs-Controller (61a) den Soll-Stromwert (Iref) korrigiert, der entsprechend der benötigten Leistungsabgabemenge und der benötigten Wärmemenge für die Brennstoffzelle (10), basierend auf einem Stromwert, der aus einer Kondensatorkomponente der Brennstoffzelle (10) entsteht, eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem (100; 100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: eine Wasserrückstandsmengen-Erhalteeinrichtung (61a), die konfiguriert ist, um eine Wasserrückstandsmenge in der Brennstoffzelle (10) zu einem Startzeitpunkt der Brennstoffzelle (10) zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller (61a) eine Beendungstemperatur einstellt, die mit einem Anstieg der Wasserrückstandsmenge ansteigen soll, wobei die Beendungstemperatur eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs ist.
Brennstoffzellensystem (100; 100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: eine Temperatur-Erhalteeinrichtung (16), die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller (61a) eine Beendungstemperatur oder eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs einstellt, die bei einer Verringerung der Brennstoffzellentemperatur zu einem Startzeitpunkt der Brennstoffzelle (10) ansteigen soll.
Brennstoffzellensystem (100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: eine Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung (61a), die konfiguriert ist, um die benötigte Wärmemenge für die Brennstoffzelle (10) zu bestimmen; und eine Temperatur-Erhalteeinrichtung (16), die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) zu erhalten, wobei der Betriebs-Controller (61a) die Ausführung des Niedereffizienzbetriebs solange fortsetzt, bis die Brennstoffzellentemperatur eine Beendungstemperatur oder eine Temperatur zum Beenden des Niedereffizienzbetriebs erreicht hat, die benötigte Wärmemenge für die Brennstoffzelle (10) eine Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung beinhaltet, wobei die Temperaturanstieg-Wärmewertanforderung eine benötigte Wärmemenge ist, durch die die Brennstoffzellentemperatur ansteigen soll, und wenn die Brennstoffzellentemperatur nicht niedriger als eine voreingestellte Temperatur ist, die als ein Kriterium zum Erfassen eines fahrbaren Zustands eines Fahrzeugs verwendet wird, jedoch niedriger als die Beendungstemperatur ist, die Bestimmungseinrichtung (61a) die Temperaturanstieges-Wärmewertanforderung bestimmt, die mit einem Anstieg der Brennstoffzellentemperatur abnehmen soll.
Brennstoffzellensystem (100a) nach Anspruch 6, wobei das Brennstoffzellensystem (100a) an einem Fahrzeug mit einem Fahrpedal montiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100a) ferner aufweist: eine Geschwindigkeits-Erhalteeinrichtung (61a), die konfiguriert ist, um eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erhalten; und eine Fahrpedalöffnungswinkel-Erhalteeinrichtung (61a), die konfiguriert ist, um einen Fahrpedalöffnungswinkel oder einen Öffnungswinkel des Fahrpedals zu erhalten, wobei, wenn die Brennstoffzellentemperatur die voreingestellte Temperatur nicht unterschreitet, jedoch niedriger als die Beendungstemperatur ist, die Wärmewertanforderungs-Bestimmungseinrichtung (61a) bestimmt, dass die Temperaturanstiegs-Wärmewertanforderung nicht höher ist als zumindest entweder eine auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze oder eine auf einem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze, wobei die auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit basierte Obergrenze so eingestellt ist, dass sie mit einer Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, und die auf einem Fahrpedalöffnungswinkel basierte Obergrenze so eingestellt ist, dass sie mit einer Vergrößerung des Fahrpedalöffnungswinkels ansteigt.
Brennstoffzellensystem (100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Brennstoffzellensystem (100a) an einem Fahrzeug montiert ist, das Brennstoffzellensystem (100a) ferner aufweist: eine Verlangsamungsanforderungs-Erhalteeinrichtung (61a), die konfiguriert ist, um eine Verlangsamungsanforderung für das Fahrzeug zu erhalten, wobei, in Reaktion auf die Verlangsamungsanforderung, der Gaszufuhrströmungsregler (61a) die Gaszufuhrströmungsrate so reguliert, dass eine Variation der regulierten Gaszufuhrströmungsrate einen voreingestellten Wert nicht überschreitet.