DE112011104901T5 - Brennstoffzellensystem und damit ausgestattetes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung zielt darauf ab, die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle während eines verlängerten Betriebs mit hoher Last mit hoher Effektivität zu verringern. Ein Brennstoffzellenfahrzeug korreliert die Trockenheit einer Elektrolytmembran mit der Zellentemperatur, während es eine Energieerzeugungssteuerung einer Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Energieanforderung für einen Antriebsmotor durchführt. Wenn die Zellentemperatur eine erste Temperatur α überschreitet, die die erhöhte Trockenheit der Elektrolytmembran anzeigt, wiederholt das Brennstoffzellenfahrzeug intermittierend eine vorübergehende Stromerhöhungssteuerung, die den Betriebszustand der Brennstoffzelle in einem Zeitabschnitt t in den Zustand eines erhöhten elektrischen Stroms und einer verringerten Spannung verschiebt, um die Menge der Wassererzeugung an einer Kathode zu erhöhen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattete Fahrzeug ist dazu aufgebaut, elektrische Energie mit einem Brenngas und einem Sauerstoff enthaltenden Gas zu erzeugen, die jeweils einer Anode und einer Kathode einer Brennstoffzelle zugeführt werden, und verwendet die erzeugten elektrische Energie als eine Antriebskraft. Die Energieerzeugung der Brennstoffzelle erzeugt begleitend zur elektrochemischen Reaktion von in dem Brenngas enthaltenem Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, mit Sauerstoff, der in dem Sauerstoff enthaltenden Gas, beispielsweise der Luft, enthalten ist, Wasser an der Kathode, was die. Eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle weist allgemein die wünschenswerte Protonenleitfähigkeit in einem adäquat nassen Zustand auf. Eine Vielzahl von Verfahren wurde vorgeschlagen, um das an der Kathode erzeugte Wasser zur Befeuchtung der Elektrolytmembran zu verwenden (beispielsweise die Patentschrift 1).
  • Druckschriftenliste
  • Patentliteratur
    • PTL1: JP 2005-129252 A
    • PTL2: JP 2004-47427 A
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Die Verfahren, die durch diese Patentliteratur vorgeschlagen werden, erhöhen die Menge der Wassererzeugung zum Zweck der Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran, aber weisen immer noch das folgende Problem im Fall des Betriebs der Brennstoffzelle mit hoher Last auf, bei der es wahrscheinlich ist, dass die Trockenheit der Elektrolytmembran ansteigt.
  • Wenn die Brennstoffzelle kurzzeitig mit hoher Last betrieben wird, verursacht eine Verschiebung des Betriebszustands in den Bereich geringerer Spannung oder eine Verringerung der Luftzufuhr zum Zweck der Erhöhung der Menge an erzeugtem Wasser wie in der vorstehend erläuterten Patentliteratur beschrieben während des Zeitabschnitts im Betrieb mit hoher Last oder des Zeitabschnitts nach dem Betrieb mit hoher Last keine wesentliche Schwierigkeit. Das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattete Fahrzeug wird jedoch oft länger bei hoher Last, wie bei einer langen Bergauffahrt, betrieben. Der längere Betrieb mit hoher Last führt zur verlängerten Verschiebung des Betriebszustands auf den niedrigeren Spannungspegel oder der verlängerten Verringerung der Luftzufuhr. Das kann zu einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung führen und dazu, dass eine Energieanforderung für eine Last nicht erfüllt werden kann, die durch die elektrische Energie zu erfüllen ist, welche die Brennstoffzelle erzeugt. Der verlängerte Betrieb mit hoher Last erhöht kontinuierlich die erzeugte Wassermenge. Dies kann dazu führen, dass Poren in einer Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite vom erzeugten Wasser blockiert werden und die Diffusionszufuhr des Gases (der Luft) stören, was zu einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung führt. In einem Brennstoffzellensystem, das als eine Energieerzeugungsvorrichtung vorgesehen ist, die eine Brennstoffzelle als eine Energiequelle einer elektrischen Ausstattung verwendet, kann ein solcher Betrieb mit hoher Last länger dauern. Das vorstehend erläuterte Problem ist demgemäß nicht charakteristisch für das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattete Fahrzeug.
  • In Anbetracht des vorstehend erläuterten Problems ist es die Aufgabe der Erfindung, die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle während eines verlängerten Hochlastbetriebs mit hoher Effektivität zu verringern.
  • Lösung des Problems
  • Um das vorstehend genannte Problem mindestens teilweise zu lösen, schafft die Erfindung die nachstehend beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen.
  • Aspekt 1: Brennstoffzellensystem
  • Nach einem ersten Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle, die dazu aufgebaut ist, ein Brenngas und ein Sauerstoff enthaltendes Gas aufzunehmen, die jeweils einer Anode und einer Kathode zugeführt werden, die so angeordnet sind, dass sie einander über eine Protonenleitfähigkeit aufweisende Elektrolytmembran gegenüberliegen, und elektrische Energie erzeugt; und eine Energieerzeugungssteuerung, die dazu aufgebaut ist, eine auf die Last antwortende bzw. lastabhängige Energieerzeugungssteuerung durchzuführen, die einen Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Energienachfrage für eine externe Last steuert. Wenn sich die Brennstoffzelle in einem Zustand der Leistungsverschlechterung befindet, der ein Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle aufweist, führt die Energieerzeugungssteuerung eine Wassererzeugungserhöhungssteuerung durch, die einen Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle im Vergleich mit der auf die Last antwortenden Energieerzeugungssteuerung in einen Zustand der Erhöhung einer Menge des erzeugten Wassers an der Kathode verschiebt, und führt anschließend eine nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung durch, die den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand verschiebt, in dem eine Erhöhung der Menge der Wassererzeugung im Vergleich mit der Wassererzeugungserhöhungssteuerung verringert ist. Die Wassererzeugungserhöhungssteuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung werden in dem Zustand der Leistungsverschlechterung abwechselnd wiederholt.
  • Das Brennstoffzellensystem mit dem vorstehend erläuterten Aufbaus steuert den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle auf der Grundlage der Energieanforderung der externen Last und führt dadurch die auf die Last antwortende Energieerzeugungssteuerung als Antwort auf die Energieanforderung durch. Wenn die Brennstoffzelle im Zustand der Leistungsverschlechterung ist, der ein Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle während der auf die Last antwortenden Energieerzeugungssteuerung ist, führt das Brennstoffzellensystem mit dem vorstehend erläuterten Aufbau die Wassererzeugungserhöhungssteuerung durch, die den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in den Zustand der Erhöhung der Menge der Wasserproduktion an der Kathode im Vergleich mit der auf die Last antwortenden Energieerzeugungssteuerung verschiebt, und führt anschließend die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung durch, die den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in dem Zustand der Verringerung der Erhöhung der Menge der Wasserproduktion im Vergleich zur Wassererzeugungserhöhungssteuerung verschiebt. Die Wassererzeugungserhöhungssteuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung werden in dem Zustand der Leistungsverschlechterung abwechselnd wiederholt. Selbst wenn der Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Last länger dauert, setzt sich der Betriebszustand der Brennstoffzelle, der die Menge der Wasserproduktion erhöht, nicht über den verlängerten Zeitabschnitt fort, sondern tritt nur zeitweise auf. Dies ermöglicht die erhöhte, jedoch intermittierende Wassererzeugung, um zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran beizutragen. Die Wassererzeugung während der nicht die Wasserproduktion erhöhenden Steuerung, die anschließend an die Wassererzeugungserhöhungssteuerung durchgeführt wird, trägt ebenfalls zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran bei, obwohl ihre Erhöhung verringert ist.
  • Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Last verlängert wird, gibt es eine Möglichkeit, dass die hohe Last, die durch die Energieanforderung für die externe Last verursacht wird, die Trockenheit der Elektrolytmembran erhöht und eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung während der auf die Last antwortenden Energieerzeugungssteuerung auf der Grundlage der Energieanforderung verursacht. Das Brennstoffzellensystem des vorstehend erläuterten Aufbaus verwendet jedoch die – wenn auch intermittierend – erhöhte Wassererzeugung (erhöhte Wassermengenerzeugung) durch die Wassererzeugungserhöhungssteuerung in dem Zustand der Leistungsverschlechterung und – obwohl dies ihre Erhöhung verringert – die Wassererzeugung durch die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung, um die Trockenheit der Elektrolytmembran zu verringern und eine Erholung der Energieerzeugungsleistung zu ermöglichen. Zusätzlich tritt die Wasserproduktion während der nicht die Wasserproduktion erhöhenden Steuerung nur zwischen den zeitweilig durchgeführten Wassererzeugungserhöhungssteuerungen auf. Die Menge der Wasserproduktion während der nicht die Wasserproduktion erhöhenden Steuerung, die auf die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung folgt, ist im Vergleich mit der erhöhten Menge der Wasserproduktion während der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringert. Eine solche Steuerung verhindert, dass Poren für die Diffusionsgaszufuhr durch das erzeugte Wasser in gewissem Umfang blockiert werden. Als ein Ergebnis verringert das Brennstoffzellensystem des vorstehend erläuterten Aufbaus die Trockenheit der Elektrolytmembran und verhindert, dass die Poren vom erzeugten Wasser blockiert werden, selbst wenn der Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Last länger dauert, wodurch die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung mit der hohen Effektivität kleiner wird.
  • Die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff schreitet bei einer Erhöhung der Menge der Wassererzeugung schnell voran, und diese Reaktion ist eine exotherme Reaktion. Die Elektrolytmembran wird demgemäß durch die Reaktionswärme erwärmt, um eine Temperaturerhöhung zu erfahren, die mit einer Erhöhung der Menge der Wassererzeugung einhergeht. Das Brennstoffzellensystem des vorstehend erläuterten Aufbaus führt jedoch die Wassererzeugungserhöhungssteuerung, die zur erhöhten Menge der Wassererzeugung führt, wie vorstehend beschrieben nur intermittierend durch und verringert demgemäß den Temperaturanstieg der Elektrolytmembran, der durch die Reaktionswärme erzeugt wird, die mit der Erhöhung der Menge der Wassererzeugung verknüpft ist. Zusätzlich verringert die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung anschließend an die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung die Erhöhung der Menge der Wassererzeugung und verringert daher den Temperaturanstieg der Elektrolytmembran. Das Brennstoffzellensystem mit dem vorstehend erläuterten Aufbau kann auch zur Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung durch Verringern des Temperaturanstiegs der Elektrolytmembran beitragen.
  • In diesem Fall kann ein Austrocknen der Elektrolytmembran eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verursachen. Die Trockenheit der Elektrolytmembran hängt von der Temperatur der Brennstoffzelle ab. Der Steuervorgang kann die Temperatur der Brennstoffzelle erfassen und das Potential für die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle durch das Austrocknen der Elektrolytmembran abschätzen oder bestimmen, wenn die erfasste Brennstoffzellentemperatur eine vorab festgelegte Temperatur (erste Temperatur) erreicht. Dieser einfache Steuervorgang kann abwechselnd die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung wiederholen und dadurch wie vorstehend beschrieben durch die einfache Technik der Erfassung der Temperatur und ein Erstellen eines Vergleichs der erfassten Temperatur zur Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung beitragen. Das Kriterium für die Abschätzung oder die Bestimmung einer Änderung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung durch Austrocknen der Elektrolytmembran ist nicht auf die Änderung der Brennstoffzellentemperatur beschränkt, sondern kann eine Änderung einer anderen Brennstoffzelleneigenschaft sein, die die Trockenheit der Elektrolytmembran wiedergibt, beispielsweise eine Änderung des Innenwiderstands oder eine Änderung des Druckverlusts während der Gaszufuhr zu den entsprechenden Elektroden. Die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle kann als eine Änderung des Batteriewiderstand, als eine Änderung der Batterieabgabe bzw. -leistung oder als eine Änderung der Strom-/Spannungscharakteristik der Brennstoffzelle anstelle der Änderung der Trockenheit der Elektrolytmembran beobachtet werden. Der Steuervorgang kann so einen Batteriewiderstand, eine Batterieabgabe oder eine Strom-/Spannungscharakteristik messen oder abschätzen und eine Verschiebung in den Zustand der Leistungsverschlechterung erfassen, der ein Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle aufweist.
  • Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem kann nach einer der nachstehenden Ausführungsformen weitergebildet werden. Nach einer Ausführungsform kann die auf die Last antwortende Energieerzeugungssteuerung als die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung durchgeführt werden. Dieser Aufbau verringert einen Engpass der elektrischen Energie von der Energieerzeugungssteuerung auf der Grundlage der Energieanforderung für die externe Last (eine auf die Last antwortende bzw. lastabhängige Energieerzeugungssteuerung), während die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung nicht durchgeführt wird.
  • Nach einer anderen Ausführungsform können die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung abwechselnd in einem vorab festgelegten Zeitintervall T wiederholt werden. Dieser Aufbau ermöglicht die einfache Steuerung.
  • Nach einer anderen Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand eines erhöhten elektrischen Stroms und einer verringerten Spannung durch die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung verschieben und dadurch die Menge der Wasserproduktion an der Kathode erhöhen. Das Brennstoffzellensystem kann durch die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand eines niedrigeren elektrischen Strompegels und eines höheren Spannungspegels als jene bei der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verschieben und dadurch die Erhöhung der Menge der Wasserproduktion im Vergleich mit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringern. Dies beschleunigt einfach die elektrochemische Reaktion und erhöht definitiv die Menge der Wasserproduktion durch einfaches Erhöhen des elektrischen Stroms und Verringern der Spannung.
  • Irgendeine der folgenden Ausführungsformen kann für die Steuerung verwendet werden, die eine solche Änderung des elektrischen Stroms und eine Änderung der Spannung verursacht. Nach einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie spezifisch für die Brennstoffzelle bezüglich jedes Energieerzeugungspegels speichern, wobei die charakteristische Kurve äquivalenter Energie einen elektrischen Strom mit einer Spannung korreliert und den Zustand des Energieerzeugungsvorgangs der Brennstoffzelle anzeigt. Das Brennstoffzellensystem kann eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie eines Energieerzeugungspegels passend zur Energieanforderung als die auf die Last antwortende Energieerzeugungssteuerung lesen und einen Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle so steuern, dass er einen elektrischen Strom und eine Spannung auf der gelesenen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie abdeckt. Um die Verschiebung in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung zu erreichen, kann das Brennstoffzellensystem einen Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle steuern, um einen elektrischen Strom und eine Spannung auf der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie abzudecken. Nach dieser Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem, um das Umschalten in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung als die Wassererzeugungserhöhungssteuerung zu erreichen, eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie mit einem geringeren Energieerzeugungspegel als dem Energieerzeugungspegel lesen, der zur Energieanforderung passt, und den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle so steuern, dass er einen elektrischen Strom und eine Spannung auf der gelesenen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie abdeckt. Selbst wenn der Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle zwischen den charakteristischen Kurve äquivalenter Energie für die lastabhängige Energieerzeugungssteuerung und die Kurve äquivalenter Energie für den kleineren Energieerzeugungspegel umgeschaltet wird, ermöglich der Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle mit dem elektrischen Strom und der Spannung für jede dieser beiden Kurven äquivalenter Energie die stabile Energieabgabe. Das Umschalten des Energieerzeugungsvorgangs benötigt lediglich die Steuerung der Brennstoffzelle, aber benötigt keine Energieerzeugungsbetriebssteuerung unter zusätzlichem In-Betracht-Ziehen der Energiezufuhr von einer anderen Energiequelle, beispielsweise einem Akkumulator bzw. einer Sekundärbatterie, der bzw. die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und zu entladen.
  • Nach einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Akkumulator bzw. eine Sekundärbatterie umfassen, der bzw. die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und zu entladen, um gemeinsam mit der Brennstoffzelle als eine Energiequelle verwendbar zu sein, um Energie an die Last abzugeben. Das Brennstoffzellensystem kann abwechselnd die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung wiederholen, um so einen Unterschied zwischen der Energieanforderung für die Last und einer Energieabgabe der Brennstoffzelle durch das Verschieben in den mit der die Wassererzeugung erhöhende Steuerung verknüpften Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung herbeizuführen, der gleich einem Unterschied zwischen der Energieanforderung für die Last und einer Energieabgabe der Brennstoffzelle durch die Verschiebung auf den niedrigeren elektrischen Strompegel und den höheren Spannungspegel ist, die mit der nicht die Wasserproduktion erhöhenden Steuerung verknüpft sind. Dieser Aufbau verhindert eine Veränderung der Energiezufuhr von der Sekundärbatterie, die zur Kompensation eines Engpasses der elektrischen Energie verwendet wird, wodurch sich der Energieverbrauch der Sekundärbatterie verringert.
  • Nach einer anderen Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Sekundärbatterie umfassen, die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und abzugeben, um in Kombination mit der Brennstoffzelle als eine Energiequelle verwendbar zu sein, um der Last Energie zuzuführen. Das Brennstoffzellensystem kann die Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung auf der Grundlage eines Ladezustandes der Sekundärbatterie bestimmen. Dieser Aufbau kann die Häufigkeit der Ausführung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung an den Ladezustand der Sekundärbatterie anpassen und einen Engpass bezüglich der Energieanforderung durch die kombinierte Nutzung der Sekundärbatterie verringern. Es kann bestimmt werden, dass die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung verfügbar ist, wenn der Ladezustand der Sekundärbatterie einen vorab festgelegten Ladungspegel übersteigt. Dies reduziert effektiver den Engpass der elektrischen Energie relativ zur Energieanforderung durch die kombinierte Nutzung der Sekundärbatterie.
  • Das Brennstoffzellensystem, das die kombinierte Nutzung der Sekundärbatterie ermöglicht, kann das Verschieben des Energieerzeugungsbetriebszustands der Brennstoffzelle in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung auf der Grundlage des Ladezustands der Sekundärbatterie bestimmen und die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung passend zur bestimmten Verschiebung durchführen. Dieser Aufbau ermöglicht zusätzlich zu den vorstehend erläuterten vorteilhaften Effekten, die die kombinierte Nutzung der Sekundärbatterie begleiten, dass die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung, die zur erhöhten Menge der Wasserproduktion führt, geeignet auf der Grundlage des Ladezustands der Sekundärbatterie durchgeführt wird. Dies trägt zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran und zur resultierenden Erholung der Energieerzeugungsleistung bei.
  • Nach einer anderen Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung beim Beenden der Energieanforderung für die Last nach der intermittierenden Wiederholung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung anhalten. Das Brennstoffzellensystem kann intermittierend die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung über einen vorab festgelegten Zeitabschnitt in einem Lastbeendigungszeitabschnitt bis zum Auftreten einer neuen Energieanforderung für die Last nach der Beendigung der Energieanforderung wiederholen. Dieser Aufbau hat die folgenden vorteilhaften Effekte.
  • Ein Aufheben der Energieanforderung für die Last stoppt allgemein die Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle auf der Grundlage der Energieanforderung für die externe Last (die auf die Last antwortende bzw. lastabhängige Energieerzeugungssteuerung), während sie die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung anhält. Ein solcher Steuerstopp folgt auf eine intermittierende Wiederholung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung und kann daher in einem Zustand nach der Fortsetzung des Hochlastbetriebs auftreten. Während der Fortsetzung des Hochlastbetriebs wird die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung durchgeführt, um die Menge der Wasserproduktion zu erhöhen und dadurch die Trockenheit der Elektrolytmembran wie vorstehend beschrieben zu verringern. Auch nach der Änderung des Zustands vom Betrieb mit hoher Last zum Zustand des Aufhebens der Energieanforderung wird erwartet, dass die Brennstoffzelle eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist. Daher gibt es folglich eine Möglichkeit, dass die Trockenheit der Elektrolytmembran bei dieser Brennstoffzellentemperatur ansteigt. Die vorstehend erläuterte Ausführungsform wiederholt jedoch intermittierend die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung über den vorab festgelegten Zeitabschnitt in der Lastaufhebungszeit bis zum Auftreten einer neuen Energieanforderung für die Last nach dem Aufheben der Energieanforderung. Dies verringert die Trockenheit der Elektrolytmembran bei der Brennstoffzellentemperatur. Als ein Ergebnis hat sich die Energieerzeugungsleistung nach dem Streichen des Lastaufhebungszeitabschnitts, das bedeutet, beim Auftreten einer neuen Energieanforderung für die Last, zumindest in einem gewissen Grad passend zur verringerten Trockenheit der Elektrolytmembran erholt. Dies ermöglicht demgemäß eine Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle auf der Grundlage dieser neuen Energieanforderung ohne irgendeine wesentliche Schwierigkeit. Bei einer Anwendung des Brennstoffzellensystems mit dem vorstehend erläuterten Aufbau in einem Fahrzeug verhindert dies, dass sich der Fahrer des Fahrzeugs bei einer Antwort auf die Gaspedal- bzw. Beschleunigungsbetätigung durch den Fahrer unwohl fühlt, und verbessert dadurch die Fahrbarkeit.
  • Nach der vorstehend erläuterten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung im Lastaufhebungszeitabschnitt in einem Zustand durchführen, von dem erwartet wird, dass eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle durch das Austrocknen der Elektrolytmembran vorliegt. Beispielsweise kann die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung im Lastaufhebungszeitabschnitt durchgeführt werden, wenn eine erfasste Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelle, bei der die Lastanforderung aufgehoben wurde, auf eine vorab festgelegte Temperatur absinkt.
  • Nach einer anderen Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem intermittierend eine Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Gases während der Wiederholung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringern. Die verringerte Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Gases führt zur Verringerung der Menge der Wassererzeugung, aber verringert die Menge des erzeugten Wassers, das vom Gasfluss entfernt wird, was es ermöglicht, dass das erzeugte Wasser verbleibt. Dies erhöht die Menge der Wassererzeugung pro Gaszufuhr und kann somit zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran beitragen. Dies bedeutet, dass der Effekt der Verringerung der Trockenheit erzielbar ist, ohne die absolute Menge der Wassererzeugung zu erhöhen. Nach dieser Ausführungsform verringert die verringerte Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Gases den Verbrauch des Brenngases, was zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran beiträgt und eine Verbesserung des Brennstoffverbrauches ermöglicht.
  • Aspekt 2: Brennstoffzellenfahrzeug
  • Nach einem zweiten Aspekt wird ein Fahrzeug geschaffen, das mit dem Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehend erläuterten Aufbauten ausgestattet ist, wobei elektrische Energie, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, die in dem Brennstoffzellensystem enthalten ist, als eine Antriebskraft verwendet wird.
  • Selbst wenn der Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Last verlängert wird, verringert das Fahrzeug mit diesem Aufbau auch die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung während dieses verlängerten Zeitabschnitts mit der hohen Effektivität. Dies verbessert die Fahrleistung des Fahrzeugs, wie bei langen Bergauffahrten, die zu dem verlängerten Betrieb mit hoher Last gehören.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Betriebsverfahren einer Brennstoffzelle und ein stationäres Energieerzeugungssystem angewendet werden, das ein Brennstoffzellensystem umfasst und eine Brennstoffzelle als eine Energieerzeugungsquelle nutzt.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Draufsicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 nach einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
  • 2 ist ein Ablaufplan, der einen Vorgang der Stromerhöhungssteuerung zeigt;
  • 3 ist ein Schaubild, das die Einzelheiten der Stromerhöhungssteuerung veranschaulicht;
  • 4 ist ein Schaubild, das Änderungen des Innenwiderstands, Änderungen des Anodendruckverlusts und Änderungen der Energieerzeugungsspannung einer Brennstoffzelle 100 über der Zelltemperatur mit und ohne die Stromerhöhungssteuerung zeigt;
  • 5 ist ein Ablaufplan, der einen Vorgang der Stromerhöhungssteuerung nach einer zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 6 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der maximalen Abgabe einer Sekundärbatterie 172 und der Batterietemperatur mit Bezug auf verschiedene Ladezustände (states of charge, SOC) zeigt;
  • 7 ist ein Schaubild, das ein Kennfeld zeigt, auf das man sich für die Bestimmung der Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit einer vorübergehenden bzw. temporären Stromerhöhungssteuerung bezieht;
  • 8 ist ein Schaubild, das einen Vorgang der Bestimmung einer Verschiebung zu einem erhöhten elektrischen Strom und einer verringerten Spannung in der temporären Stromerhöhungssteuerung gemäß dem Ladezustand zeigt;
  • 9 ist ein Schaubild, das einen Vorgang der Bestimmung eines Zeitintervalls T und einer minimalen Spannung in der temporären Stromerhöhungssteuerung passend zum SOC zeigt;
  • 10 ist ein Schaubild, das schematisch einen Vorgang der Stromerhöhungssteuerung nach einer dritten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 11 ist ein Schaubild, das Änderungen der Abgabe der Brennstoffzelle 100 und Änderungen des Anodendruckverlusts über der Zelltemperatur mit und ohne die Stromerhöhungssteuerung zeigt;
  • 12 ist ein Schaubild, das einen Vorgang einer die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung nach einer vierten Ausführungsform zeigt;
  • 13 ist ein Schaubild, das schematisch charakteristische Kurven äquivalenter Energie (charakteristische I-U-Kurven) zeigt, die für die Brennstoffzelle 100 spezifisch sind, welche den elektrischen Strom mit der Spannung korrelieren und den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle 100 anzeigen;
  • 14 ist ein Schaubild, das Änderungen im elektrischen Strom und Änderungen der Spannung während einer vorübergehenden Stromerhöhungssteuerung mit und ohne eine Verschiebung zwischen charakteristischen Kurven äquivalenter Energie zeigt;
  • 15 ist ein Ablaufplan, der den Vorgang der 2 in Bezug auf das Auslesen von charakteristischen Kurve äquivalenter Energie zeigt;
  • 16 ist ein Schaubild, das ein Abgabeschema zeigt, das für die vorübergehende Stromerhöhungssteuerung verwendbar ist; und
  • 17 ist ein Schaubild, das einen Zustand der Spannungserhöhung/Verringerung im Verlauf eines abwechselnden Wiederholens einer temporären Stromerhöhungssteuerung und einer nachfolgenden Steuerung (einer Steuerung zur Verringerung einer Erhöhung der Wassererzeugung) zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. 1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Draufsicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Wie veranschaulicht umfasst dieses Brennstoffzellenfahrzeug 20 ein Brennstoffzellensystem 30, das in einer Fahrzeugkarosserie montiert ist. Dieses Brennstoffzellensystem 30 weist eine Brennstoffzelle 100 auf, ein Wasserstoffgaszuführsystem 120, das einen Wasserstoffgastank 110 umfasst, ein Luftzuführsystem 140, das einen motorbetriebenen Kompressor 130 umfasst, ein Kühlsystem 160, das einen Radiator 150 und einen Ventilator 152 umfasst, eine Sekundärbatterie 172 und einen DC-DC Wandler 174. Das Brennstoffzellensystem 30 stellt von der Brennstoffzelle 100 erzeugte elektrische Energie oder in die Sekundärbatterie 172 geladene elektrische Energie an Lasten wie einen Motor 170 zum Antrieb von Vorderrädern bereit.
  • Wie in einem vergrößerten Schaubild der 1 veranschaulicht ist die Brennstoffzelle 100 durch Aufeinanderstapeln von Batteriezellen aufgebaut, wobei jede Batteriezelle eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA, membrane electrode assembly) mit zwei Elektroden, nämlich einer Anode 102 und einer Kathode 103, umfasst, die auf jeweiligen Seitenflächen einer Elektrolytmembran 101 gebildet sind. Die Brennstoffzelle 100 ist zwischen Vorderrädern FW und Hinterrädern RW unter dem Fahrzeugboden angeordnet. Die Batteriezelle umfasst auch eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 104 und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 105, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 101 angeordnet sind, wobei die Elektroden darauf gebildet sind. Die entsprechenden Gasdiffusionsschichten sind mit den zugehörigen Elektroden verbunden. Zudem sind Gastrenner außerhalb der entsprechenden Gasdiffusionsschichten angeordnet. Die entsprechenden Gastrenner dienen dazu, ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas und ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas (in dieser Ausführungsform die Luft) an die entsprechenden Gasdiffusionsschichten zuzuführen, während sie dazu dienen, elektrische Energie von der Batteriezelle zu sammeln.
  • Die Elektrolytmembran 101 ist eine Protonen leitende Ionenaustauschmembran, die aus einem festen Polymermaterial, beispielsweise einem Fluorharz hergestellt ist und im feuchten Zustand eine gute elektrische Leitfähigkeit zeigt. Die Anode 102 und die Kathode 103 weisen jeweils einen Katalysator (beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung) auf und werden durch Auftragen des Katalysators auf einen elektrisch leitfähigen Träger (beispielsweise Karbonpartikel) gebildet. Die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 104 und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 105 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen porösen Teil mit Gasdurchlässigkeit hergestellt, beispielsweise Kohlepapier oder Kohletuch, das als das poröse Basismaterial dient.
  • Die Brennstoffzelle 100 erzeugt elektrische Energie durch eine in den entsprechenden vorstehend beschriebenen Batteriezellen ablaufende elektrochemische Reaktion von in dem Wasserstoffgas enthaltenem Wasserstoff mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff, die jeweils vom Wasserstoffgaszuführsystem 120 und dem Luftzuführsystem 140 wie nachstehend beschrieben zugeführt werden, und treibt die Lasten wie den Motor 170 mit der erzeugten elektrischen Energie an. Der Zustand der Energieerzeugung in der Brennstoffzelle 100 wird durch einen Stromsensor 106 gemessen, und sein Messergebnis wird vom Stromsensor 106 an eine später beschriebene Steuerung 200 ausgegeben.
  • Das Wasserstoffgaszuführsystem 120 umfasst einen Wasserstoffzuführweg 121, der vom Wasserstoffgastank 110 bis zur Brennstoffzelle 100 vorgesehen ist, einen Umlaufweg 122, der vorgesehen ist, um unverbrauchtes Wasserstoffgas (Anodenabgas) in dem Wasserstoffzuführweg 121 umlaufen zu lassen, und einen Ablassweg 123, der dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas an die Atmosphäre abzulassen. Dieses Wasserstoffgaszuführsystem 120 führt das in dem Wasserstoffgastank 110 gespeicherte Wasserstoffgas über eine Durchlassöffnungs-/-schließsteuerung eines Ein-/Aus- bzw. Auf-/Zuventils 124 und eine Druckverringerung durch ein Druckverringerungsventil 125 in dem Wasserstoffzuführweg 121 dem Brenngas 100 (noch genauer den Anoden 102 der entsprechenden Batteriezellen) zu. Noch genauer führt das Wasserstoffgaszuführsystem 120 das Wasserstoffgas den Anoden der Brennstoffzelle 100 mit einer Gesamtflussrate zu, welche die Summe einer Flussrate ist, die von einer Wasserstoffzuführvorrichtung 126 stromab des Druckverringerungsventils 125 gesteuert wird, und einer Umlaufflussrate, die durch eine Umlaufpumpe 127 in dem Umlaufweg 122 gesteuert wird. Die Wasserstoffgaszufuhr wird als Antwort auf einen Betrieb eines Beschleunigungsgebers bzw. Gaspedals 180 durch die Steuerung 200 wie nachstehend beschrieben so bestimmt, dass sie eine Zufuhrgröße passend zu einer Belastung ist, die aus der Brennstoffzelle 100 abgerufen wird. Das Wasserstoffgaszuführsystem 120 lässt gelegentlich das Anodenabgas durch eine Öffnungs-/Schließsteuerung eines Ein-/Aus- bzw. Auf-/Zuventils 129 in dem vom Umlaufweg 122 abzweigenden Ablassweg 123 in die Atmosphäre ab.
  • Das Luftzuführsystem 140 umfasst einen Sauerstoffzuführweg 141, der über den Kompressor 130 an die Brennstoffzelle 100 führt und einen Ablassweg 142, der angeordnet ist, um die unverbrauchte Luft (das Kathodenabgas) in die Atmosphäre abzulassen. Dieses Luftzuführsystem 140 führt die Luft, die von einem offenen Ende des Sauerstoffzuführwegs 141 angesaugt wird und vom Kompressor 130 einer Flusssteuerung unterzogen wird, der Brennstoffzelle 100 (noch genauer den Kathoden 103 der entsprechenden Batteriezellen) zu, während sie das Kathodenabgas durch den Ablassweg 142 in die Atmosphäre mit einer Flussrate abgibt, die durch ein Abgabeflusssteuerventil 143 in dem Ablassweg 142 gesteuert wird. In einem Fall, in dem das Luftzuführsystem 140 dazu dient, die Luft mit der Abgabe des Kathodenabgases zuzuführen, passt das Luftzuführsystem 140 das Abgabeflusssteuerventil 143 in dem Sauerstoffzuführweg 141 in eine vorab festgelegte Position an und führt dann die Luft durch den Kompressor 130 zu. Wie in dem Fall der Wasserstoffgaszufuhr wird die Luftzufuhr als Antwort auf den Betrieb des Beschleunigungsgebers bzw. Beschleunigers 180 durch die Steuerung 200 so bestimmt, dass sie eine Zufuhrgröße passend zur Belastung der Brennstoffzelle 100 ist. Das Abgabeflusssteuerventil 143 führt die Flusssteuerung durch, um den Rückdruck auf der Kathodenseite zu regulieren.
  • Das Luftzuführsystem 140 umfasst den Sauerstoffzuführweg 141 und den Ablassweg 142, der so angeordnet ist, dass er durch eine Befeuchtungsvorrichtung 145 geht. Diese Befeuchtungsvorrichtung 145 ist als Gas-Flüssigkeitstrenner aufgebaut, um Wasser vom Kathodenabgas zu scheiden und das abgeschiedene Wasser in Form von Wasserdampf zur durch das Abgabeflusssteuerventil 143 gehenden Luft hinzuzufügen.
  • Das Kühlsystem 160 umfasst einen Umlaufweg 161, der angeordnet ist, um ein Kühlmedium vom Radiator 150 zur Brennstoffzelle 100 umlaufen zu lassen, einen Bypassweg bzw. Umgehungsweg 162, ein Dreiwegeflusssteuerventil 163 am Treffpunkt der Wege, eine Umlaufpumpe 164 und einen Temperatursensor 166. Dieses Kühlungssystem 160 führt das Kühlmedium, das dem Wärmeaustausch durch den Radiator 150 unterzogen ist, über den Umlaufweg 161 einem (nicht gezeigten) zellinternen Umlaufweg der Brennstoffzelle 100 so zu, dass die Brennstoffzelle 100 auf eine vorab festgelegte Temperatur heruntergekühlt wird. In diesem Fall werden die Antriebsgröße der Umlaufpumpe 164, das bedeutet, die Umlaufzufuhr des Kühlmediums und die vom Dreiwegeflusssteuerventil 163 gesteuerte Flussrate von der Steuerung 200 passend zur Brennstoffzellentemperatur (Zellentemperatur) als der vom Temperatursensor 166 erfassten Temperatur und zum vom Stromsensor 106 erfassten Zustand der Energieerzeugung bestimmt.
  • Die Sekundärbatterie 172 ist mit der Brennstoffzelle 100 über einen DC-DC Wandler 174 verbunden. Die Sekundärbatterie 172 dient als eine von der Brennstoffzelle 100 getrennte Energiequelle und wird in Kombination mit der Brennstoffzelle 100 als die Energiequelle zur Zufuhr von Energie beispielsweise an den Motor 170 verwendet. Diese Ausführungsform nimmt an, dass die Brennstoffzelle 100 unter einer Betriebssteuerung (herkömmlichen Steuerung) in dem Zustand der Energieerzeugung ist, die zum Niederdrücken des Beschleunigungsgebers bzw. Gaspedals 180 wie später beschrieben passt. Im Betriebsstoppzustand der Brennstoffzelle 100 dient die Sekundärbatterie 172 demgemäß zur Zufuhr der darin gespeicherten elektrischen Energie an den Motor 170. Die Sekundärbatterie 172 kann beispielsweise eine Bleisäurebatterie, eine Nickel-Hydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Ein Kapazitätssensor 176 ist mit der Sekundärbatterie 172 verbunden, um den Ladezustand der Sekundärbatterie 172 zu erfassen und um den erfassten Ladezustand (die Batteriekapazität) an die Steuerung 200 auszugeben.
  • Der DC-DC Wandler 174 weist die Lade-/Entladesteuerfunktion auf, um das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 172 zu steuern. Der DC-DC Wandler 174 steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 172 als Antwort auf ein Steuersignal von der Steuerung 200. Der DC-DC Wandler 174 führt außerdem eine Extraktion der von der Brennstoffzelle 100 erzeugten elektrischen Energie und der in der Sekundärbatterie 172 gesammelten elektrischen Energie durch, und ein Anlegen der Spannung an den Motor 170 unter Regelung durch die Steuerung 200, um variabel den Zustand des Extrahierens von elektrischer Energie und des auf den Motor 170 wirkenden Spannungspegels zu steuern.
  • Die Steuerung 200 ist aus einem Mikrocomputer, der eine CPU umfasst, die logische Vorgänge durchführt, einem ROM und einem RAM aufgebaut, und führt verschiedene Steuerungen des Brennstoffzellenfahrzeugs nach dem Empfang von Sensorabgaben von beispielsweise dem Beschleunigungsgeber 180 durch. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 200 die Energieanforderung für den Motor 170 passend zum Betriebszustand des Beschleunigungsgebers 180. Die Steuerung 200 steuert dann die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100, um die Energieanforderung durch die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100, mit der elektrischen Energie, die in der Sekundärbatterie 172 geladen ist, oder durch ihre Kombination zu erfüllen, während sie die elektrische Energie an den Motor 170 abgibt. Wenn die Energieanforderung für den Motor 170 durch die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100 abgedeckt wird, steuert die Steuerung 200 die Gaszufuhren vom Wasserstoffgaszuführsystem 120 und dem Luftzuführsystem 140 (herkömmliche Steuerung), um die Energieanforderung zu erfüllen. Die Steuerung 200 steuert zusätzlich den DC-DC Wandler 174 passend zur Energieanforderung des Motors 170. Die Steuerung 200 empfängt beispielsweise auch die von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 182 erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit, die von einem Umgebungstemperatursensor 184 erfasste Umgebungstemperatur, die von einem Flussratensensor 128 in dem Wasserstoffgaszuführsystem 120 erfasste Wasserstoffgasflussrate, die von einem Flussratensensor 147 in dem Luftzuführsystem 140 erfasste Luftflussrate und den vom Kapazitätssensor 176 erfassten Ladezustand (der nachstehend als SOC, state of charge, bezeichnet wird) der Sekundärbatterie 172 als Steuerparameter, die für die vorstehend beschriebenen Steuerungen verwendet werden. Diese Steuerung 200 führt eine Energieerzeugungsvorgangssteuerung (eine lastabhängige Energieerzeugungssteuerung) auf der Grundlage der Energieanforderung für eine externe Last und eine die Wassererzeugung erhöhende Steuerung in dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Aspekt oder in dem Fahrzeug nach dem zweiten Aspekt wie vorstehend beschrieben durch.
  • Nachstehend wird ein Vorgang beschrieben, der von der Steuerung 200 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 durchgeführt wird, das den vorstehend erläuterten Aufbau aufweist, um die Trockenheit der Elektrolytmembran zu verringern. Der Vorgang nach dieser Ausführungsform verschiebt den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle 100 in den Zustand eines erhöhten elektrischen Stroms und einer verringerten Spannung, um so die Wassererzeugung zu erhöhen. 2 ist ein Ablaufplan, der einen Vorgang einer Stromerhöhungssteuerung zeigt. 3 ist ein Schaubild, das die Einzelheiten der Stromerhöhungssteuerung veranschaulicht. 4 ist ein Schaubild, das Änderungen des Innenwiderstands, Änderungen des Anodendruckverlusts und Änderungen der Energieerzeugungsspannung der Brennstoffzelle 100 über der Zellentemperatur mit und ohne die Stromerhöhungssteuerung zeigt.
  • Wie in 2 gezeigt tastet die Steuerung 200 zuerst den Temperatursensor 166 ab, der stromab der Brennstoffzelle 100 angeordnet ist, um die Zellentemperatur der Brennstoffzelle 100 zu lesen (Schritt S100). Die Zellentemperatur gibt die Temperatur der Elektrolytmembran 101 der Brennstoffzelle 100 wieder. Die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 ist somit aus der gelesenen Zellentemperatur abschätzbar. Es ist dann auf der Grundlage der abgeschätzten Trockenheit der Membran bestimmbar, ob die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 durch Trocknen der Elektrolytmembran 101 schlechter werden kann. Die Steuerung 200 bestimmt anschließend, ob die gelesene Zellentemperatur eine vorab festgelegte erste Temperatur α übersteigt (Schritt S110). Diese erste Temperatur α ist eine Referenztemperatur, die eine Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 vermuten lässt und verwendet wird, um die Notwendigkeit zu bestimmen, die Trockenheit der Membran zu verringern und dadurch die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 zu verringern, die durch Trocknen der Membran verursacht wird. Die erste Temperatur α wird vorab festgelegt, indem die Temperaturabhängigkeit der Energieerzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle 100 und die Spezifikation der Batteriezellen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise beginnt der Anodendruckverlust der Brennstoffzelle 100 ohne die nachstehend beschriebene vorübergehende Stromerhöhungssteuerung, wie in 4 mit offenen bzw. weiß hinterlegten Quadraten gezeichnet gezeigt, sich bei einer bestimmten Temperatur zu verringern. Dies ist so, weil eine Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 zu einer Verringerung des Wassergehalts des Anodengases und einer sich daraus ergebenden Verringerung des Druckverlusts führt. Die Temperatur, bei der die Verringerung des Anodendruckverlusts beginnt, kann folglich als die erste Temperatur α spezifiziert werden. Nach dieser Ausführungsform wird die erste Temperatur α durch dieses Verfahren bestimmt. Ohne die nachstehend beschriebene vorübergehende Stromerhöhungssteuerung beginnt andererseits der Innenwiderstand mit der Erhöhung bei einer festgelegten Temperatur, wie durch offene Quadrate in 4 gezeichnet. Die Temperatur in der Nähe dieses Knickpunkts kann daher alternativ als die erste Temperatur α festgelegt werden.
  • Eine negative Antwort im Schritt S110 zeigt an, dass es keine Notwendigkeit gibt, die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 zu verringern, weil die Zellentemperatur nicht höher als die erste Temperatur α ist. Die Steuerung 200 führt demgemäß eine herkömmliche Steuerung der Brennstoffzelle 100 durch (Schritt S120). In der herkömmlichen Steuerung wie vorstehend beschrieben bestimmt die Steuerung 200 die Energieanforderung für den Motor 170 passend zum Betriebszustand des Beschleunigungsgebers 180, führt eine Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle begleitet von einer Gaszufuhrsteuerung durch, um die Gaszufuhren vom Wasserstoffzufuhrsystem 120 und dem Luftzuführsystem 140 zu steuern, um die Energieanforderung zu erfüllen, und führt die erzeugte elektrische Energie dem Motor 170 zu. Wenn die Energieanforderung für den Motor 170 eine geringe elektrische Energie ist, kann die Steuerung 200 dem Motor 170 anstelle der elektrischen Energie von der Brennstoffzelle 100 die in der Sekundärbatterie 172 geladene elektrische Energie zuführen. Wenn die Energieanforderung für den Motor 170 dagegen eine hohe elektrische Energie ist, kann die Steuerung 200 andererseits eine Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 100 durchführen, um die Energieanforderung als die Summe der elektrischen Energie von der Brennstoffzelle 100 und der elektrischen Energie von der Sekundärbatterie 172 zu erfüllen und dem Motor 170 elektrische Energie zuzuführen. 3 zeigt den Zustand einer herkömmlichen Steuerung der Brennstoffzelle 100 mit einer Konstantspannung und einem Konstantstrom unter der Annahme eines festen Betriebszustands des Beschleunigungsgebers 180 während einer Erhöhung der Zellentemperatur bis auf die erste Temperatur α. In dem Fall, in dem sich der Betriebszustand des Beschleunigungsgebers 180 während dieser Temperaturerhöhung ändert, kann die herkömmliche Steuerung den Spannungspegel und den Strompegel passend zu einer solchen Änderung anpassen.
  • Eine zustimmende Antwort im Schritt S110 legt andererseits eine Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 nahe und zeigt die Notwendigkeit an, die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 zu verringern, weil die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt. Die Steuerung 200 führt demgemäß eine Stromerhöhungssteuerung der Brennstoffzelle 100 (Schritt S130) durch. Diese Stromerhöhungssteuerung wird in vorab festgelegten Zeitintervallen T nach der Zeit wiederholt, zu welcher der Steuervorgang zur Stromerhöhungssteuerung wechselt, das bedeutet, nach der Zeit, zu der die Zellentemperatur die erste Temperatur α erreicht. Noch genauer wiederholt die Stromerhöhungssteuerung eine Steuerphase, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle 100 in einem Zeitabschnitt t (der nachstehend als temporäre Stromerhöhungssteuerung bezeichnet wird) in den Zustand eines erhöhten elektrischen Stroms und einer verringerten Spannung zu verschieben, und eine nachfolgende Steuerphase, um die herkömmliche Steuerung wie vorstehend beschrieben nach dem Zeitabschnitt t durchzuführen. In dem Fall, in dem der Betriebszustand des Beschleunigungsgebers 180 wie vorstehend beschrieben während der Temperaturerhöhung auf die erste Temperatur α wechselt, werden der Spannungspegel und der Strompegel, die während der herkömmlichen Steuerung zu der Zeit angepasst sind, zu der die Zellentemperatur die erste Temperatur α erreicht, in dem Zeitabschnitt t auf den erhöhten elektrischen Strom und die verringerte Spannung verschoben. Während einer solchen temporären Stromerhöhungssteuerung verwendet die Steuerung 200 die Sekundärbatterie 172 zusammen mit der Brennstoffzelle 100, um die Energieanforderung zu erfüllen. Wenn die Zellentemperatur nach der Erhöhung über die erste Temperatur α wieder auf die erste Temperatur α absinkt, wird die temporäre Stromerhöhungssteuerung bei einer zustimmenden Antwort im Schritt S110 beendet. Die temporäre Stromerhöhungssteuerung, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle 100 in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung zu verschieben, und die herkömmliche Steuerung auf der Grundlage der verlangten Last werden somit abwechselnd in dem Zustand wiederholt, in dem die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt und die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 erhöht, was zu einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 führen kann.
  • Wie vorstehend beschrieben verknüpft das Brennstoffzellenfahrzeug 20 der Ausführungsform die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 mit der Zellentemperatur, während es eine herkömmliche Steuerung der Brennstoffzelle 100 auf der Grundlage der Energieanforderung für die Sekundärbatterie 172 durchführt. Wenn die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt (eine zustimmende Antwort im Schritt S110), legt das Brennstoffzellenfahrzeug 20 eine Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 nahe und bestimmt die Notwendigkeit, die Trockenheit der Membran zu verringern und dadurch die durch das Austrocknen der Membran verursachte Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 zu verringern. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 führt dann wiederholt die Stromerhöhungssteuerung in den Zeitintervallen T durch, um intermittierend die temporäre Stromerhöhungssteuerung durchzuführen, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle in dem Zeitabschnitt t in dem Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung zu verschieben. Eine solche temporäre Stromerhöhungssteuerung, die eine Verschiebung zu erhöhtem elektrischen Strom und der verringerten Spannung verursacht, erhöht den Verbrauch von Wasserstoffgas pro Zeiteinheit mit der Erhöhung des elektrischen Stroms und der Verringerung der Spannung und beschleunigt die elektrochemische Reaktion, so dass die Wassererzeugung an der Kathode 103 erhöht wird. In anderen Worten wiederholt das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach der Ausführungsform intermittierend die temporäre Stromerhöhungssteuerung, die zu der erhöhten Wasserproduktion führt, während des Betriebs mit hoher Last, wenn die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt, und erhöht die Trockenheit der Elektrolytmembran 101. Das intermittierende Durchführen der temporären Stromerhöhungssteuerung führt zur intermittierenden Erhöhung der Wassererzeugung. Selbst wenn der Betrieb mit hoher Last verlängert wird, der wahrscheinlich die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 erhöht, wird der Betriebszustand der Brennstoffzelle 100, der die Menge der Wassererzeugung erhöht, nicht über den verlängerten Zeitabschnitt fortgesetzt, sondern tritt nur intermittierend auf. Dies ermöglicht, dass die erhöhte, jedoch intermittierende Wassererzeugung zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 beiträgt. Die herkömmliche Steuerung während des Zeitabschnitts (T-t) nachfolgend auf die temporäre Stromerhöhungssteuerung während des Zeitabschnitts t verschiebt den Betriebszustand der Brennstoffzelle 100 auf den niedrigeren Strompegel und den höheren Spannungspegel als jene bei der temporären Stromerhöhungssteuerung wie in 3 gezeigt. Dies verringert die Erhöhung der Wassererzeugung im Vergleich mit der temporären Stromerhöhungssteuerung. Die Wassererzeugung während der herkömmlichen Steuerung, die auf die temporäre Stromerhöhungssteuerung folgt, trägt ebenfalls zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 bei, obwohl ihre Erhöhung geringer ist. Die Menge der Wassererzeugung an der Kathode 103 wird nur durch die temporäre Stromerhöhungssteuerung vergrößert, die intermittierend in dem Zeitabschnitt t durchgeführt wird. Die erhöhte Menge der Wassererzeugung während der herkömmlichen Steuerung nach der temporären Stromerhöhungssteuerung wird im Vergleich zu der erhöhten Menge der Wassererzeugung während der temporären Stromerhöhungssteuerung verringert. Der Steuervorgang verhindert demgemäß, dass die Poren in der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 104 und der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht 105 für die Diffusionsgaszuführung durch das erzeugte Wasser in gewissem Umfang blockiert werden.
  • Das abwechselnde Wiederholen der temporären Stromerhöhungssteuerung im Zeitabschnitt t und der herkömmlichen Steuerung auf der Grundlage der Energieanforderung für den Motor 170 in den Zeitintervallen T verringert den Engpass der elektrischen Energie relativ zur Energieanforderung für den Motor 170. Selbst wenn die durch die Energieanforderung für den Motor verursachte Hochbelastung die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 erhöht und eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 während der herkömmlichen Steuerung auf der Grundlage der Energieanforderung verursacht (Schritt S120), tragen die erhöhte Wassererzeugung während der temporären Stromerhöhungssteuerung anschließend an die herkömmliche Steuerung (siehe 3), und die Wassererzeugung während der herkömmlichen Steuerung nachfolgend auf die temporäre Stromerhöhungssteuerung zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und zur Erholung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 bei. Als ein Ergebnis kann das mit dem Brennstoffzellensystem 30 nach dieser Ausführungsform ausgestattete Brennstoffzellenfahrzeug 20 selbst dann die Energieerzeugungsleistung beibehalten oder die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung mit der hohen Effektivität verringern und zur Wiederherstellung der Energieerzeugungsleistung beitragen, wenn der Hochlastbetrieb der Brennstoffzelle 100 länger dauert.
  • Zusätzlich korreliert bzw. verknüpft das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach der Ausführungsform die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 mit der Zellentemperatur. Die Zellentemperatur, welche die erste Temperatur α übersteigt (zustimmende Antwort im Schritt S110) legt die Verschiebung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 in einen spezifischen Zustand (ersten trockenen Zustand) nahe. Es kann daher abgeschätzt werden, dass die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 durch das Austrocknen der Elektrolytmembran 101 verschlechtert ist. Wenn die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt, bestimmt das Brennstoffzellenfahrzeug 20 die Notwendigkeit für die temporäre Stromerhöhungssteuerung (Schritt S130) wie vorstehend beschrieben und führt diese temporäre Stromerhöhungssteuerung zum Zweck der Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und dadurch der Verringerung der durch das Austrocknen der Membran verursachten Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 durch. Dieser Steuervorgang kann somit leicht eine Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und eine sich daraus ergebende Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung durch die einfache Technik der Erfassung der Zellentemperatur der Brennstoffzelle 100 und des Durchführens eines Vergleichs der erfassten Zellentemperatur erreichen.
  • Um die Trockenheit der Membran zu verringern und dadurch die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung zu verringern, ist es für das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach der Ausführungsform nur notwendig, die Erhöhungs-/Verringerungssteuerung des elektrischen Stroms und der Spannung während der temporären Stromerhöhungssteuerung und der nachfolgenden herkömmlichen Steuerung wie in 3 gezeigt durchzuführen. Demgemäß ist es nicht notwendig, die Steuerung von Hilfssystemgeräten durchzuführen, die in den Betrieb der Brennstoffzelle einbezogen sind, beispielsweise eine Lade-/Entladesteuerung der Sekundärbatterie 172 und eine Befeuchtungssteuerung der Befeuchtungsvorrichtung 145 zur Verringerung der Trockenheit der Membran, so dass der Steuervorgang vereinfacht werden kann.
  • In der Brennstoffzelle 20 nach der Ausführungsform werden die Anode 102 und die Kathode 103 der Brennstoffzelle 100 jeweils gebildet, indem ein Katalysator, wie Platin oder eine Platinlegierung, auf den Träger, beispielsweise Kohlepartikel, abgelagert wird. Es ist wahrscheinlich, dass sich der Katalysator wie Platin oder Platinlegierung in der Umgebung mit hoher Temperatur verschlechtert. Wie vorstehend beschrieben erhöht das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach der Ausführungsform die Wassererzeugung und kühlt den Katalysator mit dem erzeugten Wasser, wenn die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt,. Das erzeugte Wasser dient auch dazu, die am Katalysator anhaftenden Verunreinigungen abzuwaschen. Eine solche Verringerung der Katalysatorleistungsverluste trägt ebenfalls zur Erhaltung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100, der Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung und zur Erholung der Energieerzeugungsleistung bei.
  • Nachstehend werden mit Bezug auf die Figuren die vorteilhaften Effekte beschrieben, die mit der Verringerung der Trockenheit der Membran einhergehen. Wenn die temporäre Stromerhöhungssteuerung des Schritts S130 nicht durchgeführt wird, wie in 4 mit offenen bzw. weiß hinterlegten Quadraten gezeichnet, wird der Anodendruckverlust mit einer Erhöhung der Zellentemperatur gegenüber der ersten Temperatur α verringert. Wenn die temporäre Stromerhöhungssteuerung des Schritts S130 durchgeführt wird, wie mit offenen bzw. weiß hinterlegten Kreisen in 4 gezeichnet, wird andererseits der Anodendruckverlust in gewissem Ausmaß beibehalten, selbst wenn die Zellentemperatur gegenüber der ersten Temperatur α ansteigt. Die Darstellung mit den offenen Quadraten legt eine Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 nahe, was zu einer Verringerung des Wassergehalts des Anodengases und einer daraus resultierenden Verringerung des Druckverlusts führt. Die Darstellung mit den offenen Kreisen zeigt andererseits eine Erhöhung der Wassererzeugung durch die temporäre Stromerhöhungssteuerung des Schritts S130, was zur verzögerten Verringerung des Wassergehalts des Anodengases und einer daraus resultierenden Verzögerung des Austrocknens der Elektrolytmembran 101 führt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach dieser Ausführungsform ermöglicht somit ein verzögertes Austrocknen der Elektrolytmembran 101.
  • Die temporäre Stromerhöhungssteuerung des Schritts S130 wird durchgeführt, um eine mit offenen Kreisen in 4 dargestellte Erhöhung des Innenwiderstands auch dann zu verringern, wenn die Zellentemperatur von der ersten Temperatur α ansteigt. Die Erhöhung des Innenwiderstands führt zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach dieser Ausführungsform kann somit die Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzelle 100 verringern. Dies bedeutet den verringerten Grad der Spannungsverringerung und den Beitrag zur Erholung der Leistung.
  • Die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff (exotherme Reaktion) setzt sich mit einer Erhöhung der Menge der Wassererzeugung durch die vorstehend beschriebene temporäre Stromerhöhungssteuerung heftig fort. Die Elektrolytmembran 101 wird durch die Reaktionswärme erhitzt, um eine mit einer Erhöhung der Menge der Wassererzeugung durch die temporäre Stromerhöhungssteuerung verknüpfte Temperaturerhöhung zu erfahren. Das Brennstoffzellensystem 30 nach der Ausführungsform führt jedoch die temporäre Stromerhöhungssteuerung, die zur erhöhten Menge der Wasserproduktion führt, nur intermittierend in dem Zeitintervall T wie vorstehend beschrieben durch und verringert demgemäß die Temperaturerhöhung der Elektrolytmembran 101, die durch die Wärme der Reaktion verursacht wird, die mit der Erhöhung der Menge der Wassererzeugung verknüpft ist. Zusätzlich verringert die herkömmliche Steuerung nachfolgend auf diese temporäre Stromerhöhungssteuerung die Erhöhung der Menge der Wassererzeugung und verringert dadurch die Reaktionswärme, um den Temperaturanstieg der Elektrolytmembran 101 zu verringern. Das Brennstoffzellensystem 30 nach dieser Ausführungsform kann auch zur Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 durch Verringerung der Temperaturerhöhung der Elektrolytmembran 101 beitragen, die durch die Wärme der Reaktion verursacht wird.
  • Das Zeitintervall T, in dem die temporäre Stromerhöhungssteuerung, die zur erhöhten Wassererzeugung führt, und die nachfolgende herkömmliche Steuerung wiederholt werden, kann experimentell bestimmt werden oder kann passend zu den thermischen Eigenschaften wie der thermischen Kapazität der Brennstoffzelle 100 festgelegt werden. Beispielsweise kann der Vorgang eine Änderung der Zellentemperatur der Brennstoffzelle 100 mit einer Veränderung des Zeitintervalls T und des Zeitabschnitts t messen und die verfügbaren Bereiche des Zeitintervalls T und des Zeitabschnitts t spezifizieren, welche die Erholung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 erreichen, die durch das Austrocknen der Elektrolytmembran 101 schlechter wird. Das Zeitintervall T und der Zeitabschnitt t können dann in den durch dieses Verfahren spezifizierten Bereichen gewählt werden.
  • Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 wird in verschiedenen Umgebungen gefahren, so dass das Zeitintervall T entsprechend der Umgebung bestimmt werden kann, in der sich das Brennstoffzellensystem 30 befindet. Beispielsweise verhindert die Feuchtigkeitskomponente (Wasserdampf) bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit, dass die Elektrolytmembran 101 austrocknet, so dass das Zeitintervall T verlängert werden kann, um die Frequenz bzw. Häufigkeit der temporären Stromerhöhungssteuerung zu verringern. Bei einer geringen Umgebungstemperatur kann der Grad des Spannungsabfalls in der temporären Stromerhöhungssteuerung verbessert werden. Dies führt zu dem beschleunigten Temperaturanstieg der Elektrolytmembran 101 durch die Wärme der Reaktion, die mit der temporären Stromerhöhungssteuerung verknüpft ist, führt jedoch nicht zu einem wesentlichen Problem, weil die niedrige Umgebungstemperatur das Kühlen der Brennstoffzelle 100 und dadurch der Elektrolytmembran 101 beschleunigt.
  • Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform beschrieben. 5 ist ein Ablaufplan, der einen Vorgang einer Stromerhöhungssteuerung nach einer zweiten Ausführungsform zeigt. 6 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der maximalen Abgabe der Sekundärbatterie 172 und der Batterietemperatur mit Bezug auf verschiedene Ladezustände (SOC) zeigt. 7 ist ein Schaubild, das ein Kennfeld zeigt, auf das man sich für die Bestimmung der Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit einer temporären Stromerhöhungssteuerung bezieht. Die zweite Ausführungsform ist durch Einbeziehen des SOC der Sekundärbatterie 172 gekennzeichnet, um zu bestimmen, ob die temporäre Stromerhöhungssteuerung durchzuführen ist.
  • Nach dieser Ausführungsform tastet die Steuerung 200 wie in 5 gezeigt zuerst den Umgebungstemperatursensor 184 und den Kapazitätssensor 176 ab, um die Batterietemperatur und den SOC der Sekundärbatterie 172 zu lesen (Schritt S200). In diesem Schritt kann ein Temperatursensor an der Sekundärbatterie 172 angebracht sein, und die Batterietemperatur kann direkt vom Temperatursensor gelesen werden. Die Sekundärbatterie 172 weist verschiedene SOC-Pegel wie in 6 gezeigt als das Ergebnis des Ladens und Entladens auf, aber weist die verringerte maximale Abgabe mit Bezug auf jeden SOC im Bereich niedriger Temperatur und im Bereich hoher Temperatur der Batterietemperatur auf. Die nötige Abgabe, die durch die gepunktete Linie in 6 gezeigt ist, d. h. die Energieanforderung für den Motor 170, ändert sich andererseits passend zum Betriebszustand des Beschleunigungsgebers 180. Die Energieanforderung kann demnach vom SOC der Sekundärbatterie 172 möglicherweise nicht erfüllt werden. Beispielsweise erfüllen die Kurve des untersten SOC und die Kurve des zweituntersten SOC nicht die verlangte in 6 gezeigte Abgabe über den gesamten Bereich der Batterietemperatur. Die Kurve des obersten SOC und die Kurve des zweitobersten SOC erfüllen andererseits die in 6 gezeigte benötigte Abgabe im beschränkten Batterietemperaturbereich. Der Engpass an elektrischer Energie, die der SOC der Sekundärbatterie 172 nicht abdecken kann, kann durch die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte elektrische Energie zugeführt werden. Es ist jedoch unerwünscht, die Brennstoffzelle 100 in dem Betriebszustand zu betreiben, der die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 erhöht, um den Engpass der von der Brennstoffzelle 100 erzeugten elektrischen Energie zu kompensieren, weil ein solcher Betrieb zu einer weiteren Erhöhung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung führt. Der Vorgang dieser Ausführungsform bezieht demgemäß die Temperatureigenschaften der Sekundärbatterie 172 wie in 6 gezeigt ein und bestimmt die Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit der vorstehend erläuterten temporären Stromerhöhungssteuerung der Brennstoffzelle 100 in Bezug auf den SOC und die Batterietemperatur der Sekundärbatterie 172 wie in 7 gezeigt. Im Schritt S210 anschließend an die Sensorabtastungen bezieht sich die Steuerung 200 auf das Kennfeld der 7 und bestimmt die Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit der temporären Stromerhöhungssteuerung auf der Grundlage der Batterietemperatur und des SOC, die im Schritt S200 gelesen werden.
  • Bei einer negativen Antwort im Schritt S210, die die Nichtverfügbarkeit der temporären Stromerhöhungssteuerung wie vorstehend beschrieben anzeigt, schaltet der Steuervorgang zur nachstehend beschriebenen herkömmlichen Steuerung. Bei einer zustimmenden Antwort, die die Verfügbarkeit der temporären Stromerhöhungssteuerung anzeigt, liest der Steuervorgang andererseits anschließend die Zellentemperatur im Schritt S220 und führt einen Zellentemperaturvergleich durch (Schritt S230). In derselben Weise wie S110 der vorstehend erläuterten Ausführungsform führt die Steuerung 200 auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs zwischen der Zellentemperatur und der ersten Temperatur α die herkömmliche Steuerung der Brennstoffzelle 100 wie vorstehend beschrieben (Schritt S240) oder die temporäre Stromerhöhungssteuerung wie vorstehend beschrieben (Schritt S250) durch. Die herkömmliche Steuerung und die temporäre Stromerhöhungssteuerung dieser Ausführungsform verwenden auch die Sekundärbatterie 172 in Kombination passend zur Energieanforderung für den Motor 170. 8 ist ein Schaubild, das einen Vorgang der Bestimmung einer Verschiebung zu einem erhöhten elektrischen Strom und einer verringerten Spannung in der temporären Stromerhöhungssteuerung gemäß dem SOC zeigt. 9 ist ein Schaubild, das einen Vorgang des Bestimmens eines Zeitintervalls T und einer minimalen Spannung in der temporären Stromerhöhungssteuerung passend zum SOC zeigt.
  • In der temporären Stromerhöhungssteuerung, die von der Zellentemperatur angestoßen wird, welche die erste Temperatur α überschreitet, wird der Steuerzustand passend zum SOC der Sekundärbatterie 172 wie nachstehend beschrieben bestimmt. Die Stromerhöhungssteuerung wiederholt die temporäre Stromerhöhungssteuerung intermittierend wie vorstehend beschrieben und wiederholt demgemäß abwechselnd die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die herkömmliche Steuerung. Ein Zeitabschnitt t1 der temporären Stromerhöhungssteuerung, ein Zeitabschnitt t2 der herkömmlichen Steuerung und eine minimale Spannung Vmin bei der Verschiebung auf die verringerte Spannung werden passend zum SOC der Sekundärbatterie 172 wie in 9 gezeigt spezifiziert. In diesem veranschaulichten Beispiel erhöht sich der Zeitabschnitt t1 der temporären Stromerhöhungssteuerung stufenweise mit einer Erhöhung des SOC der Sekundärbatterie 172. Dagegen verringert sich der Zeitabschnitt t2 der herkömmlichen Steuerung und die minimale Spannung Vmin bei der Verschiebung zur verringerten Spannung stufenweise mit einer Erhöhung des SOC der Sekundärbatterie 172. Wenn die Sekundärbatterie 172 einen hohen SOC aufweist, wird der Großteil der Energieanforderung für den Motor 170 durch den SOC abgedeckt. Die Brennstoffzelle wird demgemäß gesteuert, um den Grad des Spannungsabfalls zu erhöhen, der zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 beiträgt, und den Zeitabschnitt t1 der temporären Stromerhöhungssteuerung zu verlängern, um so die Menge der Wassererzeugung weiter zu steigern und die Effektivität der Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 zu verbessern. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach dieser Ausführungsform führt die temporäre Stromerhöhungssteuerung ähnlich jener der vorstehend erläuterten Ausführungsform aus, wodurch es ermöglicht, dass die Energieerzeugungsleistung beibehalten wird und weiterhin die Effektivität der Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung selbst in dem Fall verbessert, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle 100 unter hoher Last länger dauert. Zusätzlich bestimmt das Brennstoffzellenfahrzeug 20 die Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit der temporären Stromerhöhungssteuerung passend zum SOC der Sekundärbatterie 172 und bestimmt ihren Steuerzustand. Dies ermöglicht die temporäre Stromerhöhungssteuerung, die dazu führt, dass die erhöhte Wassererzeugung geeignet durchgeführt wird, um den Grad der erhöhten Wassererzeugung anzupassen, während die Energieanforderung durch die kombinierte Nutzung der Sekundärbatterie 172 erfüllt wird. Eine solche Steuerung weist somit einen signifikanten Beitrag zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und zur damit verknüpften Erholung der Energieerzeugungsleistung auf.
  • 10 ist ein Schaubild, das schematisch einen Vorgang einer Stromerhöhungssteuerung nach einer dritten Ausführungsform veranschaulicht. 11 ist ein Schaubild, das Änderungen der Abgabe der Brennstoffzelle 100 und Änderungen eines Anodendruckverlusts gegenüber der Zellentemperatur mit und ohne die Stromerhöhungssteuerung zeigt. Die dritte Ausführungsform wird durch die Stromerhöhungssteuerung gekennzeichnet, die beim Aufheben einer Energieanforderung für die Last durchgeführt wird.
  • Während einer langen Bergauffahrt wie in 10 gezeigt wird der Hochlastbetrieb der Brennstoffzelle 100 (siehe 1) fortgesetzt, und die Zellentemperatur steigt allmählich an. Wenn die in der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform oder zweiten Ausführungsform beschriebene temporäre Stromerhöhungssteuerung wie in 11 gezeigt nicht durchgeführt wird, beginnt der Anodendruckverlust damit, abzufallen, wenn die Zellentemperatur eine erste Temperatur α wie vorstehend beschrieben erreicht. Wie mit offenen Quadraten in 11 dargestellt weist die Batterieabgabe keine signifikante Verringerung auf, bevor die Zellentemperatur eine zweite Temperatur β erreicht, die höher als die erste Temperatur α ist, sinkt jedoch abrupt ab, nachdem die Zellentemperatur diese zweite Temperatur β übersteigt. Während einer Bergabfahrt nach der Bergauffahrt beendet die Brennstoffzelle 100 allgemein den Energieerzeugungsvorgang beispielsweise als Antwort auf ein Lösen der Gaspedal- bzw. Beschleunigerbetätigung. Obwohl dieser Betätigungsstopp die Zellentemperatur verringert, wird die Batterieabgabe, die im Beschleuniger-Ein-Zustand erwartet wird, auf dem niedrigeren Abgabepegel gehalten, wie mit offenen Quadraten in 11 dargestellt. Dies ist so, weil die Zellentemperatur, die durch den Betrieb mit hoher Last während des Bergauffahrens erhöht wird, selbst nach der Bergauffahrt für einige Zeit auf dem hohen Pegel verbleibt. Dies führt zur erhöhten Trockenheit der Elektrolytmembran 101 selbst nach der Bergauffahrt und verursacht eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung.
  • Indem dieses Phänomen einbezogen wird, steuert die dritte Ausführungsform den Betrieb der Brennstoffzelle 100 wie nachstehend beschrieben. Die temporäre Stromerhöhungssteuerung wird ähnlich wie jene der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform wie vorstehend beschrieben während der Bergauffahrt durchgeführt. Eine solche Steuerung, welche die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 während des Bergauffahrens verringert, ermöglicht es, dass die Batterieabgabe auf dem höheren Pegel als ohne die temporäre Stromerhöhungssteuerung gehalten wird, selbst wenn die Zellentemperatur die zweite Temperatur β übersteigt, wie mit offenen Kreisen in 11 dargestellt. Während der auf die Bergauffahrt folgenden Bergabfahrt hält der Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle 100 als Antwort auf ein Lösen der Gaspedalbetätigung wie vorstehend beschrieben an. Wenn die Zellentemperatur auf die zweite Temperatur β fällt, wird jedoch die temporäre Stromerhöhungssteuerung (Schritt S130 oder Schritt S250) ähnlich wie in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform wie vorstehend beschrieben für einen festgelegten Zeitabschnitt erneut durchgeführt. Dies trägt zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 und zur Erholung der Energieerzeugungsleistung bei. Dieser Vorgang ist mit offenen Kreisen in 11 dargestellt. In diesem Fall wurde die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 am Zeitpunkt einer nachfolgenden Gaspedalbetätigung nach dem Bergabfahren bereits verringert, so dass die Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 100 als Antwort auf die Gaspedalbetätigung ohne wesentliche Schwierigkeit durchgeführt werden kann. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nach der dritten Ausführungsform verhindert, dass sich der Fahrer bei einer Antwort auf die Gaspedalbetätigung durch den Fahrer unbehaglich fühlt und verbessert dadurch die Fahrbarkeit.
  • Nach der dritten Ausführungsform ist die zweite Temperatur β, bei der die temporäre Stromerhöhungssteuerung anfängt, eine Temperatur, die mit dem Abknickpunkt einer Änderung eines Anodendruckverlusts zusammenfällt und die eine abrupte Verringerung der Batterieabgabe wie in 11 gezeigt verursacht. Wenn die Zellentemperatur die zweite Temperatur β übersteigt, wird daher erwartet, dass die Elektrolytmembran 101 übermäßig austrocknet. Beginnen der temporären Stromerhöhungssteuerung bei der Temperatur, welche die zweite Temperatur β übersteigt, verlängert die Fortsetzung der temporären Stromerhöhungssteuerung zum Zweck der Verringerung der Trockenheit der zu stark ausgetrockneten Elektrolytmembran 101. Die dritte Ausführungsform startet demgemäß die temporäre Stromerhöhungssteuerung zum Zweck der Verringerung der Trockenheit zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zellentemperatur auf die zweite Temperatur β absinkt.
  • 12 ist ein Schaubild, das einen Vorgang der Wassererzeugungserhöhungssteuerung nach einer vierten Ausführungsform veranschaulicht. Die vierte Ausführungsform ist durch die Wassererzeugungserhöhung gekennzeichnet, die durch Verringerung der Luftzufuhr durchgeführt wird. Wie veranschaulicht wiederholt diese Ausführungsform intermittierend eine Verringerung der Luftzufuhr in einem Zeitabschnitt t in Zeitintervallen T anstelle der temporären Stromerhöhungssteuerung, die in den vorstehend erläuterten Ausführungsformen durchgeführt wird. Die Verringerung der Luftflussrate führt zu einer Verringerung der Menge der Wasserproduktion an der Kathode 103, aber verringert die Menge des erzeugten Wassers, das durch den starken Luftfluss weggenommen wird, was ermöglicht, dass das erzeugte Wasser verbleibt. Die vierte Ausführungsform erhöht die Menge der Wassererzeugung pro Luftzufuhr und verringert dadurch die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 wie in der vorstehend erläuterten Ausführungsform. Zusätzlich verringert diese Ausführungsform den Verbrauch des Wasserstoffgases, welche die Verringerung der Luftzufuhr begleitet. Dies verbessert den Kraftstoffverbrauch, während es zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101 beiträgt.
  • Nachfolgend wird eine fünfte Ausführungsform beschrieben, die die Vorteile der Eigenschaften nutzt, welche für die Brennstoffzelle 100 spezifisch sind. 13 ist ein Schaubild, das schematisch charakteristische Kurve äquivalenter Energie (charakteristische I-U-Kurven bzw. Strom-Spannungs-Kurven) zeigt, die für die Brennstoffzelle 100 spezifisch sind, welche den elektrischen Strom mit der Spannung korrelieren und den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle 100 anzeigen. 14 ist ein Schaubild, das Änderungen des elektrischen Stroms und Änderungen der Spannung während einer temporären Stromerhöhungssteuerung mit oder ohne eine Verschiebung zwischen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie zeigt. 15 ist ein Ablaufplan, der den Vorgang der 2 bezüglich des Lesens der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie zeigt.
  • Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 (siehe 1) weist Kennfelder auf, die zu den entsprechenden charakteristischen Kurve äquivalenter Energie passen, die in 13 gezeigt sind, welche vorab vor der Ausführung der Energieerzeugungsbetriebssteuerung der Brennstoffzelle 100 in einem ROM der Steuerung 200 oder in einer anderen Speichervorrichtung gespeichert sind. Wie in 15 gezeigt liest der Vorgang der fünften Ausführungsform eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie, welche beispielsweise zur Energieanforderung für den Motor 170 passt (Schritt S120), bevor er die Stromerhöhungssteuerung wie vorstehend beschrieben ausführt. Die herkömmliche Steuerung des Schritts S120, die als Reaktion auf eine negative Antwort im Schritt S110 durchgeführt wird, betreibt die Brennstoffzelle 100 mit dem elektrischen Strom und der Spannung auf der gelesenen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie (beispielsweise der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie in 13) und führt dadurch den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle 100 passend zur Energieanforderung für die Last durch.
  • Auf eine zustimmende Antwort im Schritt S110, die das Potential für eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung nahelegt, welche durch Austrocknen der Membran wie vorstehend beschrieben verursacht wird, führt die Stromerhöhungssteuerung des Schritts S130 andererseits die temporäre Stromerhöhungssteuerung in einem Zeitabschnitt t wie nachstehend beschrieben aus. In den 13 und 14 zeigen offene Kreise einen Steuervorgang, der eine Strom-/Spannungsverschiebung für die temporäre Stromerhöhungssteuerung in dem Zeitabschnitt t entlang der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie PTb auf der Grundlage der Energieanforderung verursacht. Noch genauer verschiebt dieser Steuervorgang den elektrischen Strom und die Spannung von einem Betriebspunkt Pn während der herkömmlichen Steuerung des Schritts S120 zu einem Betriebspunkt Pn1 mit einem erhöhten elektrischen Strom und einer verringerten Spannung. Die Brennstoffzelle 100 wird dann an diesem Betriebspunkt Pn1 in dem Zeitabschnitt t betrieben. Der Steuervorgang verschiebt anschließend den elektrischen Strom und die Spannung zurück zum ursprünglichen Betriebspunkt Pn vor der Verschiebung des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung. Eine solche Steuerung verursacht eine Strom-/Spannungsverschiebung entlang der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie auf der Grundlage der Energieanforderung und wird somit als eine Steuerung einer herkömmlichen äquivalenten Energie betrachtet.
  • Geschlossene bzw. dunkel hinterlegte Kreise zeigen andererseits einen Steuervorgang an, der eine Strom-Spannungsverschiebung für die temporäre Stromerhöhungssteuerung unter zusätzlichem In-Betracht-Ziehen einer Strom-/Spannungsverschiebung zwischen der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie PTb auf der Grundlage der Energieanforderung und einer charakteristischen Kurve äquivalenter Energie PTa des geringeren Energieerzeugungspegels verursacht. Noch genauer liest dieser Steuervorgang die charakteristische Kurve PTa äquivalenter Energie, welche den geringeren Energieerzeugungspegel als jenen der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie aufweist, auf der Grundlage der Energieanforderung (Schritt S130). Der Steuervorgang verschiebt anschließend den elektrischen Strom und die Spannung vom Betriebspunkt Pn während der herkömmlichen Steuerung des Schritts S120 zu einem Betriebspunkt Pn2, der auf der charakteristischen Kurve PTa äquivalenter Energie mit dem geringeren Energieerzeugungspegel als jenem der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie liegt und einen weiter erhöhten elektrischen Strom und eine weiter verringerte Spannung aufweist. Die Brennstoffzelle 100 wird dann in dem Zeitabschnitt t an diesem Betriebspunkt Pn2 betrieben. Der Steuervorgang verschiebt anschließend den elektrischen Strom und die Spannung zurück zum ursprünglichen Betriebspunkt Pn vor der Verschiebung auf den erhöhten elektrischen Strom und die verringerte Spannung. Die Verschiebung vom Betriebspunkt Pn zum Betriebspunkt Pn2 kann eine direkte Verschiebung vom Betriebspunkt Pn zum Betriebspunkt Pn2 sein, oder kann eine Verschiebung über den Betriebspunkt Pn1 zum Betriebspunkt Pn2 sein. Eine solche Steuerung verursacht eine Strom-/Spannungsverschiebung zwischen den charakteristischen Kurven äquivalenter Energie der verschiedenen Energieerzeugungspegel, aber der Energieerzeugungspegel wird im Wesentlichen vor und nach der Verschiebung wie durch die durchgezogenen Kurven in 14 gezeigt gemittelt. Diese Steuerung wird daher als eine Steuerung einer mittleren äquivalenten Energie betrachtet.
  • Wenn die erhöhte Zellentemperatur zur erhöhten Trockenheit der Membran führt und eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung verursacht (zustimmende Antwort im Schritt S130), verschieben sowohl die herkömmliche Steuerung äquivalenter Energie als auch die Steuerung gemittelter äquivalenter Energie wie vorstehend beschrieben den elektrischen Strom und die Spannung vom Betriebspunkt Pn während der herkömmlichen Steuerung des Schritts S120 zum Betriebspunkt des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung. Beide Steuerungen tragen somit zur Verringerung der Trockenheit der Membran und dadurch zur Verringerung der Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung wie vorstehend beschrieben bei. Beide Steuerungen ermöglichen den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle 100 mit dem elektrischen Strom und der Spannung auf der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie, die spezifisch für die Brennstoffzelle 100 ist, wodurch sie eine stabile Energieabgabe sicherstellen. Zusätzlich benötigen beide Steuerungen lediglich eine Anpassung der elektrischen Energie bzw. des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 100, benötigen jedoch keine Energieerzeugungsbetriebssteuerung unter zusätzlichem In-Betracht-Ziehen der Energieversorgung von der Sekundärbatterie 172, die als eine andere Energiequelle vorgesehen ist, um eine Strom-/Spannungsverschiebung für die temporäre Stromerhöhungssteuerung zu erzielen.
  • Die Steuerung der mittleren äquivalenten Energie, die eine Strom-/Spannungsverschiebung zwischen der charakteristischen Kurve PTb der äquivalenten Energie und der charakteristischen Kurve PTa der äquivalenten Energie für den geringeren Energieerzeugungspegel verursacht, weist den deutlicher erhöhten elektrischen Strom und die deutlicher verringerte Spannung während der temporären Stromerhöhungssteuerung in dem Zeitabschnitt t auf. Dies beschleunigt die Verringerung der Trockenheit der Membran, das Kühlen des Katalysators durch die erhöhte Wassererzeugung und das Entfernen von adsorbierten Unreinheiten wie vorstehend beschrieben. Eine Erholung der Energieerzeugungsleistung wird demgemäß während der Steuerung (der herkömmlichen Steuerung) anschließend an die temporäre Stromerhöhungssteuerung in dem Zeitabschnitt t erwartet. Diese Erholung wird als eine Erhöhung des Spannungspegels in 14 angezeigt.
  • Vorstehend wird die Erfindung mit Bezug auf einige Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsformen oder ihre Modifizierungen beschränkt, sondern eine Vielzahl von Veränderungen und Modifizierungen der Ausführungsformen kann durchgeführt werden, ohne vom Gebiet der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise korreliert der Vorgang der vorstehend erläuterten Ausführungsform die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 mit der Zellentemperatur und bestimmt die Notwendigkeit zur Verringerung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101, wenn die Zellentemperatur die erste Temperatur α übersteigt. Dieser Steuervorgang ist jedoch nicht einschränkend. Die Zellentemperatur kann durch eine andere Brennstoffzelleneigenschaft ersetzt werden, welche die Trockenheit der Elektrolytmembran 101 wiedergibt. Beispielsweise kann eine Änderung des Anodendruckverlusts oder eine Änderung des Innenwiderstands erfasst werden. Eine Beobachtung eines spezifischen Phänomens, das durch das Trocknen der Elektrolytmembran 101 verursacht wird, beispielsweise einer Verschlechterung des Anodendruckverlusts oder einer Erhöhung des Innenwiderstands wie durch die Darstellung mit offenen Quadraten in 4 gezeigt, legt die erhöhte Trockenheit der Elektrolytmembran 101 nahe, die zu einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 führen kann. Der Steuervorgang kann daher die Notwendigkeit zur Verringerung der Trockenheit der Membran bestimmen und dadurch eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung verringern und kann die Stromerhöhungssteuerung (temporäre Stromerhöhungssteuerung) des Schritts S130 ausführen.
  • In diesem Fall kann die Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 als eine Änderung der Batterieabgabe oder als eine Änderung der Strom-/Spannungscharakteristik der Brennstoffzelle 100 anstelle einer Änderung der Trockenheit der Elektrolytmembran 101, der Änderung des Anodendruckverlusts oder der Änderung des Innendrucks wie vorstehend beschrieben beobachtet werden. Der Steuervorgang kann die Batterieabgabe oder die Strom-/Spannungscharakteristik der Brennstoffzelle 100 messen (beobachten) oder die Batterieabgabe oder die Strom-/Spannungscharakteristik auf der Grundlage spezifizierter theoretischer Berechnung abschätzen, um eine Verschiebung in einen Zustand einer Leistungsverschlechterung zu erfassen, der das Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 aufweist. Der Steuervorgang kann dann die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die nachfolgende herkömmliche Steuerung wie vorstehend beschrieben wiederholen. Noch genauer bestimmt der Steuervorgang eine Verschiebung zum Zustand der Leistungsverschlechterung, der das Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung aufweist und wiederholt abwechselnd die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die nachfolgende herkömmliche Steuerung wie vorstehend beschrieben, wenn die Batterieabgabe oder die Strom-/Spannungscharakteristik der Brennstoffzelle 100 sich über einen vorab festgelegten Schwellenwert auf einen Wert einer weiteren Abgabeverringerung oder auf einen Wert der weiteren charakteristischen Verschlechterung verändert. Wenn sich die Batterieabgabe oder die Strom-/Spannungscharakteristik der Brennstoffzelle 100 auf den vorab festgelegten Schwellenwert erholt, hält der Steuervorgang die temporäre Stromerhöhungssteuerung an.
  • Ein Abgabeschema wie nachstehend beschrieben kann für die temporäre Stromerhöhungssteuerung und Verwendung der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie wie in 13 und 14 beschrieben verwendet werden. 16 ist ein Schaubild, das ein Abgabeschema zeigt, das für die temporäre Stromerhöhungssteuerung verwendbar ist. 16 zeigt eine Änderung der Abgabe der erzeugten Energie, wenn die Steuerung für mittlere äquivalente Energie unter zusätzlicher Berücksichtigung der Strom-/Spannungsverschiebung zwischen der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie auf der Grundlage der Energieanforderung und der charakteristischen Kurve PTa äquivalenter Energie verwendet wird, um die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die nachfolgende herkömmliche Steuerung zu wiederholen. Nach dem Abgabeschema der 16 wird der Unterschied zwischen der Stromerzeugung für die Last und einer Energieabgabe mit erhöhtem elektrischem Strom und verringerter Spannung über eine Strom-/Spannungsverschiebung (Pn → Pn2: temporäre Stromerhöhungssteuerung) von der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie zur charakteristischen Kurve PTa äquivalenter Energie gleich dem Unterschied zwischen der Energieanforderung für die Last und einer Energieabgabe mit verringertem elektrischem Strom und erhöhter Spannung über eine Strom-/Spannungsverschiebung (Pn2 → Pn: herkömmliche Steuerung) von der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie PTa zur charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie gemacht. Zu diesem Zweck wird der Zeitabschnitt t, der im Zeitintervall T enthalten ist, in Anbetracht der Unterschiede des elektrischen Stroms und der Spannung zwischen dem Betriebspunkt Pn und dem Betriebspunkt Pn2 bestimmt. Dieses Abgabeschema kann vorab in der Form eines Kennfelds passend zur benötigten Last bereitgestellt sein. In anderen Worten werden eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie auf der Grundlage der benötigten Last (beispielsweise die charakteristische Kurve PTb äquivalenter Energie) und eine charakteristische Kurve PTa äquivalenter Energie des niedrigeren Energieerzeugungspegels spezifiziert, wenn eine verlangte Last spezifiziert wird. Dies führt zur Spezifizierung der jeweiligen Betriebspunkte auf diesen charakteristischen Kurven und ermöglicht dadurch das Bereitstellen des Abgabeschemas in der Form eines Kennfelds.
  • Wie in 1 gezeigt weist das Brennstoffzellenfahrzeug 20 die Sekundärbatterie 172, die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und zu entladen, in Kombination mit der Brennstoffzelle 100 als die Energiequelle auf, um Energie beispielsweise dem Motor 170 zuzuführen. Die Sekundärbatterie 172 wird allgemein gesteuert, um einen Mangel der Abgabe der Brennstoffzelle 100 zu kompensieren. Das Abgabeschema des Gleichsetzens der Verringerung der Abgabe durch den erhöhten elektrischen Strom und die verringerte Spannung mit der Erholung der Abgabe durch den verringerten elektrischen Strom und die erhöhte Spannung wie vorstehend beschrieben führt jedoch offensichtlich nicht zur einem Engpass der Abgabe bzw. Leistung der Brennstoffzelle 100. Dies führt dazu, dass keine Energiezufuhr von der Sekundärbatterie 172 zum Zweck der Kompensation eines Engpasses an abgebener Energie erforderlich ist oder verursacht keine Veränderung der Energiezufuhr, so dass der Energieverbrauch der Sekundärbatterie 172 kleiner wird. Wenn die herkömmliche Steuerung äquivalenter Energie durch Verschieben des elektrischen Stroms und der Spannung entlang der charakteristischen Kurve PTb äquivalenter Energie auf der Grundlage der Energieanforderung verwendet wird, um die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die nachfolgende herkömmliche Steuerung zu wiederholen, weist die Brennstoffzelle 100 eine konstante Energieabgabe auf. Dies führt auch dazu, dass es nicht nötig ist, Energie von der Sekundärbatterie 172 zum Zweck der Kompensation eines Engpasses der Energieabgabe zuzuführen, oder verursacht keine Veränderung der Energiezufuhr, wodurch der Stromverbrauch der Sekundärbatterie 172 verringert wird.
  • Die vorstehend erläuterte Ausführungsform führt die herkömmliche Steuerung im Zeitabschnitt (T-t) nachfolgend zur temporären Stromerhöhungssteuerung in dem Zeitabschnitt t durch. Die Steuerung nachfolgend zur temporären Stromerhöhungssteuerung in Zeitabschnitt t ist jedoch nicht auf die herkömmliche Steuerung beschränkt, sondern kann jede Steuerung sein, die eine Verringerung der Erhöhung der Wassererzeugung im Vergleich mit der temporären Stromerhöhungssteuerung ermöglicht.
  • Eine nachstehend beschriebene Modifizierung kann für die Spannungserhöhungs-/-verringerungssteuerung nach der vorstehend erläuterten Ausführungsform verwendet werden. 17 ist ein Schaubild, das einen Zustand einer Spannungserhöhung/-verringerung in dem Verlauf einer abwechselnden Wiederholung der temporären Stromerhöhungssteuerung und der nachfolgenden Steuerung (der Steuerung zur Verringerung der Erhöhung der Wassererzeugung) zeigt. Wie in 17 gezeigt wird die Spannung so geändert, dass sie im Verlauf der Verringerung der Spannung, die mit der temporären Stromerhöhungssteuerung einhergeht, und im Verlauf der Erhöhung der Spannung, der mit der temporären Stromerhöhungssteuerung und der nachfolgenden Steuerung einhergeht, einen allmählichen Abfall oder einen allmählichen Anstieg aufweist. Eine solche Steuerung verhindert eine abrupte Änderung des elektrischen Stroms, das bedeutet, eine Stromspitze im Verlauf der abwechselnden Wiederholung der temporären Stromerhöhungssteuerung und der nachfolgenden Steuerung (der Steuerung zur Verringerung der Erhöhung der Wassererzeugung) und ist daher zum Schutz der Elektrolytmembran 101 vor Schaden vorteilhaft.
  • Der Steuervorgang nach der vorstehend erläuterten Ausführungsform wiederholt abwechselnd die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die herkömmliche Steuerung in den Zeitintervallen T, während die Zellentemperatur die erste Temperatur α überschreitet und anschließend auf die erste Temperatur α abfällt. In einer Modifizierung kann der Steuervorgang abwechselnd die temporäre Stromerhöhungssteuerung und die herkömmliche Steuerung in den Zeitintervallen T für eine vorab festgelegte Zeit nach dem Überschreiten der ersten Temperatur α durch die Zellentemperatur wiederholen. Eine solche Modifizierung kann auch bei der Anwendung der Messung oder des Abschätzens des Batteriewiderstands, der Batterieabgabe oder der Strom-/Spannungscharakteristik und beim Erfassen einer Verschiebung in den Zustand der Leistungsverschlechterung verwendet werden, der Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    Brennstoffzellenfahrzeug
    22
    Fahrzeugkarosserie
    30
    Brennstoffzellensystem
    100
    Brennstoffzelle
    101
    Elektrolytmembran
    102
    Anode
    103
    Kathode
    104
    Anodenseitige Gasdiffusionsschicht
    105
    Kathodenseitige Gasdiffusionsschicht
    106
    Stromsensor
    110
    Wasserstoffgastank
    120
    Wasserstoffgaszuführsystem
    121
    Wasserstoffzuführweg
    122
    Umlaufweg
    123
    Ablassweg
    124
    Auf-/Zuventil
    125
    Druckverringerungsventil
    126
    Wasserstoffzuführvorrichtung
    127
    Umlaufpumpe
    128
    Flussratensensor
    129
    Auf-/Zuventil
    130
    Kompressor
    140
    Luftzuführsystem
    141
    Sauerstoffzuführweg
    142
    Ablassweg
    143
    Abgabeflusssteuerventill
    145
    Befeuchtungsvorrichtung
    147
    Flussratensensor
    150
    Radiator
    152
    Ventilator
    160
    Kühlsystem
    161
    Umlaufweg
    162
    Umgehungsweg
    163
    Drei-Wege-Flusssteuerventil
    164
    Umlaufpumpe
    166
    Temperatursensor
    170
    Motor
    172
    Sekundärbatterie bzw. Akkubatterie
    174
    DC-DC Wandler
    176
    Kapazitätssensor
    180
    Beschleunigungsgeber bzw. Gaspedal
    182
    Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
    184
    Umgebungstemperatursensor
    200
    Steuerung
    FW
    Vorderräder
    RW
    Hinterräder

Claims (15)

  1. Brennstoffzellensystem, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle, die dazu aufgebaut ist, ein Brenngas und ein Sauerstoff enthaltendes Gas aufzunehmen, die jeweils einer Anode und einer Kathode zugeführt werden, die so angeordnet sind, dass sie einander über eine Elektrolytmembran gegenüberliegen, die Protonenleitfähigkeit aufweist, und elektrische Energie erzeugt; und eine Energieerzeugungssteuerung, die dazu aufgebaut ist, eine auf die Belastung antwortende Energieerzeugungssteuerung durchzuführen, die einen Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Energienachfrage für eine externe Last steuert; wobei die Energieerzeugungssteuerung eine die Wassererzeugung erhöhende Steuerung durchführt, die einen Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle im Vergleich mit der auf die Last antwortenden Energieerzeugungssteuerung in einen Zustand der Erhöhung einer Menge der Wassererzeugung an der Kathode verschiebt, und anschließend eine nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung durchführt, die den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand verschiebt, in dem eine Erhöhung der Menge der Wassererzeugung im Vergleich mit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringert ist, wenn sich die Brennstoffzelle in einem Zustand der Leistungsverschlechterung befindet, der ein Potential zur Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle aufweist, wobei es die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung in dem Zustand der Leistungsverschlechterung abwechselnd wiederholt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Energieerzeugungssteuerung die auf die Last antwortende Energieerzeugungssteuerung als die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung durchführt.
  3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Energieerzeugungssteuerung die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung in einem vorab festgelegten Zeitintervall T abwechselnd wiederholt.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energieerzeugungssteuerung durch die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand eines erhöhten elektrischen Stroms und einer verringerten Spannung verschiebt und dadurch die Menge der Wassererzeugung an der Kathode erhöht, während sie durch die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle in einen Zustand eines niedrigeren elektrischen Strompegels und eines höheren Spannungspegels als jene bei der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verschiebt und dadurch die Erhöhung der Menge der Wasserproduktion im Vergleich mit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringert.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie, die für die Brennstoffzelle spezifisch ist, mit Bezug auf jeden Energieerzeugungspegel gespeichert ist, wobei die charakteristische Kurve äquivalenter Energie einen elektrischen Strom mit einer Spannung korreliert und den Energieerzeugungsbetriebszustand der Brennstoffzelle anzeigt, und die Energieerzeugungssteuerung eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie eines Energieerzeugungspegel liest, der zu der Energieanforderung passt und den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle so steuert, dass ein elektrischer Strom und eine Spannung auf der gelesenen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie als die lastabhängige Energieerzeugungssteuerung erreicht werden, während der Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle gesteuert wird, um einen elektrischen Strom und eine Spannung auf der charakteristischen Kurve äquivalenter Energie abzudecken, um als die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung die Verschiebung in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung zu erreichen.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Energieerzeugungssteuerung eine charakteristische Kurve äquivalenter Energie mit einem niedrigeren Energieerzeugungspegel als dem Energieerzeugungspegel liest, der zur Energieanforderung passt und den Energieerzeugungsvorgang der Brennstoffzelle so steuert, dass er einen elektrischen Strom und eine Spannung auf der gelesenen charakteristischen Kurve äquivalenter Energie erzielt, um die Verschiebung zum Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung als die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung zu erzielen.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, weiter mit: einer Sekundärbatterie, die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und abzugeben, um gemeinsam mit der Brennstoffzelle als eine Energiequelle verwendbar zu sein, um Energie an die Last abzugeben, wobei die Energieerzeugungssteuerung abwechselnd die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung und die nicht die Wasserproduktion erhöhende Steuerung wiederholt, um so einen Unterschied zwischen der Energieanforderung für die Last und einer Energieabgabe der Brennstoffzelle durch das Verschieben in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung herbeizuführen, der mit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verknüpft ist, der gleich einem Unterschied zwischen der Energieanforderung für die Last und einer Energieabgabe der Brennstoffzelle durch die Verschiebung auf den niedrigeren elektrischen Strompegel und den höheren Spannungspegel ist, die mit der nicht die Wasserproduktion erhöhenden Steuerung verknüpft sind.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, weiter mit: einer Sekundärbatterie, die dazu fähig ist, elektrische Energie zu laden und abzugeben, um in Kombination mit der Brennstoffzelle als eine Energiequelle verwendbar zu sein, um der Last Energie zuzuführen, wobei die Energieerzeugungssteuerung die Verfügbarkeit oder Nichtverfügbarkeit der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung auf der Grundlage eines Ladezustandes der Sekundärbatterie bestimmt.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Energieerzeugungssteuerung bestimmt, dass die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung verfügbar ist, wenn der Ladezustand der Sekundärbatterie einen vorab festgelegten Ladepegel übersteigt.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die Energieerzeugungssteuerung das Verschieben des Energieerzeugungsbetriebszustands der Brennstoffzelle in den Zustand des erhöhten elektrischen Stroms und der verringerten Spannung auf der Grundlage des Ladezustands der Sekundärbatterie bestimmt und die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung passend zur bestimmten Verschiebung durchführt.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energieerzeugungssteuerung die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung beim Beenden der Energieanforderung für die Last nach der intermittierenden Wiederholung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung anhält, und die Energieerzeugungssteuerung intermittierend die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung über einen vorab festgelegten Zeitabschnitt in einem Lastbeendigungszeitabschnitt bis zum Auftreten einer neuen Energieanforderung für die Last nach dem Beenden der Energieanforderung wiederholt.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Energieerzeugungssteuerung die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung im Lastaufhebungszeitabschnitt in einem Zustand durchführt, in dem erwartet wird, dass eine Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle durch das Austrocknen der Elektrolytmembran vorliegt.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Energieerzeugungssteuerung die die Wassererzeugung erhöhende Steuerung im Lastaufhebungszeitabschnitt durchführt, wenn eine erfasste Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelle, bei der die Energieanforderung aufgehoben wurde, auf eine vorab festgelegte Temperatur absinkt.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Energieerzeugungssteuerung intermittierend eine Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Gases während der Wiederholung der die Wassererzeugung erhöhenden Steuerung verringert.
  15. Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei elektrische Energie als eine Antriebskraft verwendet wird, die von der in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Brennstoffzelle erzeugt wird.
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