DE112012005965T5

DE112012005965T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112012005965T5
Application number: DE112012005965.4T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAI Ikeda Kotaro; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAISH Inoue Yumi; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KA Matsusue Masaaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US20150125772A1; WO2013128610A1; CN104137314A; CA2866012A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; eine Leistungsspeichervorrichtung, die parallel zu der Brennstoffzelle mit einer Last verbunden ist; und eine Steuervorrichtung, die einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Spannung ausführt, wobei ein intermittierender Betrieb, in welchem ein Leistungserzeugungssollwert der Brennstoffzelle auf Null gesetzt ist und eine Stromversorgung der Last durch die von der Leistungsspeichervorrichtung zugeführte Leistung abgedeckt wird, ausgeführt werden kann, wenn bestimmte Bedingungen zum Ausführen des intermittierenden Betriebes erfüllt sind, und der Leistungswiederherstellungsprozess während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird, und wobei, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist und eine Restleistung in der Leistungsspeichervorrichtung gleich oder niedriger als eine vorgegebene Menge ist, die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt zum Ausführen des intermittierenden Betriebs verzögert und die Leistungsspeichervorrichtung lädt, bis die Restleistung die vorgegebene Menge übersteigt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Katalysatoraktivierungsfunktion.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Strom- bzw. Leistungserzeugungssystem, das Brennstoff vermittels einem elektrochemischen Prozess oxidiert, um dadurch direkt Energie, die während einer derartigen Oxidationsreaktion freigesetzt wird, in elektrische Energie bzw. Strom umzuwandeln. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel hat eine Membranelektrodenanordnung, bei welcher eine Polymerelektrolytmembran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, sandwichartig zwischen einem Paar Elektroden aufgenommen ist, die aus porösen Materialien bestehen. Eine jede Elektrode umfasst: eine Katalysatorschicht, die, als Hauptbestandteil, Carbon- bzw. Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platinbasierten Metallkatalysator trägt, und mit der Polymerelektrolytmembran in Kontakt steht; und eine Gasdiffusionsschicht, die auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist, wobei die Gasdiffusionsschicht sowohl luftdurchlässig als auch Elektronenleitend ist.
Bei derartigen Brennstoffzellensystemen kann, wenn eine Zelle kontinuierlich in einem Betriebsbereich betrieben wird, in welchem die Zellspannung eine Oxidationsspannung (etwa 0,7 V bis 1,0 V) erreicht, ein Oxidbelag auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet werden und die wirksame Fläche des Platinkatalysators verringern, was zu einer Verschlechterung der Ausgabeeigenschaften führen kann. Diesbezüglich offenbart Patentdokument 1 einen Prozess, bei welchem, wenn eine von der Brennstoffzelle ansprechend auf eine Anforderung zu erzeugende elektrische Leistung kleiner als ein vorgegebener Wert ist, die Zufuhr von Luft (Oxidationsgas) zur Brennstoffzelle gestoppt wird und die Ausgangspannung der Brennstoffzelle durch einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler zwangsgesenkt wird, so dass die Zellspannung auf eine Absenk- bzw. Reduzierungs- oder Reduktionsspannung (z. B. 0,6 V oder darunter) abgesenkt wird, um dadurch einen Oxidbelag von der Oberfläche der Katalysatorschicht zu entfernen und die Leistung der Katalysatorschicht wiederherzustellen (ein solcher Prozess wird nachfolgend als „Auffrischungsprozess” bezeichnet).
Patentdokument 1 beschreibt zudem im Hinblick auf ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem als Fahrzeugbasierte Stromquelle nutzt, das Unterbinden des Auffrischungsprozesses wenn das Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Geschwindigkeit fährt, die gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist.
Druckschriften aus dem Stand der Technik
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 2008-192468 A

Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Während des Auffrischungsprozesses kann das Ansprech- bzw. Antwortverhalten auf eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle, insbesondere auf eine Hochlastanforderung, deutlich verschlechtert sein, da die Zellspannung im Auffrischungsprozess niedriger wird als im Normallastbetrieb. Wenn beispielswiese im Falle eines Brennstoffzellenfahrzeugs die Zellspannung aufgrund des Auffrischungsprozesses absinkt, kann es unmöglich werden, eine Ausgabe bzw. Ausgangsleistung zu erhalten, die einer Beschleunigerantwort zum Zeitpunkt einer Hochlastanforderung folgen kann, was zu einer deutlichen Verschlechterung der Fahrbarkeit (Steuerbarkeit) führen kann.
Ein Weg zur Vermeidung einer derartigen Verschlechterung des Antwortverhaltens ist das Ausführen des Auffrischungsprozesses während eines intermittierenden Betriebs. Der intermittierende Betrieb ist ein Betrieb in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie als Stromquelle, bei dem, wenn bestimmte Bedingungen für einen derartigen intermittierenden Betrieb erfüllt sind, beispielsweise wenn eine von der Last benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger ist als ein vorgegebener Wert, ein Strom- bzw. Leistungserzeugungssollwert der Brennstoffzelle auf Null gesetzt wird und die der Last zuzuführende elektrische Leistung durch die von der Batterie zugeführte elektrische Leistung abgedeckt wird.
Wenn jedoch eine große Menge eines Oxidbelags auf der Katalysatorschicht ausgebildet ist, so dass der Auffrischungsprozess für eine ausreichende Zeitspanne (Auffrischungszeitspanne) ausgeführt werden sollte, jedoch nicht genug Restleistung in der Batterie ist, ist die Leistungs- bzw. Strommenge, die von der Batterie an einen Antriebsmotor geleifert werden kann, beschränkt, so dass sich, als Ergebnis hiervon, die Fahrbarkeit verschlechtern kann. Zudem kann, wenn die Menge und Eigenschaften des Oxidbelags ungenau angenommen bzw. ermittelt werden, es nicht möglich sein, ausreichende Effekte mit dem Auffrischungsprozess zu erzielen.
Es wurde festgestellt, dass zwei Arten von Oxidbelägen – ein Belag, der durch Absenken der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf eine Reduzierungsspannung wie in Patentdokument 1 beschrieben (nachfolgend als „erste Reduzierungsspannung” bezeichnet) entfernt werden kann (ein derartiger Belag wird nachfolgend als „Typ-I Oxidbelag” bezeichnet), und ein Belag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung auf eine zweite Reduzierungsspannung, die niedriger ist als die erste Reduzierungsspannung, entfernt werden kann (ein derartiger Belag wird nachfolgend als „Typ-II Oxidbelag” bezeichnet) – in einem Mischzustand in einem einzigen Oxidbelag vorliegen können.
Der Auffrischungsprozess aus Patentdokument 1 geht lediglich von einer Spannungsstufe für eine Reduzierungsspannung aus, die das Entfernen des Oxidbelags zulässt (die erste Reduzierungsspannung). Selbst wenn es daher möglich ist, durch Absenken der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels für eine vorgegebene Zeitspanne auf eine derartig angenommene erste Reduzierungsspannung, den Typ-I Oxidbelag zu entfernen, ist es dennoch nicht möglich, den Typ-II Oxidbelag zu entfernen. Die Leistung der Katalysatorschicht kann somit nicht in ausreichendem Maße regeneriert werden.
Ausgehend von den vorstehend genannten Problemen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das in der Lage ist, die Verschlechterung des Antwortverhaltens während oder nach dem Prozess zur Leistungswiederherstellung einer Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle zu unterdrücken.
Mittel zur Lösung des Problems
Um diese Aufgabe zu lösen weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; eine Leistungsspeichervorrichtung, die parallel zur Brennstoffzelle mit einer Last verbunden ist; und eine Steuervorrichtung, die einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Spannung ausführt, wobei ein intermittierender Betrieb, in welchem ein Leistungserzeugungssollwert der Brennstoffzelle auf Null gesetzt ist und die Leistungszufuhr zur Last durch die von der Leistungsspeichervorrichtung zugeführte Leistung abgedeckt wird, ausgeführt werden kann, wenn bestimmte Bedingungen zum Ausführen des intermittierenden Betriebs erfüllt sind, und der Leistungswiederherstellungsprozess während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird, und wobei, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist und eine Restleistung in der Leistungsspeichervorrichtung gleich oder niedriger als eine vorgegebene Menge ist, die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt zur Ausführung des intermittierenden Betriebs verzögert und die Leistungsspeichervorrichtung lädt, bis die Restleistung die vorgegebene Menge übersteigt.
Gemäß der vorstehend genannten Konfiguration wird, in einem Brennstoffzellensystem, das einen Leistungswiederherstellungsprozess für eine Katalysatorschicht während eines intermittierenden Betriebs ausführt, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess als notwendig angesehen wird und die in der Leistungsspeichervorrichtung verbliebene Restleistung gleich oder kleiner als eine vorgegebene Menge ist, dem Laden der Leistungsspeichervorrichtung Priorität gegenüber dem Leistungswiederherstellungsprozess zugemessen. Als Ergebnis kann eine gewisse Restleistung in der Leistungsspeichervorrichtung während oder nach dem Zeitpunkt, zu welchem der Leistungswiederherstellungsprozess ausgeführt wird, nachdem das Brennstoffzellensystem in den intermittierenden Betrieb übergegangen ist, sichergestellt werden, wodurch der Einfluss auf das Ansprech- bzw. Antwortverhalten minimiert werden kann.
Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, dass sie einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle vorhersagt und den Umfang des Leistungswiederherstellungsprozesses basierend auf dem Vorhersageergebnis bestimmt. Wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise als Fahrzeugbasierte Stromquelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist, kann die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle basierend auf einem Fahrzustand des Fahrzeugs vorhersagen.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration wird, wenn nötig, der Leistungswiederherstellungsprozess der Katalysatorschicht nicht auf die gleiche Weise durchgeführt sondern die Menge des vom gesamten auf der Katalysatorschicht gebildeten Oxidbelags zu entfernenden Oxidbelags kann statt dessen gemäß dem vorhergesagten Zeitpunkt der Anforderung einer Ausgabeerhöhung eingestellt werden. Es ist damit möglich, ein Gleichgewicht zwischen der Minimierung des Einflusses auf das Antwortverhalten (Fahrbarkeit im Falle eines Fahrzeugbasierten Brennstoffzellensystems) und der Maximierung der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht zu erzielen.
Wenn bei der vorstehenden Konfiguration ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine erste Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Belagentfernungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgebildet wird, kann die Steuervorrichtung die vorgegebene Spannung, auf welche die Ausgangsspannung gesenkt werden soll, gemäß dem Vorhersageergebnis ändern, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist.
Bei der vorstehenden Konfiguration kann der Leistungswiederherstellungsprozess derart ausgeführt werden, dass, wenn vorhergesagt wird, dass bald eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, dem Minimieren des Einflusses auf das Antwortverhalten auf eine derartige Anforderung einer Ausgabeerhöhung erste Priorität zugemessen wird und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle daher nur auf die erste Belagentfernungsspannung abgesenkt wird, wohingegen, wenn vorhergesagt wird, dass so bald keine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, dem Maximieren des Leistungswiederherstellungsprozesses der Katalysatorschicht erste Priorität zugemessen wird und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle daher auf die zweite Belagentfernungsspannung abgesenkt wird.
Wenn bei der vorstehenden Konfiguration ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine erste Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Belagentfernungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgebildet wird, kann die Steuervorrichtung eine Zeitspanne zum Ausführen des Leistungswiederherstellungsprozesses gemäß dem Vorhersageergebnis ändern, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist.
Wenn bei der vorstehenden Konfiguration vorhergesagt wird, dass bald eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, wird zugelassen, dass der Leistungswiederherstellungsprozess für eine kurze Zeitspanne ausgeführt wird, um dem Minimieren des Einflusses auf das Antwortverhalten auf eine derartige Anforderung einer Ausgabeerhöhung erste Priorität beizumessen. Wenn andererseits vorhergesagt wird, dass so bald keine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, wird zugelassen, dass der Leistungswiederherstellungsprozess für eine lange Zeitspanne ausgeführt wird, um der Maximierung des Leistungswiederherstellungsprozesses der Katalysatorschicht erste Priorität beizumessen.
Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das die Verschlechterung des Antwortverhaltens während oder nach dem Prozess zur Leistungswiederherstellung einer Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle unterdrücken kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Zelle, die den Brennstoffzellenstapel bildet;
3 zeigt ein Zeitschaubild eines Beispiels einer Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems;
4 zeigt ein Flussschaubild, das den Ablauf zum Ausführen eines Auffrischungsprozesses zeigt, wenn, als eine Bedingung, die Restleistung in einer Batterie einen vorgegebenen Grenz- bzw. Schwellenwert übersteigt;
5 zeigt eine Ansicht der Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle und dem Mengenverhältnis bzw. Anteil eines Typ-II Oxidbelags in einem Oxidbelag;
6 zeigt eine Ansicht, wie sich die jeweiligen Anteile eines Typ-I Oxidbelags, eines Typ-II Oxidbelags und eines Typ-III Oxidbelags in einem Oxidbelag, der auf einer Katalysatorschicht ausgebildet ist, über die Zeit verändern, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf einem konstanten Wert gehalten wird;
7 zeigt eine Ansicht, wie sich die jeweiligen Anteile eines Typ-I Oxidbelags und eines Typ-II Oxidbelags in einem Oxidbelag, der auf einer Katalysatorschicht ausgebildet ist, entsprechend der Zunahme der Zahl der Male verändern, die die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels während ihres Ansteigens und Absinkens eine vorgegebene Grenzspannung kreuzt;
8 zeigt ein Zeitschaubild eines anderen Beispiels einer Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems; und
9 zeigt ein Zeitschaubild eines weiteren Beispiels einer Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems.
Bezugszeichenliste

11: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzelle
24a: Katalysatorschicht
25: Membranelektrodenanordnung
52: Batterie (Leistungsspeichervorrichtung)
60: Controller (Steuervorrichtung)

Ausführungsformen der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht wiederholt beschrieben.
1 zeigt die Systemkonfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß Ausführungsform 1.
Das Brennstoffzellensystem 10 dient als Fahrzeugbasiertes Stromversorgungssystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist und umfasst: einen Brennstoffzellenstapel 20, der mit Reaktionsgasen (einem Brenngas und einem Oxidationsgas) versorgt wird und elektrische Leistung erzeugt; ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30 zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel 20; ein Brenngaszufuhrsystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 20; ein Leistungssystem 50 zum Steuern des Ladens und Entladens elektrischer Leistung; und einen Controller 60, der das gesamte System steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Solidpolymerelektrolytzellenstapel, in welchem eine Mehrzahl von Zellen in Reihe gestapelt ist. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet die Oxidationsreaktion nach Formel (1) an der Anode statt, und die Reduktionsreaktion nach Formel (2) findet an der Kathode statt. Die Stromerzeugungsreaktion nach Formel (3) geschieht im Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Der Brennstoffzellenstapel 20 hat: einen Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 (FC-Spannung); und einen Stromsensor 72 zum Erfassen eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 (FC-Strom).
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 umfasst: eine Oxidationsgasleitung 33, in welcher das der Kathode im Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführende Oxidationsgas fließt; und eine Oxidationsgasabgasleitung 34, in welcher aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenes Oxidationsabgas fließt. Die Oxidationsgasleitung 33 hat: einen Luftkompressor 32, der das Oxidationsgas aus der Umgebung bzw. Atmosphäre über einen Filter 31 einbringt; einen Befeuchter 35, der das durch den Luftkompressor 32 verdichtete Oxidationsgas befeuchtet; und ein Sperrventil A1 zum Absperren der Zufuhr von Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel 20.
Die Oxidationsgasabgasleitung 34 hat: ein Sperrventil A2 zum Absperren des Auslassens des Oxidationsgasabgases vom Brennstoffzellenstapel 20; ein Gegendruckregelventil A3 zum Regeln des Zufuhrdrucks des Oxidationsgases; und einen Befeuchter 35 zum Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsgasabgas (nasses Gas).
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat: eine Brenngaszufuhrquelle 41; eine Brenngasleitung 43, in welcher das von der Brenngaszufuhrleitung 41 zur Anode im Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführende Brenngas fließt; eine Zirkulationsleitung 44 zum Rückführen von Brenngasabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben wird, zur Brenngasleitung 43; eine Umwälzpumpe 45, die das Brenngasabgas in der Zirkulationsleitung 44 umwälzt, um selbiges der Brenngasleitung 43 zuzuführen; und eine Abgas-/Abwasserleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 wird beispielsweise von einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoffabsorbierenden Legierung oder Ähnlichem gebildet und speichert Wasserstoffgas mit hohem Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brenngasleitung 43. Der Druck des Brenngases wird beispielsweise über einen Regler H2 und einen Injektor 42 auf etwa 200 kPa verringert und das Brenngas wird dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
Die Zirkulationsleitung 44 ist mit einem Sperrventil H4 zum Absperren des Auslassens von Brenngasabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Abgas-/Abwasserleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt, verbunden. Die Abgas-/Abwasserleitung 46 ist mit einem Abgas-/Abwasserventil H5 vorgesehen. Das Abgas-/Abwasserventil H5 wird durch eine Anweisung vom Controller 60 betätigt, um Wasser sowie Verunreinigungen enthaltendes Brennabgas in der Zirkulationsleitung 44 nach außen auszugeben.
Das vom Abgas-/Abwasserventil H5 abgegebene Brenngasabgas wird mit dem Oxidationsgasabgas, das durch die Oxidationsgasabgasleitung 34 strömt, vermischt und durch einen Verdünner (nicht dargestellt) verdünnt. Die Umwälzpumpe 45 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brenngasabgas im Zirkulations- bzw. Umwälzsystem zu zirkulieren und selbiges dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
Das Leistungssystem 50 umfasst einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler 51, eine Batterie (Leistungsspeichervorrichtung) 52, einen Antriebs- bzw. Traktionsinverter 53, einen Antriebs- bzw. Traktionsmotor 54 und Hilfsaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 dient zum Erhöhen einer Gleichstromspannung, die von der Batterie 52 zugeführt wird, und Ausgeben der resultierenden Spannung an den Antriebswandler 53; sowie zum Absenken einer Gleichstromspannung, die durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder der Spannung einer regenerativen Leistung, die vom Antriebsmotor 54 als Ergebnis regenerativen Bremsens erzeugt wird, um die Batterie 52 mit der resultierenden Leistung zu laden.
Die Batterie 52 fungiert als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung; als Speicherquelle für regenerative Leistung während eines regenerativen Bremsvorgangs; oder als Energiepuffer für eine Laständerung, die aus der Beschleunigung oder Verzögerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs resultiert. Geeignete Beispiele für die Batterie 52 können einen Akku wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium Batterie, eine Nickel-Wasserstoff Batterie und eine Lithium Batterie umfassen. Ein SOC(Ladezustand)-Sensor ist an der Batterie 52 angebracht, um den Ladezustand, der die verbleibende Leistung der Batterie 52 darstellt, zu erfassen.
Der Antriebsinverter 53 kann beispielsweise ein PWM-Inverter sein, der vermittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird, wobei der Antriebsinverter 53 eine Gleichstromspannung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, entsprechend einem Steuerbefehl vom Controller 60 in eine Dreiphasenwechselstromspannung wandelt und ein Drehmoment des Antriebsmotors 54 steuert. Der Antriebsmotor 54 kann beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor sein, der eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt.
Die Hilfsaggregate 55 sind ein Sammelbegriff für Motoren, die in den jeweiligen Teilen des Brennstoffzellensystems angeordnet sind (z. B. Leistungsquellen für die Pumpen), Inverter zum Ansteuern/Antreiben dieser Motoren und verschiedene Arten von Fahrzeugbasierten Hilfsaggregaten (z. B. Luftkompressor, Injektor, Kühlwasserumwälzpumpe, Radiator, etc.).
Der Controller 60 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einen RAM, Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellen und dergleichen, wobei der Controller 60 die Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Wenn beispielsweise ein Startsignal IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, empfangen wird, beginnt der Controller 60 mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält die vom gesamten System benötigte Leistung basierend auf einem Beschleunigeröffnungsgradsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird. Die für das gesamte System benötigte elektrische Leistung ist die Summe der Menge an elektrischer Leistung für das Fahren des Fahrzeugs und der Menge an elektrischer Leistung für die Hilfsaggregate.
Die elektrische Leistung für die Hilfsaggregate umfasst die elektrische Leistung, die durch die Fahrzeugbasierten Hilfsaggregate (Befeuchter, Luftverdichter, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserumwälzpumpe, etc.) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von Geräten verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkgetriebe, Aufhängung, etc.), die elektrische Leistung, die von Gerätschaften verbraucht wird, die in einem Fahrgastraum angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.) und dergleichen.
Der Controller 60 bestimmt das Verteilungsverhältnis der von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenen elektrischen Leistung und der von der Batterie 52 ausgegebenen elektrischen Leistung und steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40 so, dass die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung mit einer elektrischen Sollleistung übereinstimmt. Der Controller 60 steuert ferner den Gleichstromwandler 51 derart, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu regeln und dadurch den Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Zelle 21, welche den Brennstoffzellenstapel 20 bildet.
Die Zelle 21 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 22, eine Anode 23, eine Kathode 24 sowie Separatoren 26 und 27. Die Anode 23 und die Kathode 24 sind Diffusionselektroden mit einem sandwichartigen Aufbau, bei welchem derartige Elektroden die Polymerelektrolytmembran 22 sandwichartig von deren beiden Seiten umfassen.
Die Separatoren 26 und 27 bestehen aus Gasundurchlässigen leitfähigen Elementen und nehmen die vorstehend genannte Sandwichstruktur sandwichartig von ihren beiden Seiten auf und bilden einen Brenngasströmungspfad und einen Oxidationsgasströmungspfad zwischen den Separatoren und der Anode 23 und der Kathode 24. Der Separator 26 ist mit Rippen 26a ausgestaltet, die im Querschnitt eine vertiefte Form haben.
Dadurch, dass die Rippen 26a an der Anode 23 anliegen können, sind die Öffnungen der Rippen 26a verschlossen, wodurch der Brenngasströmungspfad ausgebildet wird. Der Separator 27 ist mit Rippen 27a ausgebildet, die im Querschnitt eine vertiefte Form haben. Dadurch, dass die Rippen 27a an der Kathode 24 anliegen können, sind die Öffnungen der Rippen 27a verschlossen, wodurch der Oxidationsgasströmungspfad ausgebildet wird.
Die Anode 23 umfasst: eine Katalysatorschicht 23a die als Hauptbestandteil Carbonpulver bzw. Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platinbasierten Metallkatalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru, etc.) trägt und mit der Polymerelektrolytmembran 22 in Kontakt steht; sowie eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig als auch Elektronenleitend ist. Die Kathode umfasst ebenfalls eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b, die in der gleichen Weise ausgestaltet sind.
Genauer gesagt werden die Katalysatorschichten 23a und 24a durch Verteilen des Kohlenstoffpulvers, welches das Platin oder eine aus Platin und anderen Metallen bestehende Legierung trägt, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gebildet, Hinzufügen einer geeigneten Menge einer Elektrolytlösung, um diese in eine Paste umzuwandeln, und Film- bzw. Raster- oder Siebdrucken der Paste auf die Polymerelektrolytmembran 22 gebildet. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b können aus Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz, der aus Kohlenstofffasergarn gewoben wird, gebildet werden.
Die Polymerelektrolytmembran 22 ist eine Protonenleitende Ionenaustauschmembran aus einem Solidpolymermaterial (z. B. fluoriertem Harz bzw. Fluorharz), wobei eine derartige Polymerelektrolytmembran 22 im nassen Zustand eine besondere elektrische Leitfähigkeit zeigt. Die Polymerelektrolytmembran 22, die Anode 23 und die Kathode 24 bilden eine Membranelektrodenanordnung 25.
3 ist ein Zeitschaubild, das die Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems 10 zeigt.
Das Brennstoffzellensystem 10 ist derart ausgestaltet, um seine Leistungserzeugungseffizienz durch Schalten der Operationsmodi des Brennstoffzellenstapels 20 entsprechend der Arbeits- bzw. Betriebslast zu verbessern.
Beispielsweise führt das Brennstoffzellensystem 10 in einem Hochlastbereich mit hoher Leistungserzeugungseffizienz (einem Betriebsbereich, in welchem die geforderte zu erzeugende Leistung gleich oder höher als ein vorgegebener Wert ist) einen normalen Lastbetrieb bzw. Normallastbetrieb aus, in welchem der Betrieb derart gesteuert wird, dass ein Leistungserzeugungsbefehlswert für die Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Öffnungsgrad eines Beschleunigers und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird und die für das Fahren des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung sowie die für den Betrieb des Systems benötigte elektrische Leistung nur durch die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung oder durch die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung und die von der Batterie 52 zugeführte elektrische Leistung abgedeckt werden
In einem Niedriglastbereich mit einer niedrigen Leistungserzeugungseffizienz (einen Betriebsbereich, der die Bedingung zum Ausführen eines intermittierenden Betriebs erfüllt) führt das Brennstoffzellensystem 10 dagegen einen intermittierenden Betrieb aus, in welchem der Betrieb derart gesteuert wird, dass ein Leistungserzeugungssollwert für den Brennstoffzellenstapel auf Null gesetzt wird und die für das Fahren des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung sowie die für den Betrieb des System benötigte elektrische Leistung durch die von der Batterie 52 zugeführte elektrische Leistung abgedeckt wird. Es sei angemerkt, dass die Zellspannung während des intermittierenden Betriebs relativ hoch gehalten wird, da die Fahrbarkeit abnimmt, wenn die Zellspannung niedrig ist und eine Hochlastanforderung (Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung) während des intermittierenden Betriebs erhalten wird.
Wenn das Fahrzeug gestoppt ist, beispielsweise unmittelbar nachdem das Fahrzeug gestartet wurde oder während das Fahrzeug an einer roten Ampel steht, in anderen Worten, wenn der Schalthebel in einer P-Stellung oder N-Stellung ist, oder wenn das Bremspedal niedergedrückt und die Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist, obgleich der Schalthebel in der D-Stellung ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 einen Leerlaufbetrieb durch, in welchem der Brennstoffzellenstapel 20 betrieben wird, um elektrische Leistung mit einer Leistungserzeugungsspannung zu erzeugen, die benötigt wird, um die Fahrbarkeit zu gewährleisten, während die Batterie 52 mit der erzeugten Leistung geladen wird.
In einem Zustand, bei welchem die Kathode 24 bei hoher Spannung gehalten wird, beispielsweise während des vorstehend beschriebenen Leerlaufbetriebs, kann ein Platinkatalysator in der Katalysatorschicht 24a aufgelöst werden, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Hochpotenzialvermeidungssteuerung (OC-Vermeidungsbetrieb) betrieben wird, bei welcher die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels derart gesteuert wird, dass sie eine obere Grenzspannung V1 nicht übersteigt, um dadurch die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhalten. Die obere Grenzspannung V1 wird beispielsweise auf etwa 0,9 V pro Zelle eingestellt.
4 zeigt ein Flussschaubild, das den Ablauf zum Ausführen eines Auffrischungsprozesses zeigt, wenn, als eine Bedingung, die Restleistung in der Batterie 52 einen vorgegebenen Grenz- bzw. Schwellenwert übersteigt. Dieses Flussschaubild wird nun nachstehend beschrieben, wobei in Bedarf auf 3 Bezug genommen wird.
Wenn der Controller 60 ein Signal zum Anweisen eines Leerlaufbetriebs während eines Normallastbetriebs (Schritt S1) erfasst, wechselt der Controller 60 den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 vom Normallastbetrieb in den Leerlaufbetrieb (Schritt S3). Der vorstehend beschriebene OC-Vermeidungsbetrieb wird während dieses Leerlaufbetriebs ausgeführt.
Beispiele für das Signal zum Anweisen des Leerlaufbetriebs umfassen: ein Beschleunigeröffnungsgradsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, zeigt an, dass der Beschleunigeröffnungsgrad Null ist (d. h. der Beschleuniger AUS ist); und ein Bremsgradsignal, das von einem Bremssensor ausgegeben wird, zeigt an, dass der Bremsgrad voll ist.
Dann bestimmt der Controller 60 ob die Gesamtmenge des Oxidbelags, der auf der Platinkatalysatoroberfläche der Katalysatorschicht 24a ausgebildet ist, eine vorgegebene Menge α übersteigt (Schritt S5 zum Zeitpunkt t2 in 3). Die Gesamtmenge des Oxidbelags wird beispielsweise Bezug nehmend auf das in 5 gezeigte Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld aus 5 zeigt die Beziehung zwischen der seit dem vorherigen Auffrischungsprozess verstrichenen Zeit (horizontale Achse) einem Leistungserzeugungsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 (vertikale Achse) und der Gesamtmenge des Oxidbelags und dessen Aufteilung (durchgezogene Linie und gestrichelte Linie in 5). Dieses Kennfeld wurde basierend auf Experimenten und Simulationen erstellt und in einem Speicher des Controllers 60 hinterlegt.
Aus 5 ist ersichtlich, dass der Leistungserzeugungsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 mit Verstreichen der Zeit vom vorherigen Auffrischungsprozess abnimmt, und die Abnahmerate des Leistungserzeugungsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 relativ zur verstrichenen Zeit seit dem vorherigen Auffrischungszeitpunkt, d. h. der Einfluss auf die Verschlechterung der Leistung der Katalysatorschicht 24a, entsprechend der Zunahme der Menge eines Typ-II Oxidbelags im gesamten Oxidbelag zunimmt (als „Belag 2” in 5 bezeichnet).
Dies zeigt ferner, dass ein Oxidbelag mit einem Typ-II Oxidbelag einen größeren Einfluss auf die Leistungsverschlechterung der Katalysatorschicht 24a hat als ein Oxidbelag, der nur aus einem Typ-I Oxidbelag besteht (als „Belag 1” in 5 bezeichnet), und dass, wenn der Oxidbelag einen Typ-II Oxidbelag umfasst, dessen Einfluss auf die Leistungsverschlechterung der Katalysatorschicht 24a umso größer wird, je höher das Mengenverhältnis bzw. der Anteil des Typ-II Oxidbelags ist.
Der Typ-I Oxidbelag, der Typ-II Oxidbelag und der Typ-III Oxidbelag werden nachfolgend beschrieben. Diese Oxidbeläge können dabei als Beläge im vermischten Zustand in einem einzelnen Oxidbelag vorliegen. Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf einer konstanten Oxidbelagbildungsspannung (Oxidationsspannung) gehalten wird, ist bekannt, dass die Anteile dieser drei Arten von Oxidbelägen im Gesamtoxidbelag allmählich variieren, je länger die Zeit geht, wie beispielsweise in 6 gezeigt ist. Darüber hinaus ist bekannt, dass die Größen ihrer Reduzierungsspannungen die nachfolgend dargestellte Beziehung zeigen:
Typ-I Oxidbelag (z. B. 0,65 V bis 0,9 V) > Typ-II Oxidbelag (z. B. 0,4 V bis 0,6 V) > Typ-III Oxidbelag (z. B. 0,05 V bis 0,4 V).
Zudem ist bekannt, dass die jeweiligen Anteile des Typ-I Oxidbelags, des Typ-II Oxidbelags und des Typ-III Oxidbelags im Gesamtoxidbelag allmählich variieren, je öfter die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorgegebene Grenzspanne (z. B. 0,8 V) während ihres Ansteigens und Abnehmens (nachfolgend als „Zykluszahl”) übersteigt, wie beispielsweise in 7 dargestellt ist (der Typ-III Oxidbelag ist in 7 nicht dargestellt).
Während des Leerlaufbetriebs wird der Brennstoffzellenstapel 20 betrieben, um elektrische Leistung mit einer konstanten Spannung zu erzeugen, wie in 3 dargestellt ist, und diese Leistungserzeugungsspannung ist eine Oxidationsspannung. Dementsprechend wird zu diesem Zeitpunkt ein Oxidbelag auf der Katalysatorschicht 24a ausgebildet. Der Controller 60 nimmt einen bestimmten Zeitpunkt während des Leerlaufbetriebs als Startzeitpunkt an, ermittelt eine Menge der Abnahme des Leistungserzeugungsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 wenn eine vorgegebene Zeit seit dem Startzeitpunkt verstrichen ist, und berechnet die Abnahmerate des Leistungserzeugungsstroms aus der Menge der Abnahme (der Gradient einer jeden Linie in 5 entspricht einer derartigen Abnahmerate). Dann wendet der Controller 60 die berechnete Abnahmerate des Leistungserzeugungsstroms auf das in 5 gezeigte Kennfeld an, um dadurch in Schritt S5 die Gesamtmenge des Oxidbelags und dessen Aufteilung (z. B. das Mengenverhältnis bzw. den Anteil des Typ-II Oxidbelags) zu erhalten (zum Zeitpunkt t1 aus 3).
Wenn die so erhaltene Gesamtmenge des Oxidbelags die vorgegebene Menge α übersteigt (Schritt S5: JA), fährt der Controller 60 mit dem Leerlaufbetrieb fort (zum Zeitpunkt t3 aus 3) und lädt die Batterie 52 mit der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung (Schritt S7). Wenn die Restleistung in der Batterie dann gleich oder niedriger als eine vorgegebene Menge β (z. B. 50%) ist (Schritt S9: NEIN), kehrt der Controller 60 zurück zu Schritt S7 und fährt mit dem Leerlaufbetrieb fort, um das Laden der Batterie 52 mit der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung fortzusetzen.
Wenn dagegen die Restleistung in der Batterie (als „SOC” in 4 bezeichnet) den vorgegebenen Wert β übersteigt (Schritt S9: JA), wechselt der Controller 60 den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 vom Leerlaufbetrieb in einen intermittierenden Betrieb (Schritt S11). Danach bestimmt der Controller 60, wenn der Controller 60 ein Signal zum Anweisen des Stopps des intermittierenden Betriebs erfasst, ob die Gesamtmenge des Oxidbelags eine vorgegebene Menge α' übersteigt (Schritt S13).
Da die Bestimmung aus Schritt S13 abgesehen davon, dass verschiedene Grenzwerte, d. h. die vorgegebene Menge α und die vorgegebene Menge α', verwendet werden, gleich der Bestimmung aus Schritt S5 ist, wird hier auf eine erneute Beschreibung von Schritt S13 verzichtet.
Es sei angemerkt, dass Beispiele für das Signal zum Anweisen des Stopps des intermittierenden Betriebs ein Beschleunigeröffnungsgradsignal ACC umfassen, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird und anzeigt, dass der Öffnungsgrad des Beschleunigers ein vorgegebener Grad oder mehr ist (d. h. der Beschleuniger ist AN).
Wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags die vorgegebene Menge α' übersteigt (Schritt S13: JA), führt der Controller 60 den Auffrischungsprozess aus (Schritt S15 zum Zeitpunkt t4 aus 3) und wechselt danach den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vom intermittierenden Betrieb in den Normallastbetrieb (Schritt S17). Wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags dagegen gleich oder niedriger als die vorgegebene Menge α' ist (Schritt S13: NEIN), wechselt der Controller 60 den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 vom intermittierenden Betrieb in den Normallastbetrieb ohne den Auffrischungsprozess auszuführen (Schritt S17).
Der Auffrischungsprozess wird nachfolgend beschrieben.
Im Brennstoffzellenstapel 20 gelangen Wasserstoffionen, die, wie durch die vorstehend genannte Formel (1) gezeigt ist, an der Kathode 23 erzeugt werden, durch die Elektrolytmembran 22 und bewegen sich zur Kathode 24, und die zur Kathode 24 gelangten Wasserstoffionen reagieren elektrochemisch mit Sauerstoff im Oxidationsgas, das der Kathode 24 zugeführt wird, und verursachen eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffs, wie durch die vorstehend genannte Formel (2) dargestellt ist. Aufgrund dessen wird die Platinkatalysatoroberfläche der Katalysatorschicht 24 von einem Oxidbelag bedeckt, der den Wirkbereich verringert und die Leistungserzeugungseffizienz (Ausgabeeigenschaften) herabsetzt.
Der Auffrischungsprozess ist ein Prozess, bei welchem die Zellspannung für eine vorgegebene Zeitspanne (nachfolgend auch als „Auffrischungszeitspanne” bezeichnet) auf eine Reduzierungs- bzw. Verringerungsspannung (nachfolgend auch als „Auffrischungsspannung” bezeichnet) abgesenkt wird, um den Oxidbelag zu verringern und selbigen von der Katalysatoroberfläche zu entfernen. Genauer gesagt wird die Spannung einer jeden Zelle, also die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20, für eine vorgegebene Zeitspanne abgesenkt, um den Ausgangsstrom zu erhöhen und die an der Katalysatorschicht 24a auftretende elektrochemische Reaktion von einem Oxidationsreaktionsbereich in einem Reduktionsreaktionsbereich zu verschieben, wodurch die Katalysatoraktivität wiederhergestellt wird.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die vorgegebene Menge α', die für die Bestimmung aus Schritt S13 verwendet wird, ein Grenzwert zum Bestimmen der Notwendigkeit des Auffrischungsprozesses; wohingegen die vorgegebene Menge α, die für die Bestimmung aus Schritt S5 verwendet wird, und größer als die vorgegebene Menge α' ist, ein Grenzwert ist, um, wenn die Restleistung der Batterie 52 gleich oder niedriger als die vorgegebene Menge β ist, eine Restleistung der Batterie 52 sicherzustellen, die notwendig ist und ausreicht um die Verschlechterung der Fahrbarkeit zu unterdrücken, selbst wenn der Auffrischungsprozess auf eine Weise ausgeführt wird, die notwendig und ausreichend ist, um die Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a zu gewährleisten.
Wenn dementsprechend die Gesamtmenge des Oxidbelags gleich oder niedriger als die vorgegebene Menge α ist (Schritt S5: NEIN), ist es nicht notwendig, den Leerlaufbetrieb fortzuführen, um die Batterie 52 mit der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung zu laden. In diesem Fall werden bei der vorliegenden Ausführungsform daher die Prozesse der Schritte S7 und S9 übersprungen und der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10 wird vom Leerlaufbetrieb in den intermittierenden Betrieb geschaltet (Schritt S11).
Da die Hauptmerkmale der vorliegenden Ausführungsform wie vorstehend beschrieben in den Schritten S5, S7 und S9 aus 4 liegen, werden die Schritte S5, S7 und S9 nachstehend weiter beschrieben.
Wenn der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 vom Leerlaufbetrieb in den intermittierenden Betrieb gewechselt wird (Schritt S11) ohne die Prozesse der Schritte S7 und S9 auszuführen, wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags die vorgegebene Menge α übersteigt (Schritt S5: JA), könnte die Restleistung in der Batterie 52 nach dem Auffrischungsprozess ungenügend sein, so dass die Fahrbarkeit verschlechtert wird. Genauer gesagt wird, wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags groß ist, die notwendige Zeit für den Auffrischungsprozess (die Auffrischungszeitspanne) lang und die Menge der von der Batterie 52 ausgegebenen Leistung steigt an, was zu einer Situation führen kann, in welcher die Batterie 52 bei dem Erhalt einer plötzlichen Hochlastanfrage bzw. -anforderung nicht genug Restleistung hat.
Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird, um derartige Situationen zu vermeiden, die Restleistung in der Batterie 52 immer geprüft (Schritt S9), wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags groß ist (d. h. diese die vorgegebene Menge α übersteigt) (Schritt S5: JA). Wenn die Restleistung in der Batterie 52 ungenügend ist (d. h. gleich oder niedriger als die vorgegebene Menge β ist) (Schritt S9: NEIN), wird der Betrieb nicht unmittelbar in den intermittierenden Betrieb geschaltet (Schritt S11) selbst wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags den Wert erreicht hat, bei welchem der Auffrischungsprozess ausgeführt werden sollte (Schritt S5: JA); vielmehr wird der Zeitpunkt einer derartigen Verschiebung verzögert, um mit dem Laden der Batterie 52 in Leerlaufbetriebszustand fortzufahren (Schritt S7).
In anderen Worten: wenn die Gesamtmenge des Oxidbelags groß ist (d. h. die vorgegebene Menge α übersteigt) (Schritt S5: JA), misst die vorliegende Ausführungsform dem Sicherstellen der Restleistung in der Batterie 52 gegenüber dem Ausführen des Auffrischungsprozesses Priorität zu. Als Ergebnis wird, selbst wenn der Auffrischungsprozess für eine lange Auffrischungszeitspanne während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird und danach eine Hochlastanfrage auftritt, eine ausreichende Restleistung in der Batterie sichergestellt, wodurch folglich die Fahrbarkeit gewährleistet wird.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, bei welchem der Auffrischungsprozess ausgeführt wird, nachdem der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 vom intermittierenden Betrieb in den Normallastbetrieb geschaltet wurde. Wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, kann der Auffrischungsprozess jedoch auch zu einem Zeitpunkt (Zeitpunkt t5) unmittelbar nach dem Schalten des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vom Leerlauf in den intermittierenden Betrieb ausgeführt werden, oder zu einem bestimmten Zeitpunkt (Zeitpunkt t6) während des intermittierenden Betriebs.
Es sei angemerkt, dass die gestrichelte Linie in 8 anzeigt, wie die Zellspannung variiert, wenn der Auffrischungsprozess ausgeführt wird. Es sei ferner angemerkt, dass in der Darstellung von 8 zur Erläuterung ein Beispiel, bei welchem der Auffrischungsprozess zu einem Zeitpunkt (Zeitpunkt t5) unmittelbar nach dem Wechsel des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vom Leerlaufbetrieb in den intermittierenden Betrieb ausgeführt wird, und ein Beispiel, bei welchem der Auffrischungsprozess zu einem bestimmten Zeitpunkt (Zeitpunkt t6) während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird, in einer einzigen Abbildung gezeigt sind.
Wenn der Auffrischungsprozess während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird, kann die Auffrischungsspannung entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert werden, wie beispielsweise in 9 gezeigt ist.
Die gestrichelte Linie aus 9 zeigt, wie die Zellspannung variiert, wenn der Auffrischungsprozess ausgeführt wird. In der Darstellung von 9 sind zur Erläuterung ein erster Auffrischungsprozess mit einer Auffrischungsspannung, die auf V2 eingestellt ist (in 9 derart dargestellt, als ob dieser zum Zeitpunkt t7 ausgeführt wird) und ein zweiter Auffrischungsprozess mit einer Auffrischungsspannung, die auf V3 eingestellt ist, die niedriger als V2 ist (in 9 derart dargestellt, als ob dieser zum Zeitpunkt t8 ausgeführt wird), in einer einzigen Abbildung dargestellt.
Erster Auffrischungsprozess
Wenn die basierend auf dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert ε übersteigt, in anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass die Möglichkeit besteht, dass das Gaspedal für die Beschleunigung weiter durchgedrückt wird (wenn eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung vorhergesagt wird), wird die Auffrischungsspannung beispielsweise auf eine Spannung V2 eingestellt, die eine notwendige Spannung zum Entfernen des Typ-I Oxidbelags ist, um die Verschlechterung der Zellspannung weitest möglich zu unterdrücken und dadurch die Fahrbarkeit zu gewährleisten.
Zweiter Auffrischungsprozess
Wenn dagegen die basierend auf dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als der vorgegebene Wert ε ist, in anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Gaspedal zur Beschleunigung weiter durchgedrückt wird, niedrig ist (wenn keine Anforderung einer Ausgabeerhöhung vorhergesagt wird), ist es nicht unbedingt notwendig die Sicherstellung der Fahrbarkeit zu berücksichtigen, und die Auffrischungsspannung wird daher beispielsweise auf eine Spannung V3 verringert, die eine notwendige Spannung zum Entfernen des Typ-II Oxidbelags oder Typ-III Oxidbelags ist, um die Leistung der Katalysatorschicht 24a ausreichend wiederherzustellen.
Abwandlung des zweiten Auffrischungsprozesses
Der Auffrischungsprozess mit einer auf die Spannung V3 abgesenkten Auffrischungsspannung kann nicht nur im vorstehend beschriebenen Fall ausgeführt werden, bei dem die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als der vorgegebene Wert ε ist, sondern auch in dem Fall, bei welchem der Schalthebel in einer P-Stellung (Parken), N-Stellung (Neutral) oder B-Stellung (Motorbremse) ist. Dies hat den Grund, dass diese Fälle, in welchen der Schalthebel in diesen Stellungen ist, als Fälle betrachtet werden können, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Beschleunigung niedrig ist (Fälle, in welchen keine Anforderung einer Ausgabeerhöhung vorhergesagt wird).
Die vorstehende Ausführungsform beschreibt Beispiele, bei welchen die Auffrischungsspannung entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Stellung des Schalthebels verändert wird, wobei auch eine Konfiguration zum Ändern der Auffrischungszeitspanne möglich ist.
Wenn beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als der vorgegebene Wert ε ist, oder der Schalthebel in der P-Stellung, N-Stellung oder B-Stellung ist, kann die Auffrischungszeitspanne länger eingestellt werden als in dem Fall, bei welchem die Fahrzeuggeschwindigkeit den vorgegebenen Wert ε übersteigt, oder dem Fall, bei welchem der Schalthebel in anderen Stellung als der P-, N- und B-Stellung ist, beispielsweise in der D-Stellung.
Eine jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschreibt ein Beispiel, bei welchem das Brennstoffzellensystem 10 als Fahrzeugbasiertes Stromversorgungssystem genutzt wird, jedoch ist die Verwendung des Brennstoffzellensystems 10 hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem als Stromquelle für andere bewegliche Objekte (Roboter, Schiffe, Flugzeuge, etc.) als Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorstehenden Ausführungsformen kann zudem als Stromerzeugungsaggregat (stationäres Stromversorgungssystem) für Häuser und Gebäude, etc. verwendet werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; eine Leistungsspeichervorrichtung, die parallel zur Brennstoffzelle mit einer Last verbunden ist; und eine Steuervorrichtung, die einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Spannung ausführt, wobei ein intermittierender Betrieb, in welchem ein Leistungserzeugungssollwert der Brennstoffzelle auf Null gesetzt ist und die Leistungszufuhr zur Last durch die von der Leistungsspeichervorrichtung zugeführte Leistung abgedeckt wird, ausgeführt werden kann, wenn bestimmte Bedingungen zum Ausführen des intermittierenden Betriebs erfüllt sind, und der Leistungswiederherstellungsprozess während des intermittierenden Betriebs ausgeführt wird, und wobei, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist und eine Restleistung in der Leistungsspeichervorrichtung gleich oder niedriger als eine vorgegebene Menge ist, die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt zur Ausführung des intermittierenden Betriebs verzögert und die Leistungsspeichervorrichtung lädt, bis die Restleistung die vorgegebene Menge übersteigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle vorhersagt und den Umfang des Leistungswiederherstellungsprozesses basierend auf dem Vorhersageergebnis bestimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei dieses in einem Brennstoffzellenfahrzeug als Fahrzeugbasierte Stromquelle installiert ist, wobei die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle basierend auf einem Fahrzustand des Fahrzeugs vorhersagt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine erste Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Belagentfernungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgebildet wird, und wobei die Steuervorrichtung die vorgegebene Spannung, auf welche die Ausgangsspannung gesenkt werden soll, gemäß dem Vorhersageergebnis ändert, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei wobei ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine erste Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Belagentfernungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Belagentfernungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgebildet wird, und wobei die Steuervorrichtung eine Zeitspanne zum Ausführen des Leistungswiederherstellungsprozesses gemäß dem Vorhersageergebnis ändert, wenn der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist.