DE112011100340T5

DE112011100340T5 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum steuern desselben

Info

Publication number: DE112011100340T5
Application number: DE112011100340T
Authority: DE
Inventors: Takashi Akiyama
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-11-29
Also published as: JPWO2012081153A1; US20120308851A1; WO2012081153A1

Abstract

Es wird ein Verfahren bereitgestellt zum Steuern eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie davon. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt; und Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate. Der Schritt zum Ändern des Betriebszustands ist beispielsweise ein Schritt zum Umschalten des Betriebszustands zwischen einer Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.

Description

[Technisches Gebiet]
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem einschließlich einer Brennstoffzelle, wie etwa eine Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle, und eine Sekundärbatterie, und insbesondere auf eine Hybridsteuerung des Brennstoffzellensystems, unter welcher der Betriebszustand der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität der Sekundärbatterie umgeschaltet wird.
[Stand der Technik]
Brennstoffzellen werden gemäß der Art des verwendeten Elektrolyts in Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Phosphorsäurebrennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen, Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, Festoxidbrennstoffzellen etc. klassifiziert. Unter diesen werden Polymerelektrolytbrennstoffzellen (”PEFC”: ”polymer electrolyte fuel cell”) als Energiequelle für Automobile, Heim-Kraft-Wärme-Kopplungssysteme etc. kommerziell erhältlich, weil sie bei niedrigen Temperaturen betrieben werden und hohe Ausgabedichten aufweisen.
Unlängst wurde die Verwendung von Brennstoffzellen als Energiequelle für portable, kleine elektronische Vorrichtungen, wie etwa Notebooks, Mobiltelefone und persönliche digitale Assistenten (”PDA”: ”personal digital assistant”), untersucht. Brennstoffzellen können Energie kontinuierlich erzeugen, falls sie wieder aufgeführt werden. Somit ist zu erwarten, dass die Verwendung von Brennstoffzellen anstelle von Sekundärbatterien, welche wieder aufgeladen werden müssen, die Zweckmäßigkeit von portablen, kleinen elektronischen Vorrichtungen verbessert. Zudem sind PEFC vorteilhaft als Energiequelle für portable, kleine elektronische Vorrichtungen aufgrund der vorstehend, beschriebenen niedrigen Betriebstemperatur. Brennstoffzellen werden auch als Energiequelle für Outdoor-Freizeitaktivitäten, wie etwa Camping, kommerziell erhältlich.
Unter den PEFCs verwenden Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen (”DOFC”: ”direct Oxidation fuel cell”) einen Brennstoff, der bei Raumtemperatur flüssig ist, und erzeugen elektrische Energie, indem der Brennstoff direkt oxidiert wird, ohne dass er in Wasserstoff umgeformt wird. Somit benötigen Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen keinen Umformer und können leicht verkleinert werden. Unter den zudem Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen sind Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (”DMFC”: ”direct methanol fuel cell”), welche Methanol als den Brennstoff verwenden, bezüglich Energieeffizienz und Ausgabeenergie besser als andere Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen. Sie werden deshalb als die vielversprechendste Energiequelle für portable, kleine elektronische Vorrichtungen angesehen.
Die Reaktionen der DMFCs an der Anode und der Kathode werden jeweils durch die folgenden Reaktionsformeln (11) und (12) dargestellt. In die Kathode eingelassener Sauerstoff wird normalerweise der Luft entnommen. Anode: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6 H⁺ + 6 e^– (11) Kathode: 3/2 O₂ + 6 H⁺ + 6 e^– → 3 H₂O (12)
Eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wie etwa eine DMFC, wird normalerweise erzeugt, indem eine Vielzahl von Zellen gestapelt wird. Jede Zelle umfasst eine Polymerelektrolytmembran und eine Anode und eine Kathode sind so angeordnet, dass die Polymerelektrolytmembran dazwischen eingeschoben ist. Jede der Anode und der Kathode umfasst eine Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht und beispielsweise wird die Anode einer DMFC mit Methanol als Brennstoff versorgt, während die Kathode mit Luft als das Oxidationsmittel versorgt wird.
Ein anodenseitiger Separator ist angeordnet, um mit der Anodendiffusionsschicht in Kontakt zu kommen, und ein Brennstoffflusskanal zum Zuführen des Brennstoffs an die Anode wird erzeugt, indem beispielsweise eine gewundene Nut (”serpentine groove”) in der Oberfläche des anodenseitigen Separators in Kontakt mit der Anode ausgebildet wird. Gleichermaßen ist ein kathodenseitiger Separator so angeordnet, um mit der Kathodendiffusionsschicht in Kontakt zu kommen, und ein Luftflusskanal zum Zuführen von Luft an die Kathode wird erzeugt, indem beispielsweise eine gewundene Nut in der Oberfläche des kathodenseitigen Separators in Kontakt mit der Kathode ausgebildet wird.
Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen, wie etwa DMFCs, weisen ein zu lösendes technisches Problem auf. D. h., es ist notwendig, zu verhindern, dass der der Anode zugeführter Brennstoff (z. B. Methanol) durch die Polymerelektrolytmembran dringt, die Kathode erreicht, und oxidiert wird. Dieses Phänomen wird Methanol-Crossover (MCO) genannt, und ist ein Grund, dass eine Brennstoffeffizienz abnimmt. Ferner steht die Oxidationsreaktion des Brennstoffs an der Kathode der Reduktionsreaktion des Oxidationsmittels (Sauerstoff) entgegen, welche normalerweise an der Kathode auftritt, wodurch das Kathodenpotenzial abnimmt. Somit ist MCO ein Grund, dass die erzeugte Spannung und die Energieerzeugungseffizienz abnehmen.
Brennstoffzellen müssen mit Reaktionsmitteln von außerhalb versorgt werden. Deshalb ist es bei Anwendungen üblich, bei welchen die Last scharf variiert, eine Brennstoffzelle mit einer Energiespeichervorrichtung, wie etwa eine Sekundärbatterie oder einen Kondensator, zu kombinieren, um ein Hybridsystem auszubilden. Insbesondere sind Sekundärbatterien mit einer hohen Energiedichte, wie etwa Nickelcadmiumsekundärbatterien, Nickelmetallhydridsekundärbatterien und Lithiumionensekundärbatterien, als Energiespeichervorrichtungen vielversprechend. Insbesondere stellen Lithiumionensekundärbatterien die vielversprechendsten Energiespeichervorrichtungen für Brennstoffzellensysteme für portable Vorrichtungen dar, da sie die höchste Energiedichte und hohe Langzeitspeichereigenschaften aufweisen. Jedoch ist es für den Fall solcher Sekundärbatterien normalerweise wünschenswert, sie zu laden und zu entladen, während ihre Restkapazität in einem passenden Bereich gehalten wird, und falls die Restkapazität außerhalb des passenden Bereichs liegt, tendieren sie dazu, sich aufgrund eines Überladens oder eines Überentladens signifikant zu verschlechtern.
JP 2002-34171 A schlägt ein Erfassen der Kapazität einer Sekundärbatterie, ein Einstellen eines Instruktioswerts für die Ausgabe einer Brennstoffzelle basierend auf der erfassten Kapazität und ein Betreiben der Brennstoffzelle basierend auf dem eingestellten Instruktionswert vor. In diesem Vorschlag werden die Ausgabe, die Inbetriebnahme und die Außerbetriebnahme der Brennstoffzelle basierend auf der Kapazität der Sekundärbatterie instruiert. Jedoch ist ein häufiges Wiederholen der Inbetriebnahme und der Außerbetriebnahme der Brennstoffzelle oder ein Ändern der Ausgabe nicht notwendigerweise eine gute Herangehensweise hinsichtlich der Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle. Die Energieerzeugungseffizienz verringert sich signifikant aufgrund einer Ausgabevariation insbesondere in Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen, in welchen ein Brennstoff-Crossover aufzutreten tendiert. Das liegt daran, dass sich die Brennstoff-Crossover-Menge aufgrund eines Überschusses und einer Verschlechterung in einem Vergleich zwischen dem durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom und der zugeführten Brennstoffmenge ändert.
Es ist im Allgemeinen bekannt, dass die Brennstoff-Crossover-Menge zunimmt und die Brennstoffeffizienz abnimmt, wenn das stöchiometrische Brennstoffverhältnis zunimmt, wodurch eine Abnahme bezüglich der Energieerzeugungseffizienz erfolgt. Je höher die Brennstoffzufuhrmenge verglichen mit der benötigten Menge ist, desto höher ist die Brennstoffkonzentration an der Schnittstelle zwischen der Anode und der Polymerelektrolytmembran. Somit nimmt der Konzentrationsgradient innerhalb der Elektrolytmembran zu und die Diffusionsgeschwindigkeit von Brennstoff innerhalb der Elektrolytmembran nimmt zu. Das hier verwendete stöchiometrische Brennstoffverhältnis bezieht sich auf ein stöchiometrisches Verhältnis, bei welchem beispielsweise der Nenner die Menge an Brennstoff ist, die dem erzeugten Strom entspricht und aus der Formel (11) berechnet ist, und der Zähler die tatsächlich zugeführte Brennstoffmenge ist.
Falls jedoch das stöchiometrische Brennstoffverhältnis sehr klein gemacht ist, verringert sich die Brennstoffkonzentration innerhalb der Elektrode der Brennstoffzelle signifikant, und die durch die Brennstoffzelle erzeugte Spannung verringert sich aufgrund der Überspannungskonzentration, wodurch eine abgenommene Ausgabe erfolgt. Deshalb ist es zum Erhalten einer hohen Energieerzeugungseffizienz notwendig, ein passendes stöchiometrisches Brennstoffverhältnis auszuwählen.
D. h., zunächst ist es zum Ändern der Ausgabe der Brennstoffzelle notwendig, den durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom zu ändern. Dann ist es notwendig, den geänderten Strom mit einem eingestellten stöchiometrischen Brennstoffverhältnis zu multiplizieren, um einen eingestellten Wert der Brennstoffzufuhrmenge zu bestimmen, und die Brennstoffzufuhrmenge auf den eingestellten Wert zu ändern. Obwohl der Stromwert und die Brennstoffzufuhrmenge unmittelbar geändert werden können, ändert sich in diesem Fall die Brennstoffkonzentration innerhalb der Elektrode tatsächlich nach einer Verzögerungszeit. Beispielsweise verbleibt für den Fall einer Abnahme der Ausgabe der Brennstoffzelle der Brennstoff in dem Flusskanal, der in dem anodenseitigen Separator ausgebildet ist, oder in der Anodendiffusionsschicht, sogar wenn der Stromwert und die Brennstoffzufuhrmenge abgenommen haben. Somit wird der Brennstoff im Vergleich zu der verbrauchten Brennstoffmenge größer und die Brennstoffkonzentration nimmt an der Schnittstelle zwischen der Anode und der Elektrolytmembran zu. Demzufolge nimmt die Brennstoff-Crossover-Menge zu. Für den Fall, dass die Ausgabe zunimmt, ist es umgekehrt notwendig, die Brennstoffzufuhrmenge im Voraus zu erhöhen und dann den Stromwert zu erhöhen, um zu verhindern, dass die Überspannungskonzentration aufgrund einer Brennstoffknappheit zunimmt.
Während der Zeitverzögerung wird der Brennstoff der Anode übermäßig zugeführt, und somit nimmt die Brennstoff-Crossover-Menge zu.
Um zu verhindern, dass die Energieerzeugungseffizienz in einem solchen Übergangszustand einer Ausgabeänderung abnimmt, stellt JP 2005-38791 A ein Begrenzen der Ausgabesteuerung einer Brennstoffzelle an eine Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten vor. Insbesondere werden die Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf der Restkapazität einer Sekundärbatterie umgeschaltet, um die Frequenz zum Umschalten der Ausgabe der Brennstoffzelle zu reduzieren. Es ist zu erwarten, dass die Haltbarkeit der Sekundärbatterie verlängert wird, während die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle hoch bleibt.
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Der Vorschlag von JP 2005-38791 A verlängert jedoch nicht immer die Haltbarkeit der Sekundärbatterie. Der Grund dafür wird nachstehend beschrieben, wobei ein Brennstoffzellensystem zur Verwendung von Outdoor-Freizeitaktivitäten als ein Beispiel beschrieben wird.
Für den Fall, dass ein Brennstoffzellensystem als eine Hilfsenergiequelle für einen Campingwagen verwendet, werden elektrische Vorrichtungen, wie etwa ein Kühlschrank, eine Beleuchtung, und ein Ventilator, durchgehend verwendet, und die dadurch verbrauchte Gesamtenergie ist kleiner als 100 W. Zudem werden Vorrichtungen – jedoch nicht häufig – verwendet, wie etwa eine Mikrowelle, eine Kaffeemaschine und ein Satellitenfernsehsystem, die eine hohe Energie von 150 bis 800 W verbrauchen.
Wenn es auf eine solche Art und Weise verwendet wird, führt beispielsweise das Brennstoffzellensystem Energie den Niedrigenergieverbrauchsvorrichtungen zu, wobei die Ausgabe der Brennstoffzelle auf 100 W eingestellt ist, und führt Energie an die Hochenergieverbrauchsvorrichtungen von einer Hochausgabesekundärbatterie zu, die in dem System enthalten ist. Die Hochenergieverbrauchsvorrichtungen werden für mehrere Minuten bis maximal ungefähr 1 Stunde verwendet. Um das System bezüglich der Tragbarkeit des portablen Brennstoffzellensystems zu verbessern, ist es deshalb notwendig, die Kapazität der Sekundärbatterie auf ein Minimum einzustellen.
Wenn jedoch gemäß dem Vorschlag von JP 2005-38791 A die Restkapazität der Sekundärbatterie aufgrund der Verwendung der Hochenergieverbrauchsvorrichtungen scharf abnimmt, ist es schwierig, die Energieerzeugungsbetriebsart angemessen umzuschalten. Das liegt daran, dass die Energieerzeugungsbetriebsart der Brennstoffzelle nicht geändert werden kann, bis die Restkapazität der Sekundärbatterie kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert wird. Demzufolge nimmt die Restkapazität der Sekundärbatterie signifikant ab, wenn die Hochenergieverbrauchsvorrichtungen verbunden sind, oder die Sekundärbatterie wird oft geladen, um eine Abnahme der Restkapazität zu kompensieren, wodurch die Frequenz des Ladens/Entladens erhöht wird, und die Verschlechterung der Sekundärbatterie begünstigt wird.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, die Energieerzeugungseffizienz einer Brennstoffzelle zu erhöhen und die Haltbarkeit einer Sekundärbatterie zu verlängern.
[Lösung des Problems]
Die Erfindung schlägt ein Bestimmen nicht nur der Restkapazität, sondern auch der Änderungsrate der Restkapazität und ein Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten einer Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate der Restkapazität vor.
D. h., ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie der Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt; und Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem einschließlich: einer Brennstoffzelle; einer Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie der Brennstoffzelle; eines Restkapazitätsdetektors zum Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; und einer Steuerung zum Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt, und zum Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Die Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem mit einer hohen Energieumwandlungseffizienz und einer langen Haltbarkeit bereitstellen.
Während die neuen Merkmale der Erfindung insbesondere in den angefügten Ansprüchen dargelegt sind, wird die Erfindung sowohl bezüglich der Organisation als auch des Inhalts neben anderen Objekten und Merkmalen davon aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden und gewürdigt.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils einer in einem Direkt-Oxidations-Brennstoffzellensystem enthaltenen Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur der Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle schematisch zeigt;
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung einer Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle und die Beziehung zwischen dem Strom und der Ausgabe davon zeigt;
4a ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Restkapazität und den als die Referenzwerte zum Ändern der Energieerzeugungsbetriebsarten dienenden Schwellenwerte in einem herkömmlichen Direkt-Oxidations-Brennstoffzellensystem zeigt;
4b ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Restkapazität und den als die Referenzwerte zum Ändern der Energieerzeugungsbetriebsarten dienenden Schwellenwerte in einem Direkt-Oxidations-Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, das die Prozedur zum Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten zeigt;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Zeit und einer durch eine Last verbrauchten Energie bei einer Simulation eines tatsächlichen Anwendungslastmusters zeigt;
7a ist ein Graph, der die Änderungen der Restkapazitäten von Sekundärbatterien zeigt, wenn Brennstoffzellensysteme mit einer Anfangsrestkapazität von 40% in einem Lastmuster von Muster A betrieben werden;
7b ist ein Graph, der die Änderungen der Restkapazitäten von Sekundärbatterien zeigt, wenn Brennstoffzellensysteme mit einer Anfangsrestkapazität von 70% in einem Lastmuster von Muster A betrieben werden;
8a ist ein Graph, der die Änderungen der Restkapazitäten von Sekundärbatterien zeigt, wenn Brennstoffzellensysteme mit einer Anfangsrestkapazität von 40% in einem Lastmuster von Muster B betrieben werden; und
8b ist ein Graph, der die Änderungen der Restkapazitäten von Sekundärbatterien zeigt, wenn Brennstoffzellensysteme mit einer Anfangsrestkapazität von 70% in einem Lastmuster von Muster B betrieben werden.
[Beschreibung von Ausführungsbeispielen]
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie zum Speichern von Ausgabeenergie der Brennstoffzelle. Dieses Steuerungsverfahren umfasst die Schritte: (i) Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; (ii) Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt; und (iii) Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Das für dieses Steuerungsverfahren passende Brennstoffzellensystem umfasst beispielsweise eine Brennstoffzelle; eine Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie der Brennstoffzelle; einen Restkapazitätsdetektor zum Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; und eine Steuerung zum Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt, und zum Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Der Schritt zum Ändern des Betriebszustands ist beispielsweise ein Schritt zum Umschalten des Betriebszustands zwischen einer Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Bei einem solchen Steuerungsverfahren und einem System werden beispielsweise die Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Restkapazität und zumindest einem Referenzwert (nachstehend ”Kapazitätsschwellenwert”) umgeschaltet, und Steuerungsbetriebsarten, wobei jede den zumindest einen Referenzwert aufweist, werden basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Änderungsrate und zumindest einem vorbestimmten Wert (nachstehend ”Schwellenwert einer Änderungsrate”) umgeschaltet.
Wie hier verwendet zeigen die Energieerzeugungsbetriebsarten die durch die Brennstoffzelle erzeugten Energiemengen an, und jede Energieerzeugungsbetriebsart entspricht einer Energieerzeugungsmenge oder einem vorbestimmten Bereich einer Energieerzeugungsmenge. Die Steuerungsbetriebsarten sind Steuerungsmuster zum Ändern der Energieerzeugungsbetriebsarten der Brennstoffzelle gemäß der Restkapazität (x) der Sekundärbatterie. Jede Steuerungsbetriebsart weist eine charakteristische Beziehung Y = f(x) auf.
Die Energieerzeugungsmenge ist synonym für die Ausgabeenergie (W).
Das heißt, der Betrieb der Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl von Steuerungsbetriebsarten gesteuert, von denen jede zumindest einen Kapazitätsschwellenwert aufweist. Die Steuerungsbetriebsarten werden basierend auf der Änderungsrate der Restkapazität der Sekundärbatterie umgeschaltet. Da die Änderungsrate der Restkapazität der Sekundärbatterie die durch die Last verbrauchte Energie widerspiegelt, wird durch ein Umschalten der Steuerungsbetriebsarten basierend auf der Änderungsrate der Restkapazität ermöglicht, dass eine für den Energieverbrauch passende Steuerungsbetriebsart ausgewählt wird.
In dem vorstehenden Fall schaltet die Steuerung des Brennstoffzellensystems die Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Restkapazität und zumindest einem Referenzwert (Kapazitätsschwellenwert) um, und schaltet die Steuerungsbetriebsarten um, von denen jede den zumindest einen Referenzwert aufweist, basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Änderungsrate und zumindest einem vorbestimmten Wert (Schwellenwert einer Änderungsrate).
Das vorstehende Steuerungsverfahren kann insbesondere eine hohe Energieumwandlungseffizienz bereitstellen, wenn eine Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle als die Brennstoffzelle verwendet wird. Dies gilt auch für das Bereitstellen einer langen Haltbarkeit, wenn eine Lithiumionensekundärbatterie als die Sekundärbatterie verwendet wird. Das heißt, das Steuerungsverfahren ist am geeignetsten für ein Brennstoffzellensystem einschließlich einer Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle (insbesondere eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle) und eine Lithiumionensekundärbatterie.
Die Art der Brennstoffzelle und der Sekundärbatterie ist jedoch nicht besonders begrenzt, und irgendeine Brennstoffzelle und irgendeine Sekundärbatterie können verwendet werden, solange eine hohe Energieumwandlungseffizienz und eine lange Haltbarkeit erzielt werden kann. Für den Fall, dass eine Brennstoffzelle verwendet wird, bei welcher ein Brennstoff-Crossover auftritt, kann beispielsweise die Energieumwandlungseffizienz verbessert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahren und -system wird beispielsweise die Restkapazität durch N Kapazitätsschwellenwerte in (N + 1) Bereiche aufgeteilt, wobei N eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (N + 1) Energieerzeugungsbetriebsarten wird für jeden der (N + 1) Bereiche der Restkapazität eingestellt. Vorzugsweise werden die Energieerzeugungsbetriebsarten für die jeweiligen Bereiche derart eingestellt, dass die durch die Brennstoffzelle erzeugte Energiemenge zunimmt, wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie abnimmt.
Wenn beispielsweise N = 2 gilt, weist jede der Steuerungsbetriebsarten zwei Kapazitätsschwellenwerte auf. In diesem Fall wird der Bereich der Restkapazität der Sekundärbatterie in drei Bereiche aufgeteilt: einen Hochkapazitätsbereich, einen Mittelkapazitätsbereich und einen Niedrigkapazitätsbereich. Die Energieerzeugungsbetriebsart der Brennstoffzelle wird basierend darauf bestimmt, in welchem Bereich die Restkapazität der Sekundärbatterie enthalten ist. Wenn beispielsweise die Restkapazität der Sekundärbatterie innerhalb des Niedrigkapazitätsbereichs liegt, wird die Brennstoffzelle in der Energieerzeugungsbetriebsart zum Erzeugen der größten Energie betrieben, die dem Niedrigkapazitätsbereich zugewiesen ist. N ist eine Ganzzahl von 1 oder größer, und beispielsweise kann ein numerischer Wert wie etwa 1, 2, 3 oder 4 ausgewählt werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahren und -system wird zudem beispielsweise die Änderungsrate der Restkapazität durch M Schwellenwerte der Änderungsrate in (M + 1) Bereiche aufgeteilt, wobei M eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (M + 1) Steuerungsbetriebsarten wird für jeden der (M + 1) Bereiche der Änderungsrate der Restkapazität eingestellt. Vorzugsweise werden die Steuerungsbetriebsarten für die jeweiligen Bereiche derart eingestellt, dass die jeweiligen (N + 1) Kapazitätsschwellenwerte der Steuerungsbetriebsarten abnehmen, wenn die Änderungsrate der Restkapazität zunimmt. Durch Einstellen auf diese Art und Weise wird die Brennstoffzelle eher in einer Energieerzeugungsbetriebsart zum Erzeugen einer höheren Energiemenge betrieben, wenn die Änderungsrate abnimmt, d. h., wenn der absolute Wert der positiven Änderungsrate abnimmt, oder wenn der absolute Wert der negativen Änderungsrate zunimmt.
Wenn beispielsweise M = 2 gilt, d. h., wenn zwei Schwellenwerte einer Änderungsrate vorliegen, wird der Bereich der Änderungsrate in drei Bereiche aufgeteilt: einen Hochratenbereich, einen Mittelratenbereich und einen Niedrigratenbereich. Jedem der drei Bereiche ist eine entsprechende Steuerungsbetriebsart zugewiesen. Wenn N = 2 gilt, weist jede Steuerungsbetriebsart zwei Kapazitätsschwellenwerte auf. Die dem Hochratenbereich zugewiesene Steuerungsbetriebsart weist zwei Kapazitätsschwellenwerte Chigh-1 und Chigh-2 (Chigh-1 > Chigh-2) auf. Die dem Mittelratenbereich zugewiesene Steuerungsbetriebsart weist zwei Kapazitätsschwellenwerte Cmiddle-1 und Cmiddle-2 (Cmiddle-1 > Cmiddle-2) auf. Die dem Niedrigratenbereich zugewiesene Steuerungsbetriebsart weist zwei Kapazitätsschwellenwerte Clow-1 und Clow-2 (Clow-1 > Clow-2) auf. Diese Kapazitätsschwellenwerte sind derart eingestellt, dass Chigh-1 < Cmiddle-1 < Clow-1 und Chigh-2 < Cmiddle-2 < Clow-2 gilt. M ist eine Ganzzahl von 1 oder größer und ein numerischer Wert wie etwa 1, 2, 3 oder 4 kann beispielsweise ausgewählt werden.
Unter Verwendung der Beziehung zwischen den N Kapazitätsschwellenwerten und den (N + 1) Energieerzeugungsbetriebsarten und der Beziehung zwischen den M Schwellenwerten der Änderungsrate und den (M + 1) Steuerungsbetriebsarten führt die Steuerung eine Berechnung basierend auf der Restkapazität der Sekundärbatterie und der Änderungsrate davon durch, um eine passende Energieerzeugungsbetriebsart auszuwählen. Die Beziehung zwischen den Kapazitätsschwellenwerten und den Energieerzeugungsbetriebsarten und die Beziehung zwischen den Schwellenwerten der Änderungsrate und den Steuerungsbetriebsarten wird beispielsweise in einem vorbestimmten Speicher der Steuerung als die Beziehung zwischen dem Bereich der Kapazität, dem Bereich der Änderungsrate und den Energieerzeugungsbetriebsarten gespeichert. In diesem Fall wählt die Steuerung im Grunde eine Energieerzeugungsbetriebsart basierend auf der folgenden Formel aus. z = f(x, y) wobei z die Energieerzeugungsbetriebsart der Brennstoffzelle ist, x die Restkapazität der Sekundärbatterie ist, und y die Änderungsrate der Restkapazität der Sekundärbatterie ist.
Der Schritt zum Ändern des Betriebszustands kann ein Schritt zum Ändern der Steuerungsbetriebsart zum Steuern des Betriebszustands der Brennstoffzelle kontinuierlich oder in Stufen sein. In diesem Fall kann die Steuerungsbetriebsart derart geändert werden, dass die Brennstoffzelle eher in einer Energieerzeugungsbetriebsart zum Erzeugen einer größeren Energiemenge betrieben wird, wenn die Änderungsrate abnimmt, d. h., wenn der absolute Wert der positiven Änderungsrate abnimmt, oder wenn der Absolutwert der negativen Änderungsrate zunimmt. Die Energieerzeugungsbetriebsart kann auch kontinuierlich oder in Stufen derart geändert werden, dass die Energieerzeugungsmenge zunimmt, wenn die Restkapazität abnimmt.
In diesem Fall ist die durch die Brennstoffzelle erzeugte Menge (z) an Energie auch eine Funktion der Restkapazität (x) der Sekundärbatterie und der Änderungsrate (y) davon, und weist die Beziehung z = f(x, y) auf, wobei z die Energieerzeugungsbetriebsart der Brennstoffzelle ist, x die Restkapazität der Sekundärbatterie ist, und y die Änderungsrate der Restkapazität der Sekundärbatterie ist.
Während die Restkapazität der Sekundärbatterie durch irgendein Verfahren erfasst werden kann, kann es basierend auf beispielsweise der Spannung der Sekundärbatterie erfasst werden. Die Spannung der Sekundärbatterie kann erfasst werden, indem die Spannung zwischen den Anschlussklemmen der Sekundärbatterie direkt erfasst wird, oder kann basierend auf der Anschlussklemmenspannung eines zu der Sekundärbatterie parallel geschalteten Kondensators erfasst werden.
Die Sekundärbatterie kann nur aus einer Batterie oder einer Vielzahl von Batterien bestehen. Es ist beispielsweise möglich, eine Hochkapazitätsbatteriegruppe zu verwenden, die eine Vielzahl von parallel geschalteten Sekundärbatterien aufweist, oder ein Hochspannungsakku, der solche in Reihe geschalteten Batteriegruppen aufweist. Für den Fall, dass eine Batteriegruppe oder ein Akku mit einer Vielzahl von parallelen oder in Reihe geschalteten Sekundärbatterien verwendet wird, kann die Restkapazität bestimmt werden, indem die jeweiligen Sekundärbatterien gemessen werden und die gemessenen Werte hinzugefügt werden, oder indem die Anschlussklemmenspannung der Batteriegruppe oder des Akkus gemessen wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine vergrößerte Schnittsicht eines Hauptteils einer in einem Brennstoffzellensystem enthaltenen Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 zeigt schematisch die Struktur des Brennstoffzellensystems.
Zunächst wird mit Bezug auf 1 die Struktur der Brennstoffzelle beschrieben. Typischerweise umfassen Brennstoffzellen einen Zellenstapel, der zwei oder mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Zellen aufweist. Die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst zudem zwei oder mehrere Zellen, aber 2 zeigt die Struktur einer Zelle als ein Beispiel.
Eine darin dargestellte Zelle 21 ist eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, welche eine Polymerelektrolytmembran 22, eine Anode 23 und eine Kathode 24 umfasst, wobei die Polymerelektrolytmembran 22 so angeordnet ist, um zwischen die Kathode und die Anode eingeschoben zu sein. Die Polymerelektrolytmembran 22 weist eine Wasserstoffionenleitfähigkeit auf. Die Anode 23 wird mit Methanol als Brennstoff versorgt. Die Kathode 23 wird mit Luft als Oxidationsmittel versorgt. Eine Kombination der Anode 23, der Kathode 24 und der dazwischen eingefügten Polymerelektrolytmembran 22 wird MEA (”Membrane Electrode Assembly”: Membranelektrodenanordnung) genannt.
In der Schichtrichtung der Anode 23, der Polymerelektrolytmembran 22 und der Kathode 24 wird ein anodenseitiger Separator 33 auf die Anode 23 geschichtet, und eine Endplatte 36A wird auf dem anodenseitigen Separator angeordnet. Zudem wird ein kathodenseitiger Separator 34 auf die Kathode 24 geschichtet (die untere Seite in der Figur), und eine Endplatte 36B wird auf dem kathodenseitigen Separator 34 angeordnet. Wenn zwei oder mehrere Zellen 21 gestapelt sind, werden die Endplatten 36A und 36B nicht für jede Zelle bereitgestellt, und die Endplatten 36A und 36B werden jeweils an beiden Enden des Zellenstapels bereitgestellt.
Zwischen dem anodenseitigen Separator 33 und der Peripherie der Polymerelektrolytmembran 22 wird eine Dichtung 35A um die Anode 23 angeordnet. Zwischen dem kathodenseitigen Separator 34 und der Peripherie der Polymerelektrolytmembran 22 wird eine Dichtung 35B um die Kathode 24 angeordnet. Die Dichtungen 35A und 35B verhindern, dass Brennstoff und Oxidationsmittel jeweils von der Anode 23 und der Kathode 24 ausströmt.
Die beiden Endplatten 36A und 36B werden mit nicht gezeigten Bolzen und Federn befestigt, um zur Ausbildung der Zelle 21 die jeweiligen Separatoren und die MEA zusammen zu drücken. Die Schnittstelle zwischen der MEA und dem anodenseitigen Separator 33 und dem kathodenseitigen Separator 34 weist eine geringe Haftung auf. Somit kann die Haftung zwischen der MEA und den jeweiligen Separatoren erhöht werden, indem die jeweiligen Separatoren und die MEA wie vorstehend beschrieben zusammengedrückt werden. Demzufolge kann der Kontaktwiderstand zwischen der MEA und den jeweiligen Separatoren reduziert werden.
Die Anode 23 umfasst eine Anodenkatalysatorschicht 25 und eine Anodendiffusionsschicht 28. Die Anodenkatalysatorschicht 25 ist in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran 22. Die Anodendiffusionsschicht 28 umfasst ein durchlässiges Anodensubstrat 27, das einer wasserabweisenden Behandlung ausgesetzt ist, und eine auf einer Oberfläche davon ausgebildete und aus einem hoch wasserabweisenden Material gemachte wasserabweisende Anodenschicht 26. Die wasserabweisenden Anodenschicht 26 und das durchlässige Anodensubstrat 27 sind in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 25 der Oberfläche gegenüberliegend geschichtet, die mit der Polymerelektrolytmembran 22 in Kontakt ist.
Die Kathode 24 umfasst ein Kathodenkatalysatorschicht 29 und eine Kathodendiffusionsschicht 32. Die Kathodenkatalysatorschicht 29 ist mit der Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 22 in Kontakt, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der Anodenkatalysatorschicht 25 in Kontakt ist. Die Kathodendiffusionsschicht 32 umfasst ein durchlässiges Kathodensubstrat 31, das einer wasserabweisenden Behandlung ausgesetzt ist, und eine auf einer Oberfläche davon ausgebildete und aus einem hoch wasserabweisenden Material gemachte wasserabweisende Kathodenschicht 30. Die wasserabweisende Kathodenschicht 30 und das durchlässige Kathodensubstrat 31 sind in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht 29 zu der Oberfläche gegenüberliegend geschichtet, die mit der Polymerelektrolytmembran 22 in Kontakt ist.
Ein Schichtstoff, der die Polymerelektrolytmembran 22, die Anodenkatalysatorschicht 25, und die Kathodenkatalysatorschicht 29 aufweist, stellt das Energieerzeugungsgebiet der Brennstoffzelle dar, welches eine CCM (”Catalyst Coated Membrane”: katalysatorüberzogene Membran) genannt wird. Die MEA stellt einen Schichtstoff der CCM, der Anodendiffusionsschicht 28 und der Kathodendiffusionsschicht 32 dar. Die Anodendiffusionsschicht 28 und die Kathodendiffusionsschicht 32 weisen die Funktionen zum einheitlichen Diffundieren jeweils des der Anode 23 und der Kathode 24 zugeführten Brennstoffs und Oxidationsmittels auf, sowie die Funktion zum reibungslosen Entfernen der Produkte, nämlich Wasser und Kohlenstoffdioxid.
Die mit dem durchlässigen Anodensubstrat 27 in Kontakt stehende Oberfläche des anodenseitigen Separators 23 weist einen Brennstoffflusskanal 38 zum Zuführen des Brennstoffs an die Anode 23 auf. Der Brennstoffflusskanal 38 ist beispielsweise auf der vorstehend beschriebenen Kontaktoberfläche ausgebildet, und weist eine Kerbe (”recess”) oder eine Nut (”groove”) auf, welche in Richtung des durchlässigen Anodensubstrats 27 geöffnet ist.
Die mit dem durchlässigen Kathodensubstrat 31 in Kontakt stehende Oberfläche des kathodenseitigen Separators 34 weist einen Luftflusskanal 40 zum Zuführen des Oxidationsmittels (Luft) an die Kathode 24 auf. Der Luftflusskanal 40 kann auch beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Kontaktoberfläche ausgebildet sein, und weist eine Kerbe oder eine Nut auf, welche in Richtung des durchlässigen Kathodensubstrats 31 geöffnet ist.
Der Brennstoffflusskanal 38 des anodenseitigen Separators 33 und der Luftflusskanal 40 des kathodenseitigen Separators 34 kann beispielsweise ausgebildet werden, indem eine Nut in eine Oberfläche des Separators geschnitten wird. Der Brennstoffflusskanal 38 und der Luftflusskanal 40 kann auch ausgeformt werden, wenn der Separator seinerseits durch ein Verfahren, wie etwa ein Spritzgießen (”injection molding”) oder ein Formpressen (”compression molding”), ausgebildet ist.
Die Anodenkatalysatorschicht 25 umfasst Anodenkatalysatorpartikel zum Vorantreiben der Reaktion, die durch die Reaktionsformel (11) dargestellt ist, und ein Polymerelektrolyt zum Bereitstellen einer Ionenleitfähigkeit zwischen der Anodenkatalysatorschicht 25 und der Polymerelektrolytmembran 22. Beispiele des in der Anodenkatalysatorschicht 25 enthaltenen Polymerelektrolyts umfassen ein Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylencopolymer (H^±-Typ), sulfoniertes Polyethersulfon (H^±-Typ), und aminiertes Polyethersulfon (OH^–-Typ).
Die Anodenkatalysatorpartikel können auf einem Träger getragen werden, der leitfähige Kohlenstoffpartikel wie etwa Ruß aufweist. Die Anodenkatalysatorpartikel können aus einer Legierung ausgebildet sein, die Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) oder eine Mischung aus Pt und Ru enthält. Um die aktiven Stellen der Anodenkatalysatorpartikel zu erhöhen und die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird vorzugsweise die Größe der Anodenkatalysatorpartikel so klein wie möglich zur Verwendung gemacht. Die mittlere Partikelgröße der Anodenkatalysatorpartikel kann auf 1 bis 20 nm eingestellt werden.
Die Kathodenkatalysatorschicht 29 umfasst Kathodenkatalysatorpartikel zum Vorantreiben der Reaktion, die durch die Reaktionsformel (12) dargestellt ist, und ein Polymerelektrolyt zum Bereitstellen einer Ionenleitfähigkeit zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 29 und der Polymerelektrolytmembran 22. Das in der Kathodenkatalysatorschicht 29 enthaltene Polymerelektrolyt kann irgendein Material sein, das als das in der Anodenkatalysatorschicht 25 enthaltene Polymerelektrolyt erwähnt ist.
Die Kathodenkatalysatorpartikel können wie sie sind verwendet werden, oder können auf einem Träger getragen werden, der leitfähige Kohlenstoffpartikel wie etwa Ruß aufweist. Beispiele der Kathodenkatalysatorpartikel umfassen eine einfache Pt-Substanz und Pt-Legierungen. Beispiele von Pt-Legierungen umfassen Legierungen von Pt und Übergangsmetalle wie etwa Kobalt und Eisen.
Das Material der Polymerelektrolytmembran 22 ist nicht besonders begrenzt, falls die Polymerelektrolytmembran 22 eine Ionenleitfähigkeit aufweist. Als solche Materialen können beispielsweise verschiedene bekannte Polymerelektrolytmaterialien verwendet werden. Die meisten der derzeit erhältlichen Polymerelektrolytmembrane sind wasserstoffionenleitfähige Elektrolytmembrane.
Beispiele der Polymerelektrolytmembran 22 umfassen Fluorpolymermembrane. Beispiele von Fluorpolymermembrane umfassen Polymermembrane einschließlich eines Perfluorsulfonsäurepolymers, wie etwa Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylencopolymer (H^±-Typ). Ein Beispiel solcher Membrane einschließlich eines Perfluorsulfonsäurepolymers, ist eine Nafionmembran (Markenname: ”Nafion^®”, von ”E. I. Dupont de Nemours and Company” erhältlich).
Die Polymerelektrolytmembran 22 weist vorzugsweise den Effekt eines Reduzierens des Crossover des in den Brennstoffzellen verwendeten Brennstoffs (z. B. Methanol) auf. Beispiele solcher Polymerelektrolytmembrane umfassen die vorstehend beschriebenen Fluorpolymermembrane, Membrane, die ein fluorinatomfreies Kohlenwasserstoffpolymer, wie etwa ein sulfoniertes Polyethersulfon (S-PEEK) aufweisen, und Verbundstoffmembrane, die anorganische und organische Materialien aufweisen.
Beispiele von als das durchlässige Anodensubstrat 27 und das durchlässige Kathodensubstrat 31 verwendeten durchlässigen Substraten umfassen Kohlenstoffpapier, das Kohlenstofffasern, ein Kohlenstofftuch, Kohlenstoffvliesstoff (Kohlenstofffilz) korrosionsresistente Metallmaschen, und Metallschaum aufweist.
Beispiele von hoch wasserabweisenden Materialien, die zum Ausbilden der wasserabweisenden Anodenschicht 26 und der wasserabweisenden Kathodenschicht 30 verwendet werden, umfassen Fluorpolymere und fluoriertes Graphit. Ein Beispiel von Fluorpolymeren stellt Polytetrafluorethylen (PTFE) dar.
Der anodenseitige Separator 33 und der kathodenseitige Separator 34 kann beispielsweise aus Kohlenstoffmaterial wie etwa Graphit ausgebildet sein. Die Separatoren weisen die Funktion als Abtrennungen zum Blockieren einer Zirkulation von chemischen Substanzen zwischen den Zellen, sowie die Funktion zum Bereitstellen einer elektronischen Leitung zwischen den Zellen auf, und schalten die jeweiligen Zellen in Reihe.
Beispiele von Materialien der Dichtungen 35A und 35B umfassen Fluorpolymere wie etwa PTFE und ein Tetrafluorethylenhexafluorpropylencopolymer (FEP), synthetische Gummis, wie etwa Fluorkohlenstoffgummi und Ethylenpropylendiengummi (EPDM) und Silikonelastomere. Eine Dichtung kann erzeugt werden, indem ein zentraler Teil eines aus PTFE gemachten Blatts oder dergleichen mit einer Öffnung zum Empfangen der Anode oder Kathode bereitgestellt wird.
Die durch die Direkt-Oxidations-Brennstoffzelle erzeugte Spannung beträgt 0,3 bis 0,5 V pro Einheitszelle. Wenn eine Vielzahl von Zellen gestapelt und elektrisch in Reihe geschaltet ist, stellt die Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels das Produkt der Ausgabespannung pro Einheitszelle und der Anzahl der gestapelten Zellen dar. Im Allgemeinen hat eine signifikante Zunahme der Anzahl der gestapelten Zellen eine Zunahme der Anzahl von Komponenten des Brennstoffzellenstapels, der Anzahl von Anordnungsschritten und deshalb der Herstellungskosten zur Folge. Somit wird die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte Spannung durch einen DC-DC-Umwandler 9 verstärkt, um einer elektrischen Vorrichtung zugeführt zu werden, oder um einem Wechselrichter zum Erzeugen eines Wechselstroms zugeführt zu werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 2 die Struktur des Brennstoffzellensystems der Erfindung beschrieben.
Das darin dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst: einen Brennstoffzellenstapel 1; eine Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 zum Zuführen eines Brennstoffs an die Anode; eine Luftzufuhrvorrichtung 3 zum Zuführen von Luft an die Kathode; einen Brennstoffbehälter 4 zum Zuführen des Brennstoffs an die Brennstoffzufuhrvorrichtung; eine Flüssigkeitssammeleinheit 5 zum Speichern eines Ausflusses von der Anode und der Kathode; eine Kühlvorrichtung 6 zum Kühlen des Brennstoffzellensystems 1; eine Steuerung 7 zum Steuern des Betriebszustands des gesamten Systems; eine Sekundärbatterie 8 zum Speichern der Ausgabeenergie des Brennstoffzellenstapels; den DC-DC-Umwandler 9; und einen Restkapazitätsdetektor 10 zum Erfassen der Restkapazität der Sekundärbatterie. Das Brennstoffzellensystem kann einen Wechselrichter (nicht gezeigt) zum Ausgeben einer Wechselstromenergie zwischen dem DC-DC-Umwandler 9 und der elektrischen Vorrichtung umfassen.
Die Eingangsanschlussklemme des DC-DC-Umwandlers 9 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden, während die Ausgabeanschlussklemme mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist, welche nicht gezeigt ist. Die Ausgabeanschlussklemme des DC-DC-Umwandlers 9 ist auch mit der Sekundärbatterie 8 verbunden zum Speichern der Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel 1 über den DC-DC-Umwandler 9 ausgegeben wird, und die nicht der elektrischen Vorrichtung zugeführt wird. Die in der Sekundärbatterie 8 gespeicherte Energie wird der Lastvorrichtung nach Bedarf zugeführt.
Der DC-DC-Umwandler 9 wandelt die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 in eine gewünschte Spannung gemäß der Anweisung der Steuerung 7 um. Insbesondere steuert die Steuerung 7 die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 über den DC-DC-Umwandler 9 derart, dass die Ausgabe für das Laden/Entladen der Sekundärbatterie 8 geeignet ist. Das Laden/Entladen der Sekundärbatterie wird durch die Steuerung 7 basierend auf der durch die elektrische Vorrichtung benötigen Energie oder der Restkapazität der Sekundärbatterie gesteuert. Die Restkapazität der Sekundärbatterie ändert sich jedes Mal, wenn ein Laden/Entladen durchgeführt wird.
Die Restkapazität der Sekundärbatterie wird durch den Restkapazitätsdetektor 10 erfasst. Die Steuerung 7 erhält die erfasste Restkapazität und die Änderungsrate davon, und schaltet die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels zwischen einer Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf diesen Werten um. Insbesondere ändert die Steuerung basierend auf der Restkapazität der Sekundärbatterie und der Änderungsrate davon die Ausgabe der Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 und der Luftzufuhrvorrichtung 3, und steuert den DC-DC-Umwandler 9, um die Ausgabespannung zu ändern. Auf diese Art und Weise wird die Energieerzeugungsbetriebsart des Brennstoffzellenstapels geändert.
Die Steuerung 7 kann aus einer arithmetischen Einheit, einer Speichervorrichtung (Speicher), Software und verschiedenen Logikschaltungen zum Steuern der Erfindung etc. zusammengesetzt sein. Die arithmetische Einheit kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (”CPU”: ”Central Processing Unit”), ein Mikroprozessor (MPU) etc. sein. Typischerweise kann ein Personalcomputer (PC) oder ein Mikrocomputer als die Steuerung verwendet werden.
Verschiedene Zuführungspumpen können als die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 und die Luftzufuhrvorrichtung 3 verwendet werden. Beispiele umfassen Mikropumpen, die ein piezoelektrisches Element und eine Blende verwenden.
Der Brennstoffbehälter 4 speichert Methanol oder eine wässrige Methanollösung als Brennstoff. Der in dem Brennstoffbehälter 4 gespeicherte Brennstoff wird zu jeder Anode 23 des Brennstoffzellenstapels 1 durch die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 transportiert. Der zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zu transportierende Brennstoff kann in einigen Fällen direkt zu dem Brennstoffzellenstapel 1 transportiert werden; jedoch wird er normalerweise mit einer durch die Flüssigkeitssammeleinheit 5 gesammelten und zugeführten Flüssigkeit gemischt, und der verdünnte Brennstoff wird an den Brennstoffzellenstapel 1 transportiert. Der Grund, weshalb Methanol verdünnt wird, besteht darin, dass ein der Anode 23 zugeführtes hochkonzentriertes Methanol ein signifikantes Methanol-Crossover (MCO) zur Folge hat.
Die Brennstoffstöchiometrie F_sto ist ein Koeffizient, der erhalten wird, in dem die der Anode zugeführte Brennstoffmenge durch die von dem Wert des erzeugten Stroms umgewandelte Brennstoffmenge geteilt wird, d. h., die Brennstoffmenge, die tatsächlich verwendet wird, um Energie zu erzeugen, und sie kann aus der folgenden Formel (1) bestimmt werden: F_sto = (I1 + I2)/I1 (1) wobei I1 der erzeugte Strom ist und I2 der Wert des Stroms ist, der aus der Summe der Menge von unverbrauchtem Brennstoff und der Menge von Crossover-Methanolbrennstoff umgewandelt ist.
Die Steuerung 7 bestimmt die Brennstoffzufuhrmenge (der von I1 + I2 umgewandelte Wert von Brennstoff) basierend auf Informationen des gemessenen Werts von Strom, der durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt ist, und der eingestellten Brennstoffstöchiometrie F_sto. Ferner sendet die Steuerung hinsichtlich der Konzentration des der Anode 23 zugeführten Brennstoffs ein Steuerungssignal an die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 derart, dass die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 die bestimmte Brennstoffmenge zuführen kann.
Zudem kann die Brennstoffverwendungsrate F_uti aus der folgenden Formel (2) bestimmt werden: F_uti = I1/(I1 + I_MCO) (2) wobei I_MCO der Stromwert ist, der aus der Menge von Crossover-Methanolbrennstoff umgewandelt ist, der MCO entspricht.
Aus dem zu dem Brennstoffzellenstapel 1 transportierten Brennstoff wird überschüssiger Brennstoff, der I2 entspricht, wieder dem Brennstoffzellenstapel 1 über die Flüssigkeitssammeleinheit 5 zugeführt, ohne in dem Brennstoffzellenstapel 1 verbraucht zu werden. Falls jedoch die Brennstoffstöchiometrie F_sto auf einen ausreichend kleinen Wert eingestellt ist, ist die Menge an überschüssigem Brennstoff, der I2 entspricht, sehr klein, und die Menge an Brennstoff, der in der Flüssigkeit enthalten ist, die von dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgestoßen wird, ist sehr klein. In diesem Fall wird der von dem Brennstoffbehälter 4 zugeführte Brennstoff und das Wasser, das von der Flüssigkeitssammeleinheit 5 zugeführt ist und eine sehr kleine Menge an Brennstoff enthält, in einem Mischbehälter (nicht gezeigt) gemischt. Ein solches Mischen kann durchgeführt werden, indem ein Mischabschnitt innerhalb der Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 bereitgestellt wird.
Die als das Oxidationsmittel dienende Luft wird an jede Kathode 24 des Brennstoffzellenstapels 1 durch die Luftzufuhrvorrichtung 3 über eine Luftleitung transportiert. Wasser wird an der Kathode 24 erzeugt. Ein Teil des Wasserprodukts wird in der Flüssigkeitssammeleinheit 5 gesammelt, in der es als flüssiges Wasser gespeichert wird, um für ein Verdünnen von Brennstoff verwendet zu werden. Überschüssiges Wasser wird als Dampf durch den in der Flüssigkeitssammeleinheit 5 installierten Gas-Flüssigkeitstrennfilm zusammen mit der der Kathode 24 zugeführten Luft getrennt, und wird von der Flüssigkeitssammeleinheit 5 an die Außenseite ausgestoßen. An der Anode 23 als ein Ergebnis einer Energieerzeugung erzeugtes Kohlenstoffdioxid wird durch den Gas-Flüssigkeitstrennfilm auch getrennt und von der Flüssigkeitssammeleinheit 5 an die Außenseite ausgestoßen.
Die Flüssigkeitssammeleinheit 5 ist beispielsweise aus einem Behälter zusammengesetzt, der eine obere Öffnung und einen Gas-Flüssigkeitstrennfilm (nicht gezeigt) aufweist, der die Öffnung schließt. Der Gas-Flüssigkeitstrennfilm trennt Flüssigkeiten, nämlich Wasser, und nicht verbrauchten Brennstoff von Gasen, nämlich Luft, Dampf und Kohlenstoffdioxid. Die Flüssigkeitssammeleinheit 5 weist vorzugsweise einen Sensor zum Erfassen der gespeicherten Wassermenge auf.
Informationen über die Flüssigkeitsmenge werden an die Steuerung 7 gesendet. Wenn überschüssiges Wasser aufgrund eines kontinuierlichen Betriebs über einen langen Zeitraum gespeichert wird, erhöht die Steuerung 7 die Ausgabe der Luftzufuhrvorrichtung 3, um der Flüssigkeitssammeleinheit 5 Luft zuzuführen, wodurch die in Dampf umgewandelte Wassermenge erhöht wird. Wenn andererseits das Wasser in der Flüssigkeitssammeleinheit 5 nicht ausreicht, wird die Kühlvorrichtung 6 vollständig betrieben, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 oder die Temperatur der Flüssigkeitssammeleinheit 5 zu verringern, wodurch die von der Flüssigkeitssammeleinheit 5 umgewandelte Dampfmenge verringert wird. Auf diese Art und Weise kooperiert die Flüssigkeitssammeleinheit 5 mit der Steuerung 7, der Luftzufuhrvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung 6, um als ein Puffer zum Steuern der Wassermenge in dem System zu fungieren.
Die Kühlvorrichtung 6 weist beispielsweise eine Luftblasvorrichtung auf. Die Luftblasvorrichtung kann ein Ventilator, wie etwa ein Schirokko-Ventilator, ein Turbo-Ventilator, ein Axialventilator oder ein Querstromventilator, ein Gebläse, wie etwa ein Zentrifugalgebläse, ein Axialgebläse oder ein Kapselgebläse, oder ein Ventilatormotor sein.
Die Sekundärbatterie 8 kann eine Nickelmetallhydridspeicherbatterie, eine Nickelcadmiumspeicherbatterie, eine Lithiumionensekundärbatterie etc. sein. Unter diesen ist die Lithiumionensekundärbatterie für das Brennstoffzellensystem der Erfindung besonders geeignet, weil sie eine hohe Ausgabe und eine hohe Energiedichte aufweist. Eine Batteriegruppe oder ein Akku, die eine Vielzahl von parallel oder in Reihe geschalteten Sekundärbatterien aufweisen, kann auch verwendet werden. Da die herkömmliche D/C-Ausgabespannung 12 V oder 24 V beträgt, wird beispielsweise ein Akku einschließlich 4 oder 7 in Reihe geschaltete Zellen für den Fall von Lithiumionenbatterien verwendet. Zudem ist eine Vielzahl von Zellen in Abhängigkeit von der benötigten Kapazität parallel geschaltet.
Der Restkapazitätsdetektor 10 umfasst beispielsweise ein Voltmeter zum Messen der Spannung der Sekundärbatterie, und speichert die Beziehung zwischen der Spannung der Sekundärbatterie und der Restkapazität. Der Restkapazitätsdetektor 10 erfasst die Spannung der Sekundärbatterie und bestimmt die Restkapazität entsprechend der erfassten Spannung. Der Restkapazitätsdetektor 10 kann mit der Steuerung 7 kooperieren, um die Restkapazität zu bestimmen. Die durch den Batterierestkapazitätsdetektor 10 erfasste Restkapazität wird an die Steuerung 7 gesendet. Die Steuerung 7 berechnet die Änderungsrate der Restkapazität aus den Informationen über die Restkapazität, und steuert die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 basierend auf den Informationen. Als die Spannung der Sekundärbatterie kann eine Leerlaufspannung gemessen werden, oder eine Kurzschlussspannung mit einer relativ kleinen verbundenen Last kann gemessen werden. Zudem kann die Spannung von jeder Zelle gemessen werden, oder die Spannung des gesamten Akkus kann gemessen werden. Der Restkapazitätsdetektor 10 kann auch einen Amperestundenzähler zum konstanten Messen des Lade-/Entladestroms der Sekundärbatterie und zum Integrieren der gemessenen Werte umfassen.
Wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 8 und die Änderungsrate davon aus einer kleinen Anzahl von Spannungsmessergebnissen bestimmt werden, kann ein Fehler zwischen den bestimmten Werten und der tatsächlichen Restkapazität und der Änderungsrate davon auftreten. Falls sich beispielsweise die Last schnell ändert, ändert sich die Batteriespannung scharf, wodurch ein großer Fehler entsteht. Vorzugsweise wird deshalb der stündliche Durchschnitt einer Vielzahl von Messergebnissen durch Berechnung bestimmt.
Es ist auch möglich, einen Kondensator zu der Sekundärbatterie parallel zu schalten, und die Spannung zwischen den Anschlussklemmen des Kondensators zu messen, um die Durchschnittsspannung der Sekundärbatterie zu bestimmen. D. h., das sogenannte Flugkondensatorverfahren (”flying capacitor method”) kann angewendet werden. In diesem Fall stellt die Spannung des Kondensators die Durchschnittsspannung in einer bestimmten Zeitperiode dar, ohne durch eine scharfe Spannungsvariation in einer kurzen Zeitperiode beeinträchtigt zu werden. Somit wird eine Berechnung zum Mitteln der Spannung unnötig, und eine komplizierte Berechnung kann vermieden werden. Zudem kann die Spannung der Sekundärbatterie genau ohne eine Erdung gemessen werden.
Die Änderungsrate der Restkapazität der Sekundärbatterie wird als positiv definiert, wenn die Restkapazität zunimmt. Während die Einheit für die Änderungsrate nicht besonders begrenzt ist, kann sie beispielsweise als die Änderungsgröße (%) von SOC pro Stunde definiert werden. Der Term SOC bezieht sich auf einen Parameter, der den Ladungszustand (”state of charge”) einer Sekundärbatterie anzeigt; wenn die Batterie vollständig geladen ist und eine Kapazität aufweist, die der nominalen Kapazität entspricht, beträgt der SOC 100%, und wenn sie vollständig entladen ist, und eine Spannung aufweist, die der Entladungsendspannung entspricht, beträgt der SOC 0%.
Wenn die durch die elektrische Vorrichtung verbrauchte Energie größer als die Energie ist, die erhalten wird, indem die durch Hilfsvorrichtungen (z. B. die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2 und die Luftzufuhrvorrichtung 3) verbrauchte Energie zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 1 von der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 subtrahiert wird, wird die Sekundärbatterie 8 entladen. Somit nimmt die Änderungsrate der Restkapazität einen negativen Wert an. Wenn umgekehrt die Sekundärbatterie 8 geladen wird, nimmt die Änderungsrate der Restkapazität einen positiven Wert an.
Als Nächstes wird das Verfahren zum Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten des Brennstoffzellensystems beschrieben.
Im Allgemeinen beschreiben die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung einer Brennstoffzelle und die Beziehung zwischen dem Strom und der Ausgabeenergie Kurven, wie in 3 gezeigt. Indem der Stromwert oder der Spannungswert bestimmt wird, kann somit die Ausgabeenergie gesteuert werden. Beispielsweise erteilt die Steuerung 7 dem DC-DC-Umwandler 9 eine Anweisung einer Solleingabespannung, um die Ausgabeenergie der Brennstoffzelle derart zu steuern, dass die Ausgabeenergie den Sollwert erreicht.
Im Grunde kann der Brennstoffzellenstapel 1 bei irgendeinem Punkt auf der Strom-Spannungskurve und der Strom-Ausgabekurve in 3 betrieben werden. Jedoch wird in der Erfindung eine kleine begrenzte Anzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten eingestellt, um eine Verringerung einer Brennstoffverwendungsrate und eine komplizierte Steuerung aufgrund einer häufigen Ausgabevariation zu verhindern. 3 zeigt drei Betriebsarten einer starken Betriebsart (Punkt C, c), einer mittleren Betriebsart (Punkt B, b) und einer schwachen Betriebsart (Punkt A, a) als Beispiele der Energieerzeugungsbetriebsarten. Die starke Betriebsart ist ein Punkt, bei welchem die Ausgabe auf der Strom-Ausgabekurve am größten wird. Die schwache Betriebsart ist ein Punkt, bei welchem die durch die Brennstoffzufuhrvorrichtung 2, die Luftzufuhrvorrichtung 3, die Kühlvorrichtung 6, die Steuerung 7 etc. verbrauchte Energie, die zum Betreiben der Brennstoffzelle notwendig ist, beinahe der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 entspricht. Die mittlere Betriebsart ist ein dazwischen liegender Mittelpunkt.
Solche drei Energieerzeugungsbetriebsarten werden nachstehend als Beispiele mit Bezug auf 4a und 4b beschrieben.
Zunächst zeigt 4a die Kapazitätsschwellenwerte für ein herkömmliches Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten.
Wenn die Anzahl der Energieerzeugungsbetriebsarten drei ist, gibt es zwei Kapazitätsschwellenwerte. Das heißt, wenn die Restkapazität gleich oder größer als die unterbrochene Linie in der Figur ist, wird die schwache Betriebsart für einen Betrieb verwendet, und wenn sie gleich oder kleiner als die Punkt-Strich-Linie in der Figur ist, wird die starke Betriebsart für einen Betrieb verwendet. Wenn sie dazwischen liegt, wird die mittlere Betriebsart für einen Betrieb verwendet.
Um die Frequenz eines Umschaltens zwischen den jeweiligen Betriebsarten zu reduzieren, um die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu vergrößern, wird das Intervall zwischen der unterbrochenen Linie und der Punkt-Strich-Linie vorzugsweise vergrößert, d. h., der Bereich der Restkapazität für den Betrieb, der die mittlere Betriebsart verwendet. Beispielsweise liegt das Intervall zwischen der unterbrochenen Linie und der Punkt-Strich-Linie vorzugsweise in dem Bereich von 20 bis 40%, wenn der SOC, der der gesamten Batteriekapazität entspricht, als 100% definiert ist. Wenn insbesondere die Sekundärbatterie eine Lithiumionenbatterie ist, liegt die Restkapazität an dem Mittelpunkt zwischen der unterbrochenen Linie und der Punkt-Strich-Linie vorzugsweise bei 40 bis 60%, da die Leistungsverschlechterung am kleinsten ist, wenn die Restkapazität in einem mittleren Bereich liegt.
Als Nächstes zeigt 4b die Kapazitätsschwellenwerte zum Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten gemäß der Erfindung. Darin ist die Änderungsrate der Restkapazität in drei Bereiche durch zwei Schwellenwerte der Änderungsrate aufgeteilt, und eine Steuerungsbetriebsart mit zwei Kapazitätsschwellenwerten ist für jeden der Bereiche eingestellt. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Bereiche für die Änderungsrate der Restkapazität nicht drei sein muss, und irgendeine Anzahl von 2 oder größer sein kann.
Zunächst wird in einem Niedrigratenbereich, in welchem die Änderungsrate der Restkapazität am kleinsten ist (wenn die Änderungsmenge des SOC pro Stunde in dem Bereich von –100% bis –50% liegt), eine große Energiemenge durch die Last verbraucht, und die Sekundärbatterie wird bei einem großen Strom entladen, sodass die Restkapazität der Sekundärbatterie schnell abnimmt. Falls ein solcher Zustand fortgesetzt wird, wird die Sekundärbatterie schließlich keine Restkapazität aufweisen, oder für den Fall eines Akkus kann ein Teil der Zellen überentladen werden. Wenn zudem die Sekundärbatterie mit einem Schutzmechanismus bereitgestellt wird, der ein Entladen stoppt, wenn die Restkapazität kleiner als ein bestimmter Schwellenwert wird, um zu verhindern, dass ein Teil der Zellen überentladen wird, macht ein Stopp der Entladung die elektrische Vorrichtung unbrauchbar.
Deshalb ist es notwendig, bevor die Restkapazität der Sekundärbatterie signifikant abnimmt, die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 zu der starken Betriebsart zu ändern, um die Abnahme der Restkapazität abzuschwächen. Falls jedoch die Energieerzeugungsbetriebsarten wie in 4a gezeigt umgeschaltet werden, kann der Zeitpunkt zum Ändern der starken Betriebsart verspätet sein. Demzufolge kann die Entladung der Sekundärbatterie früh gestoppt werden, oder die Sekundärbatterie kann geladen werden, nachdem sie mit einer tiefen Entladungstiefe entladen worden ist, welche die Verschlechterung der Sekundärbatterie vorantreibt.
Andererseits können für den Fall eines Umschaltens der Steuerungsbetriebsarten basierend auf der Änderungsrate der Restkapazität in dem Niedrigratenbereich (der Bereich von –100% bis –50%), in welchem die Änderungsrate der Restkapazität am kleinsten ist, zwei Kapazitätsschwellenwerte hoch eingestellt werden, und der Bereich zwischen den Schwellenwerten kann klein eingestellt werden. Demzufolge ist es möglich, ungeachtet des Zustands der Restkapazität der Sekundärbatterie, wenn die Sekundärbatterie mit einem großen Strom entladen wird, in die starke Betriebsart direkt zu wechseln, um die Abnahme der Restkapazität der Sekundärbatterie zu verzögern.
In einem Hochratenbereich (der Bereich von 0 bis 50%), in welchem die Änderungsrate der Restkapazität am größten ist, ist die durch die Last verbrauchte Energie klein, und die Sekundärbatterie wird kaum entladen, oder wird geladen. In diesem Fall ändert sich die Restkapazität der Sekundärbatterie kaum, oder nimmt zu. Falls in einem solchem Zustand der Brennstoffzellenstapel eine unnötig große Ausgabe erzeugt, wird die Sekundärbatterie schnell geladen. Im Allgemeinen nimmt die Verschlechterung von Sekundärbatterien aufgrund Lade-/Entladezyklen zu, wenn der Ladestrom zunimmt. Zudem wird für den Fall eines Akkus, falls der Akku mit einer hohen Restkapazität weiter geladen wird, ein Teil der Zellen überladen, und die Batterieleistung verschlechtert sich. Deshalb wird in dem Bereich, in welchem die Änderungsrate der Restkapazität am größten ist, die Brennstoffzelle vorzugsweise auf die schwache Betriebsart direkt geändert, um den Strom zum Laden der Sekundärbatterie zu verringern, oder um zu bewirken, dass die Sekundärbatterie schwach entladen wird, um die Restkapazität des Sekundärbatterie auf mittel zu halten. Um dies auszuführen, ist es in dem Hochratenbereich, in welchem die Änderungsrate der Restkapazität am größten ist, wünschenswert, die beiden Kapazitätsschwellenwerte auf mittel einzustellen.
In einem Mittelratenbereich (der Bereich von –50% bis 0%), in welchem die Änderungsrate der Restkapazität mittel ist, ist die durch die Last verbrauchte Energie etwas größer als die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1, und die Sekundärbatterie wird ein bisschen entladen. Die Änderung der Restkapazität ist nicht so groß, und eine mittlere Restkapazität kann einfach aufrechterhalten werden. In einem solchen Zustand können die Kapazitätsschwellenwerte auf Mittelpunkte zwischen dem kleinsten Bereich und dem größten Bereich für die Änderungsrate der Restkapazität eingestellt werden. D. h., vorzugsweise werden die beiden Kapazitätsschwellenwerte auf mittel eingestellt, wobei der Bereich zwischen den Schwellenwerten mittel ist.
Für den Fall, dass die drei Steuerungsbetriebsarten wie vorstehend beschrieben eingestellt werden, werden die beiden Schwellenwerte der Änderungsrate vorzugsweise beispielsweise wie folgt eingestellt, wobei die Schwellenwerte als die Änderungsmenge (%) des SOC pro Stunde ausgedrückt werden.
Der kleinere Schwellenwert der Änderungsrate: –1000 bis 0%
Der größere Schwellenwert der Änderungsrate: –100 bis 50%
Zudem sind die beiden Schwellenwerte der Änderungsrate vorzugsweise 20 bis 100% voneinander entfernt.
In diesem Fall liegen die beiden Kapazitätsschwellenwerte Chigh-1 und Chigh-2 (Chigh-1 > Chigh-2) der Steuerungsbetriebsart, die dem Hochratenbereich zugewiesen ist, in welchem die Änderungsrate am größten ist, vorzugsweise jeweils in dem Bereich von 80 bis 100% und in dem Bereich von 70 bis 90%. Die beiden Kapazitätsschwellenwerte Cmiddle-1 und Cmiddle-2 (Cmiddle-1 > Cmiddle-2) der Steuerungsbetriebsart, die dem Mittelratenbereich zugewiesen ist, liegen vorzugsweise jeweils in dem Bereich von 65 bis 90% und in dem Bereich von 50 bis 85%. Die beiden Kapazitätsschwellenwerte Clow-1 und Clow-2 (Clow-1 > Clow-2) der Steuerungsbetriebsart, die dem Niedrigratenbereich zugewiesen ist, liegen vorzugsweise jeweils in dem Bereich von 50 bis 80% und in dem Bereich von 40 bis 70%. Zudem gilt vorzugsweise Chigh-1 < Cmiddle-1 < Clow-1 und Chigh-2 < Cmiddle-2 < Clow-2.
In den 4a und 4b sind die beiden Kapazitätsschwellenwerte für jeden der drei Steuerungsbetriebsarten eingestellt, aber die Kapazitätsschwellenwerte können mit einer Hysterese bereitgestellt werden. D. h., die Kapazitätsschwellenwerte zum Ändern von der schwachen Betriebsart zu der mittleren Betriebsart oder von der mittleren Betriebsart zu der starken Betriebsart können kleiner gemacht werden als der Kapazitätsschwellenwert zum Ändern von der starken Betriebsart zu der mittleren Betriebsart oder von der mittleren Betriebsart zu der schwachen Betriebsart. Hier wird der Schwellenwert zum Erhöhen der Ausgabe von dem in der Stromenergieerzeugungsbetriebsart als ein unterer Schwellenwert bezeichnet, und der Schwellenwert zum Verkleinern der Ausgabe von dem in der Stromenergieerzeugungsbetriebsart wird als ein oberer Schwellenwert bezeichnet. Indem eine solche Hysterese eingestellt ist, ist es möglich, zu verhindern, dass sich die Restkapazität um den Schwellenwert ändert und in einen sogenannten Pendelzustand (”hunting state”) fällt. Falls sie in einen Pendelzustand fällt, kann die Energieerzeugungsbetriebsart häufig umgeschaltet werden. Vorzugsweise wird beispielsweise der untere Schwellenwert auf einen Wert eingestellt, der kleiner als der obere Schwellenwert um ungefähr 1 bis 10% ist, hinsichtlich eines Verhinderns des Pendelphänomens.
Die Energieerzeugungsbetriebsarten werden beispielsweise in der folgenden Prozedur ausgewählt. 5 zeigt ein Flussdiagramm.
Zunächst wird das Brennstoffzellensystem in Betrieb genommen, um die Zufuhr von Energie an die Last zu starten (S0), und dann erfasst der Restkapazitätsdetektor die Spannung der Sekundärbatterie (S1), um die Restkapazität zu berechnen (S2). Der Restkapazitätsdetektor umfasst beispielsweise ein Voltmeter und einen Speicher zum Speichern der Beziehung zwischen der Spannung und der Restkapazität der Sekundärbatterie, die im Voraus erhalten ist, und zum Speichern der erfassten Spannungswerte. Beim Berechnen der Restkapazität aus der vorstehend beschriebenen Beziehung und dem erfassten Spannungswert kann die arithmetische Einheit der Steuerung verwendet werden. Die Spannung wird jede vorbestimmte Zeitperiode erfasst. Die Berechnung zum Berechnen der Restkapazität von dem erfassten Spannungswert kann jede Spannungserfassung durchgeführt werden, oder einmal in einer Vielzahl von Spannungserfassungen.
Als Nächstes berechnet die Steuerung die Änderungsrate der Restkapazität beispielsweise aus der Restkapazität bei der L-ten Berechnung und der Restkapazität bei der L + 1-ten Berechnung (S3). Es ist zu beachten, dass die Änderungsrate der Restkapazität als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt.
Auf eine Berechnung der Änderungsrate der Restkapazität hin bestimmt die Steuerung, in welchem Bereich der (M + 1) Bereiche, die durch M Schwellenwerte der Änderungsrate aufgeteilt sind, die berechnete Änderungsrate enthalten ist, und wählt eine Steuerungsbetriebsart basierend auf dem Bestimmungsergebnis aus (S4).
Auf eine Auswahl der Steuerungsbetriebsart hin bestimmt die Steuerung, in welchem Bereich der (N+ 1) Kapazitätsbereiche, die durch N Kapazitätsschwellenwerte der ausgewählten Steuerungsbetriebsart aufgeteilt sind, die Restkapazität bei der L-ten oder L + 1-ten Berechnung enthalten ist, und wählt eine Energieerzeugungsbetriebsart basierend auf dem Bestimmungsergebnis aus (S5).
Auf eine Auswahl der Energieerzeugungsbetriebsart hin bestimmt die Steuerung, ob die Brennstoffzelle in der ausgewählten Energieerzeugungsbetriebsart Energie erzeugt, und schaltet die Energieerzeugungsbetriebsart nach Bedarf um (S6).
Die Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem bereitstellen, das klein und leicht ist aufgrund einer minimalen Ausgabe einer Brennstoffzelle und einer minimalen Kapazität einer Sekundärbatterie, aber eine Verwendung von verschiedenen Vorrichtungen ermöglicht, die unterschiedliche Energiemengen verbrauchen, und bewirkt, dass die Ausgabe der Brennstoffzelle gemäß der Energieverbrauchsmenge geeignet gesteuert wird, um eine hohe Energieumwandlungseffizienz und eine lange Haltbarkeit bereitzustellen.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele wurden mit Bezug auf die Fälle beschrieben, bei denen eine DMFC unter Verwendung von Methanol als Brennstoff verwendet wird, aber die Brennstoffzelle ist auf eine DMFC nicht begrenzt. Die Erfindung ist jedoch insbesondere effektiv, wenn sie auf Direkt-Oxidations-Brennstoffzellen angewendet wird, die Brennstoffe verwenden, die eine hohe Affinität für Wasser haben und bei Raumtemperatur flüssig sind. Beispiele dieser Brennstoffe, die bei Raumtemperatur flüssig sind, umfassen flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoffe, wie etwa Ethanol, Dimethylether, Ameisensäure und Ethylenglykol sowie Methanol.
Die Erfindung wird nachstehend insbesondere durch Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele begrenzt.
[Beispiel 1]
Ein getragener Anodenkatalysator wurde vorbereitet, der die auf einem leitfähigen Träger getragenen Anodenkatalysatorpartikel aufweist. Eine Platinrutheniumlegierung (Atomverhältnis 1:1) (mittlere Partikelgröße: 5 nm) wurde als die Anodenkatalysatorpartikel verwendet. Leitfähige Kohlenstoffpartikel mit einer mittleren primären Partikelgröße von 30 nm wurden als der Träger verwendet. Das Gewicht der Platinrutheniumlegierung wurde auf 80 Gew.-% des Gesamtgewichts der Platinrutheniumlegierung und der leitfähigen Kohlenstoffpartikel eingestellt.
Ein getragener Kathodenkatalysator wurde vorbereitet, der die auf einem leitfähigen Träger getragenen Kathodenkatalysatorpartikel aufweist. Platin (mittlere Partikelgröße: 3 nm) wurde als die Kathodenkatalysatorpartikel verwendet. Leitfähige Kohlenstoffpartikel mit einer mittleren primären Partikelgröße von 30 nm wurden als der Träger verwendet. Das Gewicht des Platins wurde auf 80 Gew.-% des Gesamtgewichts des Platins und der leitfähigen Kohlenstoffpartikel eingestellt.
Eine 50 μm dicke Fluorpolymermembran (ein Film, der im Grunde aus einem Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylencopolymer (H⁺-Typ) zusammengesetzt ist, Markenname ”Nafion^® 112”, von ”E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc” erhältlich) wurde als die Polymerelektrolytmembran verwendet.
(a) Vorbereitung von CCM
(i) Ausbildung der Anode
10 g des getragenen Anodenkatalysators, 70 g einer Flüssigkeitsdispersion, die ein Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylencopolymer (H⁺-Typ) enthält (Markenname: ”Nafion^® 5 Gew.-%-ige Lösung”, von ”E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc, USA” erhältlich), und eine geeignete Wassermenge wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt. Die resultierende Mischung wurde entschäumt, um eine Tinte zum Ausbilden einer Anodenkatalysatorschicht vorzubereiten.
Die eine Tinte ausbildende Anodenkatalysatorschicht wurde auf eine Oberfläche der Polymerelektrolytmembran durch ein Sprühverfahren unter Verwendung einer Luftbürste gesprüht, um eine 10 cm Quadratanodenkatalysatorschicht auszubilden. Die Dimensionen der Anodenkatalysatorschicht wurden durch Maskieren angepasst. Wenn die eine Tinte ausbildende Anodenkatalysatorschicht gesprüht wurde, wurde die Polymerelektrolytmembran an einer Metallplatte fixiert, indem der Druck zum Adsorbieren der Polymerelektrolytmembran auf die Metallplatte reduziert wurde, und gleichzeitig wurde die Oberflächentemperatur der Metallplatte durch einen Erhitzer angepasst. Die eine Tinten ausbildende Anodenkatalysatorschicht wurde während der Anwendung stufenweise getrocknet. Die Dicke der Anodenkatalysatorschicht betrug 61 μm und die Menge des Pt-Ru pro Einheitsgebiet betrug 3 mg/cm².
(ii) Ausbildung der Kathode
10 g des getragenen Kathodenkatalysators, 100 g einer flüssigen Dispersion, die ein Perfluorsulfonsäure/Polytetrafluorethylencopolymer (H⁺-Typ) enthält (Markenname: ”Nafion^® 5 Gew.-%-ige Lösung”, wie vorstehend beschrieben) und eine passende Menge von Wasser wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt. Die resultierende Mischung wurde entschäumt, um eine Tinte zum Ausbilden einer Kathodenkatalysatorschicht vorzubereiten.
Die eine Tinte ausbildende Kathodenkatalysatorschicht wurde auf die Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angewendet, die der Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht gegenüberliegt, durch dasselbe Verfahren wie das, das zum Ausbilden der Anodenkatalysatorschicht verwendet worden ist. Auf diese Art und Weise wurde eine 10 cm Quadratkathodenkatalysatorschicht auf der Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die in der Kathodenkatalysatorschicht pro Einheitsgebiet enthaltene Menge an Pt betrug 1 mg/cm².
Die Anodenkatalysatorschicht und die Kathodenkatalysatorschicht wurden derart angeordnet, dass ihre Zentren in der Dickerichtung der Polymerelektrolytmembran überlappten.
Auf diese Art und Weise wurde ein CCM vorbereitet.
(b) Vorbereitung von MEA
(i) Vorbereitung eines durchlässigen Anodensubstrats
Ein Kohlenstoffpapier, das einer wasserabweisenden Behandlung ausgesetzt worden ist (Markenname ”TGB-H-090”, ungefähr 300 μm dick, von ”Toray Industries Inc.” erhältlich) wurde in eine verdünnte Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Dispersion (Markenname ”D-1”, von ”Daikin Industries, Ltd.” erhältlich) für 1 Minute getaucht. Das Kohlenstoffpapier wurde dann in einem Heißlufttrockner getrocknet, in welchem die Temperatur auf 100°C eingestellt wurde. Danach wurde das getrocknete Kohlenstoffpapier in einem elektrischen Ofen für 2 Stunden auf 270°C gebacken. Auf diese Art und Weise wurde ein durchlässiges Anodensubstrat mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% erzeugt.
(ii) Vorbereitung eines durchlässigen Kathodensubstrats
Ein durchlässiges Kathodensubstrat mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% wurde auf dieselbe Art und Weise wie das durchlässige Anodensubstrat erzeugt, außer dass für die Verwendung ein Kohlenstofftuch (Markenname ”AvCarb^TM 1071HCB”, von ”Ballard Material Products Inc.” erhältlich) anstelle des Kohlenstoffpapiers, das einer wasserabweisenden Behandlung ausgesetzt wurde.
(iii) Vorbereitung einer wasserabweisenden Anodenschicht
Ein Acetylenschwarzpulver und eine PTFE-Dispersion (Markenname ”D-1”, von ”Daikin Industries, Ltd.” erhältlich) wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt, um eine Tinte zum Ausbilden einer wasserabweisenden Schicht mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% des gesamten Festkörpergehalts und einem Acetylenschwarzpulvergehalt von 90 Gew.-% des gesamten Festkörpergehalts vorzubereiten. Die eine Tinte ausbildende wasserabweisende Schicht wurde auf eine Oberfläche des durchlässigen Anodensubstrats durch ein Sprühverfahren unter Verwendung einer Luftbürste gesprüht. Die gesprühte Tinte wurde dann in einem Thermostat getrocknet, in welchem die Temperatur auf 100°C eingestellt wurde. Danach wurde das mit der eine Tinte ausbildende wasserabweisende Schicht gesprühte durchlässige Anodensubstrat in einem elektrischen Ofen für 2 Stunden bei 270°C gebacken, um das Tensid zu entfernen. Auf diese Art und Weise wurde eine wasserabweisende Anodenschicht auf dem durchlässigen Anodensubstrat ausgebildet, um eine Anodendiffusionsschicht zu erzeugen, die das durchlässige Anodensubstrat und die wasserabweisende Anodenschicht aufweist.
(iv) Vorbereitung einer wasserabweisenden Kathodenschicht
Eine wasserabweisende Kathodenschicht wurde auf einer Oberfläche des durchlässigen Kathodensubstrats auf dieselbe Art und Weise wie die wasserabweisende Anodenschicht ausgebildet, um eine Kathodendiffusionsschicht zu erzeugen, die das durchlässige Kathodensubstrat und die wasserabweisende Kathodenschicht aufweist.
Sowohl die Anodendiffusionsschicht als auch die Kathodendiffusionsschicht wurden in einem 10 cm Quadrat ausgebildet unter Verwendung eines Stanzwerkzeugs (”punching die”).
Danach wurden die Anodendiffusionsschicht und die CCM derart geschichtet, dass die wasserabweisende Anodenschicht mit der Anodenkatalysatorschicht in Kontakt gekommen ist. Zudem wurden die Kathodendiffusionsschicht und die CCM derart geschichtet, dass die wasserabweisende Kathodenschicht mit der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt gekommen ist.
Der resultierende Schichtstoff wurde mit einem Druck von 5 MPa für 1 Minute zusammen gedrückt unter Verwendung einer heißen Druckmaschine, deren Temperatur auf 125°C eingestellt wurde. Auf diese Art und Weise wurden die Anodenkatalysatorschicht und die Anodendiffusionsschicht gebondet, und die Kathodenkatalysatorschicht und die Kathodendiffusionsschicht wurden gebondet.
Auf die vorstehende Art und Weise wurde eine Membranelektrodenanordnung (”MEA”: ”Membrane Electrode Assembly”) erzeugt, die die Anode, die Polymerelektrolytmembran und die Kathode aufweist.
(c) Anordnung von Dichtungen
Ein 0,25 mm dickes Blatt von Ethylenpropylendiengummi (EPDM) wurde auf ein 12 cm Quadrat geschnitten. Ferner wurde ein zentraler Teil des Blattes herausgeschnitten, um eine 10 cm Quadratöffnung auszubilden. Auf diese Art und Weise wurden zwei Dichtungen vorbereitet. Die jeweiligen Dichtungen wurden an die MEA angebracht, sodass die Anode in die Öffnung einer der Dichtungen eingepasst wurde, während die Kathode in die Öffnung der anderen Dichtung eingepasst wurde.
(d) Erstellung eines Separators
Eine mit Harz imprägnierte Graphitplatte mit einer Dicke von 2 mm und einer 12 cm Quadratform wurde als ein Material eines Separators erstellt. Eine Oberfläche der Graphitplatte wurde geschnitten, sodass ein Brennstoffflusskanal zum Zuführen einer wässrigen Methanollösung an die Anode auf einer Seite ausgebildet wurde. Ein Ende des Separators wurde mit einem Einlass des Brennstoffflusskanals bereitgestellt, während das andere Ende mit einem Auslass bereitgestellt wurde.
Die andere Oberfläche der Graphitplatte wurde mit einem Luftflusskanal zum Zuführen einer Luft an die Kathode als das Oxidationsmittel bereitgestellt. Ein Ende des Separators wurde mit einem Einlass des Luftflusskanals bereitgestellt, während das andere Ende mit einem Auslass bereitgestellt wurde. Auf diese Art und Weise wurden Separatoren für einen Brennstoffzellenstapel 1 erstellt.
Die Nuten des Brennstoffflusskanals und des Luftflusskanals wiesen eine Breite von 1 mm und eine Tiefe von 0,5 mm in einem Querschnitt auf. Zudem waren der Brennstoffflusskanal und der Luftflusskanal gewunden und in der Lage, den Brennstoff und die Luft an die gesamte Anodendiffusionsschicht und die gesamte Kathodendiffusionsschicht einheitlich zuzuführen.
(e) Erzeugung eines DMFC-Stapels
Somit erzeugte MEAs und Separatoren wurden so gestapelt, dass der Brennstoffflusskanal eines jeden Separators mit der Anodendiffusionsschicht in Kontakt war, während der Luftflusskanal mit der Kathodendiffusionsschicht in Kontakt war, um 20 Zellen auszubilden. Es ist zu beachten, dass ein Paar an Separatoren, das an dem äußersten Abschnitt positioniert ist, nur mit einem Brennstoffflusskanal oder einem Luftflusskanal auf einer Oberfläche bereitgestellt wurde.
Beide Enden des Stapels von 20 Zellen in der Stapelrichtung wurden mit einem Paar an Endplatten versehen, die 1 cm dicke Edelstahlplatten aufwiesen. Eine Stromkollektorplatte, die eine 2 mm dicke Kupferplatte aufweist, deren Oberfläche mit Gold plattiert wurde, und eine Isolatorplatte wurde zwischen jeder Endplatte und jedem Separator an dem äußersten Abschnitt angeordnet. Die Stromkollektorplatte wurde auf der Separatorseite angeordnet, während die Isolatorplatte auf der Endplattenseite angeordnet wurde. In diesem Zustand wurde das Paar von Endplatten mit Bolzen, Schraubenmuttern und Federn befestigt, um auf die MEAs und die jeweiligen Separatoren einen Druck auszuüben.
Auf die vorstehend beschriebene Art und Weise wurde ein DMFC-Stapel mit einer Größe von 12 × 12 cm erstellt.
(f) Erzeugung eines Brennstoffzellensystems
Unter Verwendung des DMFC-Stapels wurde ein Brennstoffzellensystem erzeugt.
Die dem Zellenstapel zugeführten Mengen an Luft und Brennstoff werden präzise angepasst, um die Genauigkeit des Experiments zu erhöhen. Die Luft wurde nicht durch eine herkömmliche Luftpumpe zugeführt, sondern stattdessen wurde von einem Hochdruckluftzylinder zugeführte gepresste Luft dem Zellenstapel zugeführt, indem eine Massenflusssteuerung von ”Horiba, Ltd.” verwendet wurde, um die Flussrate davon anzupassen. Der Brennstoff wurde unter Verwendung einer Präzisionspumpe zugeführt (persönliche Pumpe NP-KX-100 (Produktname)), die von ”Nihon Seimitu Kagaku Co. Ltd.” erhältlich ist.
Die als die Kühlvorrichtung verwendete Luftblasvorrichtung war ein Modell 412JHH, das von ”ebm-papst, USA” erhältlich ist.
Die als die Brennstoffzufuhrvorrichtung dienende Präzisionspumpe, die als die Luftzufuhrvorrichtung dienende Massenflusssteuerung und die als die Kühlvorrichtung dienende Luftblasvorrichtung wurden mit einem als die Steuerung dienenden Personalcomputer verbunden. Unter Verwendung der Steuerung wurden eine Inbetriebnahme und eine Außerbetriebnahme der jeweiligen Vorrichtungen und die Anpassung der Flussraten gesteuert.
Die verwendete Flüssigkeitssammeleinheit war ein rechteckiger parallelepipedförmiger Behälter, der aus Polypropylen gemacht ist, und eine 5 cm Quadratbodenfläche und eine Höhe von 10 cm aufweist. Ein von ”Nitto Denko Corporation” erhältlicher durchlässiger Film TEMISH (Gas-Flüssigkeitstrennfilm) wurde auf die obere Oberfläche der Flüssigkeitssammeleinheit thermisch geschweißt.
Der Einlass des Brennstoffflusskanals jeder Zelle und die Brennstoffpumpe wurden unter Verwendung eines Silikonschlauchs und eines verzweigten Rohrs verbunden. Gleichermaßen wurde der Auslass des Brennstoffflusskanals jeder Zeile und der Flüssigkeitssammeleinheit unter Verwendung eines Silikonschlauchs und eines verzweigten Rohrs verbunden. Zudem wurden der Einlass des Luftflusskanals jeder Zelle und die Massenflusssteuerung, und der Auslass des Luftflusskanals und die Flüssigkeitssammeleinheit auch unter Verwendung eines Silikonschlauchs und eines verzweigten Rohrs verbunden.
Der Zellenstapel wurde in einem Plastikgehäuse in der Form eines rechteckigen Schlauchs angeordnet. Die inneren Oberflächen des Oberteils und des Bodens des Gehäuses wurden mit den oberen und unteren Oberflächen des Zellenstapels in Kontakt gebracht (eine Endoberfläche und die andere Endoberfläche des Zellenstapels in der Stapelrichtung), um zu verhindern, dass durch die Luftblasvorrichtung zugeführte Luft dazwischen fließt. Zudem wurde eine Lücke von 10 mm zwischen den inneren Oberflächen beider Seiten des Gehäuses und beider Seitenoberflächen des Zellenstapels bereitgestellt, um einen Luftflusspfad auszubilden. Die Luftblasvorrichtung wurde angeordnet, um einen Luftfluss in Richtung der Öffnung des Gehäuses zuzuführen.
Die verwendete Sekundärbatterie war ein Akku, der sieben Lithiumionenbatterien CGR26650, die direkt miteinander verbunden sind, aufweist. Der Akku wurde mit einem Spannungssensor versehen, der als der Restkapazitätsdetektor dient, sodass Spannungsinformationen an den als die Steuerung dienenden Personalcomputer gesendet wurden. Basierend auf der Beziehung zwischen der Spannung und der Restkapazität des Akkus, welche im Voraus gemessen wurden, wurde der Personalcomputer konfiguriert, um die Restkapazität aus der Spannung zu bestimmen. Die Restkapazität und die Änderungsrate der Restkapazität wurden alle 0,5 Sekunden gemessen, und der Mittelwert bezüglich 10 Sekunden wurde berechnet. Basierend auf dem auf diese Art und Weise erhaltenen Mittelwert wurden eine Steuerungsbetriebsart und eine Energieerzeugungsbetriebsart ausgewählt.
Der DMFC-Zellenstapel wurde mit dem Akku über einen DC-DC-Umwandler verbunden. Der DC-DC-Umwandler wurde mit dem als die Steuerung dienenden Personalcomputer. derart verbunden, dass die Eingabespannung des DC-DC-Umwandlers, d. h. die Ausgabespannung des Zellenstapels, von dem Personalcomputer angepasst werden konnte.
(g) Einstellung einer Energieerzeugungsbetriebsart und einer Steuerungsbetriebsart einer Brennstoffzelle
(i) Energieerzeugungsbetriebsart
Die folgenden drei Energieerzeugungsbetriebsarten des DMFC-Stapels (Brennstoffzelle) wurden eingestellt.
Starke Betriebsart: Zellenstapelspannung 8 V
Mittlere Betriebsart: Zellenstapelspannung 9 V
Schwache Betriebsart: Zellenstapelspannung 11 V
Insbesondere wurde ein Signal an den DC-DC-Umwandler von dem als die Steuerung dienenden Personalcomputer derart gesendet, dass die Spannung des Zellenstapels dem vorstehend beschriebenen eingestellten Wert entsprach, um den DC-DC-Umwandler zu steuern. Der DC-DC-Umwandler wurde mit einem Stromsensor (nicht gezeigt) ausgestattet, um den Ausgabestrom des Zellenstapels während einer Energieerzeugung zu messen, und der gemessene Strom wurde an den Personalcomputer als die Steuerung gesendet.
Die Nettoausgabe des Zellenstapels in einer frühen Stufe der Energieerzeugung (30 Minuten nach dem Start der Energieerzeugung) in jeder Energieerzeugungsbetriebsart, d. h. der Ausgabewert, der durch Subtrahieren der Energie, die durch die Brennstoffzufuhrvorrichtung, die Luftzufuhrvorrichtung, die Kühlvorrichtung und die Steuerung verbraucht wird, von der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels erhalten wird, ist wie folgt.
Starke Betriebsart: 100 W
Mittlere Betriebsart: 52 W
Schwache Betriebsart: 0 W
Der Personalcomputer als die Steuerung bestimmt die Mengen an Brennstoff und Luftzufuhr, indem der durch den Stromsensor gemessene Wert mit einem eingestellten stöchiometrischen Verhältnis multipliziert wird, und steuerte die Präzisionspumpe und die Massenflusssteuerung. Das stöchiometrische Brennstoffverhältnis wurde auf 1,5 eingestellt, und das stöchiometrische Luftverhältnis wurde auf 2 eingestellt.
Der Ausgabeanschluss des Brennstoffzellensystems wurde mit einer elektronischen Lasteinheit ”PLZ162WA” (von ”Kikusui Electronics Corporation” erhältlich) anstelle einer aktuellen elektrischen Vorrichtung verbunden, und das Brennstoffzellensystem wurde betrieben, während die Ausgabe nach Bedarf geändert wurde.
(ii) Kapazitätsschwellenwert und Steuerungsbetriebsart
Die Kapazitätsschwellenwerte zum Umschalten der Energieerzeugungsbetriebsarten wurden mit einer Hysterese bereitgestellt, um das Pendelphänomen zu verhindern. D. h., der Schwellenwert (der untere Schwellenwert) zum Erhöhen der Ausgabe von der in der Stromenergieerzeugungsbetriebsart wurde auf einen Wert eingestellt, der immer 2% kleiner als der Schwellenwert (der obere Schwellenwert) zum Verkleinern der Ausgabe von der in der Stromenergieerzeugungsbetriebsart war. Beispielsweise wurde der untere Schwellenwert zum Ändern von der mittleren Betriebsart in die starke Betriebsart auf einen Wert eingestellt, der immer 2% kleiner als der obere Schwellenwert zum Ändern von der starken Betriebsart in die mittlere Betriebsart war.
Der mittlere Wert des oberen Schwellenwerts und des unteren Schwellenwerts wird als der mittlere Schwellenwert bezeichnet.
Die Kapazitätsschwellenwerte und die Schwellenwerte der Änderungsrate wurden wie in 4b gezeigt eingestellt.

(A) Wenn die Änderungsrate der Restkapazität in dem Bereich von weniger als –50%/Std. lag, wurde der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der schwachen Betriebsart und der mittleren Betriebsart auf 95% eingestellt, und der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der mittleren Betriebsart und der starken Betriebsart wurde auf 80% eingestellt.
(B) Wenn die Änderungsrate der Restkapazität in dem Bereich von –50%/Std. oder mehr und weniger als 0%/Std. lag, wurde der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der schwachen Betriebsart und der mittleren Betriebsart auf 90% eingestellt, und der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der mittleren Betriebsart und der starken Betriebsart wurde auf 65% eingestellt.
(C) Wenn die Änderungsrate der Restkapazität in dem Bereich von 0%/Std. oder mehr lag, wurde der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der schwachen Betriebsart und der mittleren Betriebsart auf 65% eingestellt, und der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der mittleren Betriebsart und der starken Betriebsart wurde auf 50% eingestellt.

[Vergleichsbeispiel 1]
Unter Verwendung desselben Brennstoffzellensystems wie das aus Beispiel 1 wurden die Schwellenwerte der Restkapazität wie folgt eingestellt, ungeachtet der Änderungsrate der Restkapazität. Es ist zu beachten, dass auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 eine Hysterese derart eingestellt wurde, dass der untere Schwellenwert immer 2% kleiner als der obere Schwellenwert war.
Der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der schwachen Betriebsart und der mittleren Betriebsart wurde auf 80% eingestellt, und der mittlere Kapazitätsschwellenwert zwischen der mittleren Betriebsart und der starken Betriebsart wurde auf 50% eingestellt.
[Auswertung]
Um die vorteilhaften Effekte der Erfindung klarzustellen, wurde das Brennstoffzellensystem mit einer Last verbunden und für 8 Stunden verwendet, und die Änderung der Restkapazität der Sekundärbatterie wurde gemessen. Lastenergiemuster, die die tatsächlichen Lastenergievariationen wie in 6 gezeigt simulieren, wurden in der Last programmiert, die mit dem Brennstoffzellensystem verbunden ist. In jedem der folgenden zwei Muster wurde eine 8-Stunden-Messung durchgeführt für Fälle, bei denen die Anfangsrestkapazität der Sekundärbatterie 40% und 70% betrug.
Muster A: 150 W für 5 Minuten und 30 W für 15 Minuten
Muster B: 100 W für 5 Minuten und 30 W für 15 Minuten
7a zeigt die Messergebnisse einer Änderung einer Restkapazität bezüglich Muster A für die Brennstoffzellen aus Beispiel 1 und aus Vergleichsbeispiel 1, wenn die Anfangsrestkapazität der Sekundärbatterie 40% beträgt. Zudem zeigt 7b die Messergebnisse einer Änderung der Restkapazität bezüglich Muster A, wenn die Anfangsrestkapazität der Sekundärbatterie 70% beträgt.
8a zeigt die Messergebnisse einer Änderung der Restkapazität bezüglich Muster B für die Brennstoffzellen aus Beispiel 1 und aus Vergleichsbeispiel 1, wenn die Anfangsrestkapazität der Sekundärbatterie 40% beträgt. Zudem zeigt 8b die Messergebnisse der Änderung der Restkapazität bezüglich Muster B, wenn die Anfangsrestkapazität der Sekundärbatterie 70% beträgt.
Aus den jeweiligen Figuren ist zu verstehen, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie zu einer bestimmten Restkapazität konvergiert, während der Zyklus einer Abnahme bei einer großen Last und einer Zunahme bei einer kleinen Last wiederholt wird. Es nahm ungefähr 2 Stunden in Anspruch, dass die Restkapazität konvergierte.
Um die Breite und die Frequenz des wiederholten Ladens/Entladens der Sekundärbatterie zu quantifizieren, wurde die Standardabweichung der Restkapazität nach dem Ablauf von 2 Stunden bis zu dem Ablauf von 8 Stunden berechnet. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. [Tabelle 1]

Lastmuster Anfangsrestkapazität Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 1

Muster A 40% 2,1 2,6

Muster A 70% 2,0 2,5

Muster B 40% 0,9 2,2

Muster B 70% 0,8 1,9
Die Ergebnisse von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 werden nachstehend verglichen. Zunächst ist nach dem Ablauf von 2 Stunden, d. h. nachdem die Restkapazität konvergiert ist, die Variation der Restkapazität deutlich kleiner in Beispiel 1 als in Vergleichsbeispiel 1. Dies weist darauf hin, dass die Ladungs-/Entladungstiefe der Lithiumionenbatterie reduziert ist. Insbesondere wird in Muster B die Standardabweichung der Restkapazität in Beispiel 1 auf ungefähr die Hälfte der Standardabweichung der Restkapazität in Vergleichsbeispiel 1 reduziert, und somit wird gefolgert, dass die Abweichung der Sekundärbatterie aufgrund der Lade-/Entladezyklen signifikant reduziert wird.
Zudem konvergiert in Beispiel 1 die Restkapazität nach dem Ablauf von 2 Stunden auf ungefähr 65% ungeachtet der Anfangsrestkapazität und des Lastmusters, wohingegen in Vergleichsbeispiel 1 die Restkapazität auf ungefähr 50% oder ungefähr 70% in Abhängigkeit von dem Lastmuster konvergiert. In Vergleichsbeispiel 1 sind die Schwellenwerte der Restkapazität konstant; wenn die Last groß ist, konvergiert somit die Restkapazität auf einen Wert in der Nähe des Schwellenwerts zwischen der mittleren Betriebsart und der starken Betriebsart, und wenn die Last klein ist, konvergiert die Restkapazität auf einen Wert in der Nähe des Schwellenwerts zwischen der schwachen Betriebsart und der mittleren Betriebsart. Es besteht ein Problem insofern, dass wenn der konvergierte Wert der Restkapazität größer wird, die Sekundärbatterie sich eher verschlechtert, nachdem das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wurde und nicht in Betrieb ist. Zudem wird es schwieriger, wenn der konvergierte Wert der Restkapazität kleiner wird, die Sekundärbatterie auf die nächste Inbetriebnahme hin mit einer großen Last zu verwenden, und es ist notwendig, sie zu starten, indem sie geladen wird. Deshalb wird eine Verschlechterung aufgrund Lade-/Entladezyklen vorangetrieben in Verwendungsbetriebsarten, in welchen eine Inbetriebnahme und eine Außerbetriebnahme oft wiederholt werden.
Auf der anderen Seite kann in dem Fall von Beispiel 1, da das System außer Betrieb genommen werden kann, wenn die Restkapazität konstant auf mittel ist, die Verschlechterung der Sekundärbatterie aufgrund einer Speicherung und eine Verschlechterung aufgrund der Lade-/Entladezyklen reduziert werden.
Wie vorstehend beschrieben kann die Erfindung die Ladungs-/Entladungstiefe der Sekundärbatterie reduzieren und die Restkapazität auf ein Außerbetriebnehmen hin konstant angemessen halten, wodurch ermöglicht wird, die Verschlechterung der Sekundärbatterie zu reduzieren und die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems zu verlängern.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Das Brennstoffzellensystem und das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung sind nützlich, wenn sie beispielsweise auf die Energiequelle für portable, kleine elektronische Vorrichtungen, wie etwa Notebooks, Mobiltelefone und persönliche digitale Assistenten (PDAs), oder die tragbare Energiequelle für Outdoor-Freizeitaktivitäten, wie etwa Camping, angewendet werden. Das Brennstoffzellensystem und das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung sind auch auf Verwendungen als die Energiequelle für elektrische Motorroller und dergleichen anwendbar.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich der derzeitigen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist zu verstehen, dass eine solche Offenbarung nicht als begrenzend zu interpretieren ist. Verschiedene Änderungen und Modifikationen werden ohne Zweifel dem Fachmann offensichtlich erscheinen, den die Erfindung betrifft, nachdem er die vorstehende Offenbarung gelesen hat. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle Änderungen und Modifikationen umfassen, die innerhalb des wahren Geistes und des Umfangs der Erfindung fallen.
[Referenzzeichenliste]
1: Brennstoffzellenstapel, 2: Brennstoffzufuhrvorrichtung, 3: Luftzufuhrvorrichtung, 4: Brennstoffbehälter, 5: Flüssigkeitssammeleinheit, 6: Kühlvorrichtung, 7: Steuerung, 8: Sekundärbatterie, 9: DC-DC-Umwandler, 10: Batterierestkapazitätsdetektor, 21: Brennstoffzelle, 22: Polymerelektrolytmembran, 23: Anode, 24: Kathode, 25: Anodenkatalysatorschicht, 26: wasserabweisende Anodenschicht, 27: durchlässiges Anodensubstrat, 28: Anodendiffusionsschicht, 29: Kathodenkatalysatorschicht, 30: wasserabweisende Kathodenschicht, 31: durchlässiges Kathodensubstrat, 32: Kathodendiffusionsschicht, 33: anodenseitiger Separator, 34: kathodenseitiger Separator, 35A, B: Dichtung, 36A, B: Endplatte
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002-34171 A [0010]
JP 2005-38791 A [0015, 0016, 0019]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie der Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt; und Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt zum Ändern des Betriebszustands ein Schritt zum Umschalten des Betriebszustands zwischen einer Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffszellensystems gemäß Anspruch 2, wobei die Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Restkapazität und zumindest einem Referenzwert umgeschaltet werden, und Steuerungsbetriebsarten, von welchen jede den zumindest einen Referenzwert zum Steuern des Betriebszustands der Brennstoffzelle aufweist, basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Änderungsrate und zumindest einem vorbestimmten Wert umgeschaltet werden.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 3, wobei die Restkapazität durch N des zumindest eines Referenzwerts in (N + 1) Bereiche aufgeteilt wird, wobei N eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (N + 1) der Energieerzeugungsbetriebsarten für jeden der (N + 1) Bereiche der Restkapazität derart eingestellt wird, dass durch die Energieerzeugungsbetriebsarten erzeugte Energiemengen zunehmen, wenn die Restkapazität abnimmt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, wobei die Änderungsrate durch M des zumindest einen vorbestimmten Werts in (M + 1) Bereiche aufgeteilt wird, wobei M eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (M + 1) der Steuerungsbetriebsarten für jeden der (M + 1) Bereiche der Änderungsrate derart eingestellt wird, dass die jeweiligen (N + 1) Referenzwerte der Steuerungsbetriebsarten abnehmen, wenn die Änderungsrate zunimmt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Restkapazität basierend auf einer Spannung der Sekundärbatterie erfasst wird.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 6, wobei die Spannung der Sekundärbatterie basierend auf einer Klemmenspannung eines Kondensators erfasst wird, der zu der Sekundärbatterie parallel geschaltet ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt zum Ändern des Betriebszustands ein Schritt zum Ändern einer Steuerungsbetriebsart zum Steuern des Betriebszustands der Brennstoffzelle kontinuierlich oder in Stufen ist, und die Brennstoffzelle eher in einer Energieerzeugungsbetriebsart betrieben wird, zum Erzeugen einer größeren Energiemenge, wenn ein absoluter Wert der positiven Änderungsrate abnimmt, oder wenn ein absoluter Wert der negativen Änderungsrate zunimmt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 8, wobei die Energieerzeugungsbetriebsart kontinuierlich oder in Stufen derart geändert wird, dass die Energieerzeugungsmenge zunimmt, wenn die Restkapazität abnimmt.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Sekundärbatterie zum Speichern einer Ausgabeenergie der Brennstoffzelle; einen Restkapazitätsdetektor zum Erfassen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; und eine Steuerung zum Bestimmen einer Änderungsrate der Restkapazität, wobei die Änderungsrate als positiv definiert ist, wenn sie zunimmt, und als negativ, wenn sie abnimmt, und zum Ändern eines Betriebszustands der Brennstoffzelle basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 10, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um den Betriebszustand zwischen einer Vielzahl von Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf der Restkapazität und der Änderungsrate umzuschalten.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 11, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um: die Energieerzeugungsbetriebsarten basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Restkapazität und zumindest einem Referenzwert umzuschalten; und Steuerungsbetriebsarten, von denen jede den zumindest einen Referenzwert zum Steuern des Betriebszustands der Brennstoffzelle aufweist, basierend auf einem Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Änderungsrate und zumindest einem vorbestimmten Wert umzuschalten.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 12, wobei die Restkapazität durch N des zumindest einen Referenzwerts in (N + 1) Bereiche aufgeteilt wird, wobei N eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (N + 1) der Energieerzeugungsbetriebsarten für jeden der (N + 1) Bereiche der Restkapazität derart eingestellt wird, dass durch die Energieerzeugungsbetriebsarten erzeugte Energiemengen zunehmen, wenn die Restkapazität abnimmt.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 13, wobei die Änderungsrate durch M des zumindest einen vorbestimmten Werts in (M + 1) Bereiche aufgeteilt wird, wobei M eine Ganzzahl von 1 oder größer ist, und jede der (M + 1) der Steuerungsbetriebsarten für jeden der (M + 1) Bereiche der Änderungsrate derart eingestellt wird, dass die jeweiligen (N + 1) Referenzwerte der Steuerungsbetriebsarten abnehmen, wenn die Änderungsrate zunimmt.
Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 10, wobei die Steuerung eine Steuerungsbetriebsart zum Steuern des Betriebszustands der Brennstoffzelle kontinuierlich oder in Stufen derart ändert, dass die Brennstoffzelle eher in einer Energieerzeugungsbetriebsart zum Erzeugen einer größeren Energiemenge betrieben wird, wenn ein absoluter Wert der positiven Änderungsrate abnimmt, oder wenn ein absoluter Wert der negativen Änderungsrate zunimmt.
Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 15, wobei die Steuerung die Energieerzeugungsbetriebsart kontinuierlich oder in Stufen derart ändert, dass die Energieerzeugungsmenge zunimmt, wenn die Restkapazität abnimmt.