DE112012006188B4

DE112012006188B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112012006188B4
Application number: DE112012006188.8T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Tanaka Michihito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2032-04-07
Also published as: CN104205454A; WO2013150651A1; US20150171444A1; DE112012006188T5; JP5783324B2; JPWO2013150651A1; US9793558B2; DE112012006188B8; CN104205454B

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen;ein Brenngaszuführmittel, das der Anode ein Brenngas zuführt;ein Oxidationsgaszuführmittel, das der Kathode ein Oxidationsgas zuführt;ein Zustandserfassungsmittel, das einen trockenen/nassen Zustand der Einheitszelle erfasst; undein Steuermittel, welches das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert, so dass durch den Brennstoffzellenstapel, ansprechend auf eine benötigte elektrische Leistung, eine Leistungserzeugung ausgeführt wird, und welches ferner das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel basierend auf einem Erfassungsergebnis durch das Zustandserfassungsmittel steuert,wobei, wenn die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist und ein intermittierender Betrieb ausgeführt wird, in welchem die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel unterbunden wird, das Steuermittel die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels überwacht, so dass die Ausgangsklemmenspannung einen Wert annimmt, der gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und das Oxidationsgas basierend auf einem Ergebnis der Überwachung zuführt, undwobei das Steuermittel einen Ausgabegewährleistungsmodus ausführen kann, in welchem das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem nassen Zustand befindet, während das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem trockenen Zustand befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel, der ein Brennstoffzellensystem bildet, oxidiert Brennstoff durch einen elektrochemischen Prozess, um dadurch direkt Energie, die während dieser Oxidationsreaktion freigesetzt wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel hat eine Membranelektrodenanordnung, in welcher eine Polymerelektrolytmembran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, sandwichartig von einem Paar Elektroden aus einem porösen Material aufgenommen ist. Eine jede der Elektroden umfasst eine Katalysatorschicht, die als Hauptbestandteil Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platinbasierten Metallkatalysator trägt, und die mit der Polymerelektrolytmembran in Kontakt steht; und eine Gasdiffusionsschicht, die an einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist, wobei die Gasdiffusionsschicht sowohl luftdurchlässig als auch elektrisch leitend ist.
Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug, in welchem ein derartiges Brennstoffzellensystem als Stromquelle installiert ist, wird der Betrieb in einem Bereich mit hoher Ausgabe mit hoher Leistungserzeugungseffizienz derart gesteuert, dass der Brennstoffzellenstapel betrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, um die elektrische Leistung einem Fahrmotor sowohl von dem Brennstoffzellenstapel als auch einer Sekundärbatterie oder von nur dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, während der Betrieb in einem Bereich mit niedriger Ausgabe mit einer niedrigen Stromerzeugungseffizienz derart gesteuert wird, dass die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel vorübergehend gestoppt und die elektrische Leistung dem Fahrmotor nur von der Sekundärbatterie zugeführt wird. Das temporäre Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels in einem Niedriglastbereich mit niedriger Leistungserzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems wie oben beschrieben wird als „intermittierender Betrieb“ bezeichnet. Durch Ausführen eines derartigen intermittierenden Betriebs im Niedriglastbereich mit verringerter Leistungserzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems kann der Brennstoffzellenstapel in einem Bereich mit hoher Energieumwandlungseffizienz betrieben werden, und die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems als solches kann verbessert werden.
Von den Brennstoffzellensystemen, welche einen derartigen intermittierenden Betrieb ausführen, führt ein bekanntes System einen intermittierenden Betrieb aus, wenn eine Last, die vom Brennstoffzellenstapel abgedeckt werden muss, gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist. Wenn der Brennstoffzellenstapel in diesem Brennstoffzellensystem als Ergebnis des Ausführens des intermittierenden Betriebs in einen Leistungserzeugungsstoppzustand gebracht wird und die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels unter einen vorgegebenen Wert sinkt, steuert das Brennstoffzellensystem einen Luftkompressor an, um dem Brennstoffzellenstapel Sauerstoffgas zuzuführen, um die Zellspannung durch Beheben eines Mangels an Sauerstoff in der Kathode des Brennstoffzellenstapels wiederherzustellen, um dadurch eine Antwortverzögerung auf eine Leistungserzeugungsanfrage zu verbessern.
Bei dem vorstehend beschriebenen intermittierenden Betrieb wird die Zufuhr der Reaktionsgase zum Brennstoffzellenstapel gestoppt und eine Sollspannung für einen Gleichstromwandler, der parallel mit den Ausgangsklemmen des Brennstoffzellenstapels geschalten ist, wird auf eine Leerlauf- bzw. Kurzschlussspannung (OCV) gesetzt, so dass die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels auf eine Hochpotenzialvermeidungsspannung gesteuert wird, die eine Spannung darstellt, die niedriger als die Leerlaufspannung ist. Durch Beibehalten der Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels auf der Hochpotenzialvermeidungsspannung, die niedriger als die Leerlaufspannung ist, ist es möglich, den aus dem Brennstoffzellenstapel während des intermittierenden Betriebs fließenden Strom zu steuern.
Bei einem herkömmlichen intermittierenden Betrieb wird, um das Ausgabeantwortverhalten während des Beibehaltens der Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels auf der Hochpotenzialvermeidungsspannung oder darunter sicherzustellen, eine Lufteinblassteuerung ausgeführt, welche einen Luftkompressor ansteuert, um eine große Menge an Luft einzublasen, wenn die Ausgangsklemmenspannung auf einen vorgegebenen Grenzwert oder darunter sinkt. Wenn eine derartige Lufteinblassteuerung ausgeführt wird, steigt jedoch die Ausgangsklemmenspannung an und übersteigt die Leerlaufspannung (OCV), so dass es notwendig ist, einen derartigen Anstieg der Spannung durch Ansteuern des Gleichstromwandlers zu unterdrücken, um dadurch den Brennstoffzellenstapel zu veranlassen, elektrische Leistung zu erzeugen. Da die elektrische Leistung zum Zwecke der Beibehaltung der Ausgangsklemmenspannung auf einem Wert, der gleich oder niedriger als die Hochpotenzialvermeidungsspannung ist, ausgeführt wird, ist bevorzugt, das Ausführen einer derartigen Leistungserzeugung mit Blick auf die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems zu vermeiden. Diesbezüglich offenbart das nachfolgend genannte Patentdokument 1 ein Brennstoffzellensystem, das geeignet ist, die unnötige Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel während des Ausführens einer Hochpotenzialvermeidungssteuerung während des intermittierenden Betriebs zu vermeiden.
Das in Patentdokument 1 beschriebene Brennstoffzellensystem hat ein Brenngaszuführmittel, das einer Anode Brenngas zuführt; ein Oxidationsgaszuführmittel, das einer Kathode ein Oxidationsgas zuführt; sowie ein Steuermittel, das das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert und einen Brennstoffzellenstapel veranlasst, ansprechend auf eine benötigte Leistung eine Stromerzeugung auszuführen. Das Steuermittel überwacht die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels während eines intermittierenden Betriebs, so dass die Ausgangsklemmenspannung gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb wird, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb wird, und steuert basierend auf dem Ergebnis der Überwachung die Zufuhr des Oxidationsgases derart, dass eine geringe Menge Oxidationsgas kontinuierlich zugeführt wird.
Druckschriften aus dem Stand der Technik
Patentschriften
Patentschrift 1: JP 2010-244937 A
Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Hinsichtlich der Entwicklung einfacherer Brennstoffzellensysteme, die kostengünstiger sind, wurde es notwendig, auf einen Hochtemperaturzustand ohne Befeuchtung zu reagieren, und Elektrolytmembranen werden dünner. Da von außen keine Feuchtigkeit zugeführt wird, steigt der Bedarf der Befeuchtung durch Selbstleistungserzeugung. In derartigen Brennstoffzellensystemen, in welchen eine Feuchtigkeitssteuerung notwendig ist, um genau zu funktionieren, kann, wenn der Brennstoffzellenstapel während eines intermittierenden Betriebs trocken oder übermäßig nass ist, dies ein Hindernis für die Gewährleistung einer gewissen Ausgangsleistung darstellen, wenn der intermittierende Betrieb in einen normalen Betrieb überführt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der vorstehend genannten Probleme gemacht und hat zur Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das einen übermäßig nassen oder trockenen Zustand eines Brennstoffzellenstapels unterbinden kann, um dadurch die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.
Mittel zum lösen des Problems
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen; ein Brenngaszuführmittel, das der Anode ein Brenngas zuführt; ein Oxidationsgaszuführmittel, das der Kathode ein Oxidationsgas zuführt; ein Zustandserfassungsmittel, das einen trockenen/nassen Zustand der Einheitszelle erfasst; und ein Steuermittel, welches das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert, so dass durch den Brennstoffzellenstapel, ansprechend auf eine benötigte elektrische Leistung, eine Leistungserzeugung ausgeführt wird, und welches ferner das Brenngaszufuhrmittel und das Oxidationsgaszufuhrmittel basierend auf einem Erfassungsergebnis durch das Zustandserfassungsmittel steuert. Wenn die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist und ein intermittierender Betrieb ausgeführt wird, in welchem die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel unterbunden wird, überwacht das Steuermittel die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels, so dass die Ausgangsklemmenspannung einen Wert annimmt, der gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und das Oxidationsgas basierend auf einem Ergebnis der Überwachung zuführt. Zudem kann das Steuermittel einen Ausgabegewährleistungsmodus ausführen, in welchem das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem nassen Zustand befindet, während das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem trockenen Zustand befindet.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Abnahmerate der Spannung des Brennstoffzellenstapels anzeigt, wie nass die die Einheitszelle bildende Anode ist. Wenn die Anode nass wird, löst sich die Polymermembran, die die Anode und die Kathode bildet, und das Auftreten einer Leckströmung bzw. Undichtigkeit ist wahrscheinlich. Wenn somit festgestellt wird, dass sich die Einheitszelle in einem nassen Zustand befindet, wird das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt, so dass der nasse Zustand in einen trockenen Zustand übergeht. Wenn festgestellt wird, dass sich die Einheitszelle in einem trockenen Zustand befindet, wird das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zugeführt, so dass der trockene Zustand in einen nassen Zustand übergeht.
Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung erfasst das Zustandserfassungsmittel den trockenen/nassen Zustand der Einheitszelle vorzugswese durch Messen einer Spannungsabnahmerate, die eine Rate der Abnahme der Ausgangsklemmenspannung von der oberen Grenzspannung zur unteren Grenzspannung aufgrund eines Mangels an Sauerstoff ist, und das Steuermittel bestimmt, dass die Einheitszelle in einem trockenen Zustand ist, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder niedriger als eine untere Grenzrate ist, und bestimmt, dass die Einheitszelle in einem nassen Zustand ist, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder größer als eine obere Grenzrate ist.
Wenn die Leckströmung auftritt, wird Sauerstoff an der Kathode verbraucht, was zu einem Anstieg der Spannungsabnahmerate führt. Wenn die Spannungsabnahmerate daher übermäßig ansteigt, zeigt dies, dass die Anode zu nass ist, und wenn die Spannungsabnahmerate übermäßig verringert wird, zeigt dies, dass die Anode zu trocken ist. Bei der vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsform wird bestimmt, dass die Anode nässer wird, wenn die Spannungsabnahmerate schneller als die obere Grenzrate wird, so dass Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt wird, um dadurch die Polymermembran zu trocknen.
Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung umfasst das Oxidationsgaszuführmittel vorzugsweise einen Luftkompressor, und das Steuermittel veranlasst den Luftkompressor, für eine lange Zeit träge zu rotieren, wenn die Einheitszelle in einem nassen Zustand ist, und stoppt den Luftkompressor zwangsweise, wenn die Einheitszelle in einem trockenen Zustand ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Strömungsrate des Oxidationsgases, das der Einheitszelle zugeführt wird, durch Ändern des Rotationsmodus des Luftkompressors geändert, wodurch eine geeignete Gasströmung entsprechend dem nassen Zustand des Einheitszelle erzeugt werden kann.
Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung lernt das Steuermittel vorzugsweise die Beziehung zwischen der Spannungsabnahmerate und einer Ausgabe des Brennstoffzellenstapels, die nach dem intermittierenden Betrieb erzeugt wird, und ändert die Grenzrate für die Spannungsabnahmerate.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Beziehung zwischen der Ausgabe während des Betriebs und der Spannungsabnahmerate gelernt, um die Grenzrate zu ändern. Es ist daher möglich, leicht die Grenzrate entsprechend der Veränderung des Brennstoffzellenstapels über die Zeit einzustellen.
Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung überwacht das Steuermittel vorzugsweise den Übergang der Spannungsabnahmerate nach dem Start der Ausführung des Ausgabegewährleistungsmodus, und das Steuermittel korrigiert den oberen Grenzwert nach unten, wenn die Spannungsabnahmerate nicht ansteigt.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die obere Grenzspannung nach unten korrigiert, wenn die Spannungsabnahmerate nicht ansteigt, so dass der Brennstoffzellenstapel in einen nassen Zustand gebracht werden kann.
Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen; ein Brenngaszuführmittel, das der Anode ein Brenngas zuführt; ein Oxidationsgaszuführmittel, das der Kathode ein Oxidationsgas zuführt; und ein Steuermittel, welches das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert, so dass durch den Brennstoffzellenstapel, ansprechend auf eine benötigte elektrische Leistung, eine Leistungserzeugung ausgeführt wird. Wenn die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist und ein intermittierender Betrieb ausgeführt wird, in welchem die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel unterbunden wird, überwacht das Steuermittel die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels, so dass die Ausgangsklemmenspannung einen Wert annimmt, der gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und das Oxidationsgas basierend auf einem Ergebnis der Überwachung zuführt. Zudem misst das Steuermittel eine Spannungsabnahmerate, die eine Rate der Abnahme der Ausgangsklemmenspannung von der oberen Grenzspannung zu der unteren Grenzspannung aufgrund eines Mangels an Sauerstoff darstellt, und führt das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zu, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder größer als eine obere Grenzrate ist, und führt das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zu, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder niedriger als eine untere Grenzrate ist.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Abnahmerate der Spannung des Brennstoffzellenstapels anzeigt, wie nass die die Einheitszelle bildende Anode ist. Wenn die Anode nass wird, löst sich die Polymermembran, die die Anode und die Kathode bildet, und das Auftreten einer Leckströmung bzw. Undichtigkeit ist wahrscheinlich. Wenn die Leckströmung anhält, wird Sauerstoff an der Kathode verbraucht, was zu einer Zunahme der Spannungsabnahmerate führt. Wenn die Spannungsabnahmerate daher übermäßig ansteigt, zeigt dies, dass die Anode zu nass ist, und wenn die Spannungsabnahmerate übermäßig verringert wird, zeigt dies, dass die Anode zu trocken ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird daher bestimmt, dass die Anode nässer wird, wenn die Spannungsabnahmerate schneller als die obere Grenzrate wird, so dass Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt wird, um dadurch die Polymermembran zu trocknen. Daneben wird bestimmt, dass die Anode trockener wird, wenn die Spannungsabnahmerate langsamer als die untere Grenzrate wird, so dass Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zugeführt wird, um dadurch das Befeuchten der Polymermembran zu erleichtern.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das einen übermäßig nassen oder trockenen Zustand unterdrücken kann, um dadurch die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.
Figurenliste

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein Zeitschaubild zum Erläutern des Betriebszustands des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
3 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen der Spannungsabnahmerate, die beibehalten werden soll, und einer nach dem Ende des intermittierenden Betriebs erhaltenen Ausgabe darstellt; und
4 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen der während des intermittierenden Betriebs zugeführten Luftmenge und der Spannungsabnahmerate während des intermittierenden Betriebs darstellt.

Ausführungsform der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In jeder Zeichnung werden, sofern möglich, zur Erleichterung des Verständnisses der Beschreibung, gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird.
Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem FS, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, Bezug nehmend auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine Ansicht, die den Systemaufbau des Brennstoffzellensystems FS zeigt, das als Fahrzeugbasiertes Stromerzeugungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug dient. Das Brennstoffzellensystem FS kann an verschiedenen Fahrzeugen installiert werden, einschließlich Brennstoffzellenfahrzeugen (FCHV), elektrischen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen.
Das Brennstoffzellensystem FS hat eine Brennstoffzelle FC, ein Oxidationsgaszuführsystem ASS, ein Brenngaszuführsystem FSS, ein Antriebssystem HVS und ein Kühlsystem CS.
Das Oxidationsgaszuführsystem ASS ist ein System zum Zuführen von Luft, die als Oxidationsgas dient, zur Brennstoffzelle FC. Das Brenngaszufuhrsystem FSS ist ein System zum Zufuhren von Wasserstoffgas, das als Brenngas dient, zur Brennstoffzelle FC. Das Antriebssystem HVS ist ein System, welches einen Antriebsmotor DMa durch Zufuhr elektrischer Leistung zum Antriebsmotor DMa antreibt, und bildet ein Hybridsystem. Das Kühlsystem CS ist ein System zum Kühlen der Brennstoffzelle FC. Der Antriebsmotor DMa ist ein Motor, der Räder 92, 92 antreibt.
Nachfolgend wird eine Brennstoffzelleneinheit FCS beschrieben. Die in der Brennstoffzelleneinheit FCS enthaltene Brennstoffzelle FC ist gebildet durch einen Solidpolymerelektrolytzellenstapel, in dem zahlreiche Zellen CE (von denen eine jede eine einzelne Zelle (Stromerzeugungselement) mit einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt ist) in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle FC tritt, während des normalen Betriebs, die durch Formel (1) dargestellte Oxidationsreaktion an der Anode auf, während die durch Formel (2) dargestellte Reduktionsreaktion an der Kathode auftritt, und die durch Formel (3) dargestellte elektrogene Reaktion in der gesamten Brennstoffzelle FC auftritt. H₂ → 2H⁺ + 2e^- (1) (½)O₂ + 2H⁺ +2e^- → H₂O (2) H₂ + (½)O₂ → H₂O (3)
Die Brennstoffzelleneinheit FCS umfasst auch eine Wasserstoffpumpe HPa und ein Auslass-/Entlüftungsventil EVc in einem Bereich, in den die Brennstoffzelle FC mit dem Brenngaszuführsystem FSS verbunden ist.
Das der Brennstoffzelle FC zugeführte Brenngas trägt zur elektrogenen Reaktion in der Brennstoffzelle FC bei und wird aus der Brennstoffzelle FC als Abgas ausgestoßen. Ein Teil des aus der Brennstoffzelle FC ausgestoßenen Brenngasabgases kann durch die Wasserstoffpumpe HPa zurückgeführt werden, um der Brennstoffzelle FC zusammen mit dem vom Brenngaszufuhrsystem zugeführten Brenngas erneut zugeführt zu werden. Daneben wird, durch den Betrieb des Auslass-/Entlüftungsventils EVc ein Teil des Brenngasabgases durch einen Brenngasabgasströmungspfad FS2 geströmt, um zusammen mit Oxidationsgasabgas ausgegeben zu werden.
Das Auslass-/Entlüftungsventil EVc ist ein Ventil, das ansprechend auf einen Befehl von einem Controller ECU arbeitet, um Wasser sowie Verunreinigungen enthaltendes Brenngasabgas in einem Zirkulationsströmungspfad nach außen abzugeben. Wenn das Auslass-/Entlüftungsventil EVc geöffnet wird, wird die Konzentration an Verunreinigungen im Brenngasabgas im Zirkulationsströmungspfad verringert und, als Ergebnis hiervon, die Konzentration des Wasserstoffs im Brenngasabgas, das durch das Zirkulationssystem fließt, kann erhöht werden.
Das über das Auslass-/Entlüftungsventil EVc ausgegebene Brenngasabgas wird mit dem durch ein Oxidationsgasabgasströmungspfad AS2 strömendes Oxidationsgasabgas vermischt und durch einen Verdünner (in 1 nicht ausdrücklich dargestellt) verdünnt, um dadurch zu einem Schalldämpfer (in 1 nicht ausdrücklich dargestellt) geführt zu werden.
Das Brenngaszuführsystem FSS wird nachfolgend beschrieben. Das Brenngaszuführsystem FSS hat einen Hochdruckwasserstofftank FS1 und ein elektromagnetisches Ventil DVa.
Der Hochdruckwasserstofftank FS1 speichert Wasserstoffgas unter hohem Druck (z.B. 35 MPa bis 70 MPa).
Das elektromagnetische Ventil DVa ist ein Ventil, das den Druck des Brenngases, das Brennstoffzelle FC zugeführt werden soll, regelt, und das auch die Zufuhr des Brenngases zur Brennstoffzelle FC regelt und die Zufuhr stoppt. Der Druck des Brenngases wird durch das elektromagnetische Ventil DVa beispielsweise auf etwa 200 kPA verringert und das Brenngas wird anschließend der Brennstoffzelle FC zugeführt.
Nachfolgend wird das Oxidationsgaszuführsystem ASS beschrieben. Das Oxidationsgaszufiihrsystem ASS hat einen Luftkompressor 62, ein FC-Einlass-Dreiwegeventil TVa und ein integriertes Ventil DVb. Das Oxidationsgaszufuhrsystem ASS umfasst auch einen Oxidationsgasströmungspfad AS1, durch welchen Luft, die als Oxidationsgas dient, das der Kathode der Brennstoffzelle FC zugeführt werden soll, strömt, sowie einen Oxidationsgasabgasströmungspfad AS2, durch welchen das Oxidationsgasabgas, das aus der Brennstoffzelle FC ausgestoßen wird, strömt.
Der Luftkompresor 62 und das FC-Einlass-Dreiwegeventil TVa sind in dieser Reihenfolge von der Einlassseite des Oxidationsgasströmungspfades AS 1 hin zur Brennstoffzelle FC im Oxidationsgasströmungspfad AS 1 angeordnet. Das integrierte Ventil DVb ist im Oxidationsgasabgasströmungspfad AS2 angeordnet. Das integrierte Ventil DVb dient als Staudruckregelventil.
Das FC-Einlass-Dreiwegeventil TVa ist ein Ventil zum Regeln der durch den Oxidationsgasströmungspfad AS 1 zur Brennstoffzelle FC strömenden Luft und der durch einen Bypassströmungspfad 69, der den Oxidationsgasströmungspfad AS1 und den Oxidationsgasabgasströmungspfad AS2 verbindet, strömenden Luft. Wenn eine große Menge an Luft in der Brennstoffzelle FC benötigt wird, wird der Öffnungsgrad des FC-Einlass-Dreiwegeventils TVa geregelt, so dass eine größere Menge an Luft in Richtung zur Brennstoffzelle FC strömen kann, und wenn die Brennstoffzelle FC nicht so viel Luft benötigt, wird der Öffnungsgrad des FC-Einlass-Dreiwegeventils TVa geregelt, so dass eine größere Menge an Luft in Richtung zum Bypassströmungspfad 69 fließen kann. Ein Drucksensor Pt ist zwischen der Brennstoffzelle FC und dem integrierten Ventil DVb angeordnet.
Das Antriebssystem HVS wird nachfolgend beschrieben. Das Antriebssystem HVS hat einen Brennstoffzellenspannungs-Erhöhungsteil, eine Leistungssteuereinheit und eine Sekundärbatterie BTa. Der Brennstoffzellenspannungs-Erhöhungsteil hat einen Brennstoffzellenspannungs-Erhöhungswandler (Ausgabezufuhrteil) und ein Relay. Der Brennstoffzellenspannungs-Erhöhungswandler erhöht die Spannung der Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt wird und speist die resultierende Spannung in die Leistungssteuereinheit. Mit dieser Spannungswandlungssteuerung durch den Spannungserhöhungswandler kann der Arbeitspunkt (die Ausgangsklemmenspannung und der Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC gesteuert werden.
Die Leistungssteuereinheit hat einen Batteriespannungs-Erhöhungswandler und einen Antriebsinverter. Die vom Brennstoffzellenspannungs-Erhöhungswandler zugeführte Leistung wird dem Batteriespannungs-Erhöhungswandler und dem Antriebsinverter zugeführt.
Der Batteriespannungs-Erhöhungswandler hat eine Funktion zum Erhöhen der Spannung der Gleichstromleistung, die von der Sekundärbatterie BTa zugeführt wird, und Ausgeben der resultierenden Leistung an den Antriebsinverter, sowie eine Funktion zum Senken der Spannung der Gleichstromleistung, die von der Brennstoffzelle FC erzeugt wird, oder der Spannung einer regenerativen Leistung, die durch den Antriebsmotor DMa als Ergebnis eines regenerativen Bremsens (Rekuperation) gesammelt wird, um die Sekundärbatterie BTa mit der resultierenden Leistung zu laden.
Die Sekundärbatterie BTa fungiert als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung; als Speicherquelle für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsvorgangs; oder als Energiepuffer für einen Lastwechsel der einhergeht mit der Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Sekundärbatterien wie beispielsweise Nickel-Cadmiumbatterien, Nickel-Wasserstoffbatterien oder Lithium-Akkus, etc. können für die Sekundärbatterie BTa verwendet werden. Ein SOC-Sensor Tg, der die Laderate erfasst, ist an der Sekundärbatterie BTa angebracht.
Der Traktionsinverter ist mit dem Antriebsmotor DMa verbunden. Der Traktionsinverter kann beispielsweise ein PWM-Inverter sein, der durch Pulsweitenmodulation angesteuert wird. Der Traktionsinverter wandelt eine Gleichstromspannungsausgabe von der Brennstoffzelle FC oder Sekundärbatterie BTa in eine Dreiphasenwechselstromspannung entsprechend einem Steuerbefehl vom Controller ECU um und steuert das Drehmoment des Antriebsmotors DMa. Der Antriebsmotor DMa kann beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor sein, der eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt.
Nachfolgend wird das Kühlsystem CS beschrieben. Das Kühlsystem CS hat einen Hauptradiator RMa und eine Wasserpumpe WPa.
Der Hauptradiator RMa ist mit einem Hauptradiatorgebläse ausgestaltet. Der Hauptradiator RMa lässt zu, dass ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle FC Wärme abgibt, um dadurch eine Kühlung zu erreichen.
Die Wasserpumpe WPa ist eine Pumpe zum Zirkulieren des Kühlmittels zwischen der Brennstoffzelle FC und dem Hauptradiator RMa. Durch den Betrieb der Wasserpumpe WPa fließt das Kühlmittel durch einen Kühlmittelzuführpfad vom Hauptradiator RMa zur Brennstoffzelle FC.
Das Brennstoffzellensystem hat den Controller ECU (Ausgabezuführteil) als Gesamtsteuermittel. Der Controller ECU ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und Eingabe-/Ausgabeschnittstellen, und der Controller ECU steuert jeden Teil des Brennstoffzellensystems FS. Beispielsweise startet der Controller ECU, ansprechend auf den Empfang eines Startsignals IG von einem Startschalter, den Betrieb des Brennstoffzellensystems FS. Der Controller ECU ermittelt dann die vom gesamten Brennstoffzellensystem benötigte elektrische Leistung beispielsweise basierend auf einem Beschleunigeröffnungsgradsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird. Die vom gesamten Brennstoffzellensystem FS benötigte elektrische Leistung ist die Summe der Menge an elektrischer Leistung zum Fahren des Fahrzeugs und der Menge an elektrischer Leistung für Hilfsaggregate.
Die elektrische Leistung für Hilfsaggregate umfasst die elektrische Leistung die durch Fahrzeugbasierte Hilfsaggregate (Befeuchter, Luftverdichter, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, etc.) verbraucht wird, die elektrische Leistung die durch Vorrichtungen verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkung, Aufhängung, etc.), die elektrische Leistung die durch im Fahrgastraum angeordnete Vorrichtungen (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.) verbraucht wird, und dergleichen.
Der Controller ECU bestimmt das Verteilungsverhältnis der von der Brennstoffzelle FC ausgegebenen elektrischen Leistung und der von der Sekundärbatterie BTa ausgegebenen elektrischen Leistung. Der Controller ECU steuert das Oxidationsgaszuführsystem ASS und das Brenngaszuführsystem FSS, so dass die Menge der durch die Brennstoffzelle FC erzeugten elektrischen Leistung mit einer Sollleistung übereinstimmt. Der Controller ECU steuert auch ein FC-Spannungs-Erhöhungsteil FDC, um dadurch den Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC zu steuern.
Um ein Sollmoment entsprechend dem Öffnungsgrad des Beschleunigers zu erhalten, gibt der Controller ECU beispielsweise als Schaltbefehle die Wechselstromspannungssollwerte für die jeweiligen U-, V- und W-Phasen des Antriebsinverters aus, um dadurch das Ausgangsmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors DMa zu steuern. Zudem steuert der Controller ECU das Kühlsystem CS, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle FC eine geeignete Temperatur hat.
Beim Brennstoffzellensystem FS gemäß der vorliegenden Ausführungsform vergleicht der Controller ECU die benötigte elektrische Leistung mit einem vorgegebenen Wert X und bestimmt dadurch, ob ein intermittierender Betrieb oder ein normaler Betrieb auszuführen sind. Der vorgegebene Wert X ist ein Grenzwert, der derart eingestellt ist, dass die Leistungserzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems FS sich nicht verschlechtert. Ein intermittierender Betriebsmodus wird eingestellt, wenn ein Vergleichsergebnis anzeigt, dass die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als der vorgegebene Wert X ist, während ein normaler Betriebsmodus eingestellt wird, wenn das Vergleichsergebnis anzeigt, dass die benötigte elektrische Leistung den vorgegebenen Wert X übersteigt.
Der intermittierende Betriebsmodus ist ein Modus, in welchem die Leistungs- bzw. Stromerzeugung durch das Brennstoffzellensystem FS gestoppt wird, und der Antriebsmotor DMa nur durch die Sekundärbatterie BTa angetrieben wird. Der normale Betriebsmodus ist ein Modus, in welchem das Brennstoffzellensystem FS betrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, so dass der Antriebsmotor DMa durch die erzeugte Leistung angetrieben wird. Die Sekundärbatterie BTa kann auch zusammen mit dem Brennstoffzellensystem FS im normalen Betriebsmodus verwendet werden.
Der Controller ECU führt eine Steuerung, wie in 2 gezeigt, im intermittierenden Betriebsmodus aus. Der Controller ECU überwacht die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle FC und die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle FC im normalen Betriebsmodus wird gesteuert, so dass sie eine feste Obergrenzspannung V_U erreicht, die eine Hochpotenzialvermeidungsspannung darstellt. Wenn der normale Betriebsmodus in den intermittierenden Betriebsmodus umgeschalten wird, beginnt die gesteuerte Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle FC allmählich von der Obergrenzspannung V_U, d.h. der Hochpotenzialvermeidungsspannung, abzunehmen. Die Steigung einer derart nach unten gerichteten Spannungsänderung wird als Spannungsabnahmerate gemessen.
Wenn die Spannungsabnahmerate größer als eine Grenzrate ist, führt der Controller ECU, um Luft, die als Oxidationsgas dient, mit verringerter Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeit zuzuführen, eine Steuerung aus, wodurch der Luftkompressor 62 träge für eine lange Zeit rotiert, um das durch die durchgezogene Linie in 2 dargestellte Verhalten zu zeigen. Bei dieser Steuerung trocknet eine jede Zelle in der Brennstoffzelle FC innen aus und die Spannungsabnahmerate wird verringert. Genauer gesagt wird, wenn das Bremsen des Luftkompressors 62 ohne Verwendung eines regenerativen Bremsequipments, etc. gesteuert wird, die Zeitspanne der trägen Rotation des Luftkompressors 62 länger als im Falle der Verwendung des regenerativen Bremsequipments, etc.
Wenn die Menge der in die Brennstoffzelle FC eingebrachten Luft gleich ist, nehmen die Menge an erzeugter Leistung und die Menge an erzeugtem Wasser zu, wenn die Luft auf eine Art und Weise eingebracht wird, wonach eine große Menge an Luft plötzlich eingebracht wird. Die Spannungsabnahmerate nimmt daher zu, wenn plötzlich eine große Luftmenge eingebracht wird, während die Spannungsabnahmerate abnimmt, wenn die Luft kontinuierlich eingebracht wird.
Wenn dagegen die Spannungsabnahmerate niedriger als die Grenzrate ist, führt der Controller, um Luft, das als Oxidationsgas dient, mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zuzuführen, eine Steuerung aus, um den Luftkompressor 62 zwangsweise zu stoppen, um das durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigte Verhalten zu zeigen. Genauer gesagt wird der Luftkompressor 62 durch Verwenden des regenerativen Bremsequipments etc. zwangsweise gestoppt. Bei dieser Steuerung wird das Innere einer jeden Zelle in der Brennstoffzelle FC nass und die Spannungsabnahmerate steigt.
Die oberen und unteren Grenzspannungen für die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle FC sind auf Werte zum Sicherstellen einer zufriedenstellenden Ausgabe bei der nächsten Lastanfrage eingestellt. In einem solchen Fall wird die Art und Weise, auf welche die Spannungsabnahmerate mit einer Ausgabe korreliert, die nach dem intermittierenden Betrieb erzeugt wird, vorab ermittelt und die untere und obere Grenzspannung werden derart eingestellt, dass es möglich ist, einen benötigten Ausgangswert zu erzielen. Es sei angemerkt, dass, da die Spannungsabnahmerate mit einer Zunahme der Menge an Gaspermeation aufgrund der Verschlechterung der Membranen, etc. zunehmen kann, es wünschenswert ist eine Lernfunktion während des Betriebs zu haben, welche die Beziehung zwischen der Spannungsabnahmerate und der nach dem intermittierenden Betrieb erzeugten Spannung lernt.
Wenn die Spannungsabnahmerate nicht ansteigt, nachdem der Luftkompressor 62 zwangsgestoppt wurde, ist es vorzuziehen, die obere Grenzspannung, d.h. die Hochpotenzialvermeidungsspannung, zu verringern oder die zugeführte Menge an Luft zu erhöhen. Wenn es zudem notwendig ist, überschüssige elektrische Leistung aufgrund der Zunahme des SOCs der Sekundärbatterie BTa oder der Win-Begrenzung zu unterdrücken, wird der Luftkompressor 62 angetrieben, um die während des intermittierenden Betriebs erzeugte Menge an Leistung zu verringern. Wenn der SOC (Ladezustand) der Sekundärbatterie BTa seinen oberen Grenzwert erreicht, ist es auch vorzuziehen, auf eine derartige Situation durch zeitweiliges Erhöhen der vorstehend genannten oberen Grenzspannung zu reagieren.
Durch Ausführen der vorstehend beschriebenen Steuerung kann die Spannungsabnahmerate der Brennstoffzelle FC während des intermittierenden Betriebs in einem Bereich für die Spannungsabnahmerate gehalten werden, der beibehalten werden sollte, wie in 3 dargestellt ist. Da die Spannungsabnahmerate der Brennstoffzelle FC in dem Bereich der Spannungsabnahmerate gehalten wird, der beibehalten werden sollte, wie in 3 gezeigt ist, nämlich im Bereich von der unteren Grenzrate E_L zur oberen Grenzrate Eu, ist es möglich, einen übermäßigen trockenen Zustand oder einen übermäßigen nassen Zustand zu vermeiden.
Die Spannungsabnahmerate, die beibehalten werden sollte, ist analog zum nassen Zustand der MEA, der beibehalten werden sollte. Wenn die MEA zu trocken ist, sinkt die Wasserstoffionenleitfähigkeit und die Ausgabe der Brennstoffzelle FC nimmt ab. Wenn die MEA zu nass ist, füllt sich die Katalysatorschicht mit Feuchtigkeit, so dass kein Gas den Elektrodenkatalysator erreichen kann, und die Ausgabe der Brennstoffzelle FC sinkt. Um daher eine optimale Ausgabe nach dem intermittierenden Betrieb beizubehalten, ist es notwendig, einen optimalen Feuchtigkeitszustand beizubehalten.
Das Lufteinblasen während des intermittierenden Betriebs wird derart ausgeführt, dass die eingebrachte Luftmenge in einen Bereich von einem unteren Grenzwert La zu einem oberen Grenzwert Lb fällt, wie in 4 dargestellt. Der untere Grenzwert La ist als ein Grenzwert definiert, um sicherzustellen, dass eine Spannung, die auf den unteren Grenzspannungswert abgenommen hat, wieder bis zum oberen Grenzspannungswert ansteigen kann. Der obere Grenzwert Lb ist deshalb definiert, da ein weiterer Anstieg der Luftmenge nur zu einem Antriebsverlust des Luftkompressors 62 führen würde.
Üblicherweise wird das Lufteinblasen mit einem Wert in der Nähe des unteren Grenzwerts La ausgeführt, wie durch den Bereich A dargestellt ist.
Da die MEA dazu neigt auszutrocknen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle FC zunimmt, und die MEA dazu neigt nass zu werden, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle FC abnimmt, ist es auch wünschenswert, das Kühlsystem CS derart zu betreiben, dass die Temperatur der Brennstoffzelle FC geregelt wird und dadurch der nasse Zustand gesteuert wird.
Um die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten ist das Unterdrücken der Verschlechterung des Katalysators ein wesentliches Mittel, und das Beibehalten der Hochpotenzialvermeidungsspannung ist notwendig. Gleichwohl wird während des intermittierenden Betriebs keine Lastanforderung durch den Antriebsmotor DMa ausgegeben, so dass überschüssige elektrische Leistung durch die Sekundärbatterie BTa absorbiert oder verbraucht wird, um Leistungsverluste in den Hilfsaggregaten abzudecken. Es gibt jedoch eine Grenze der Menge an elektrischer Leistung, die durch die Sekundärbatterie BTa absorbiert werden kann, und im Fall des Verbrauchens überschüssiger elektrischer Leistung durch das Antreiben von Hilfsaggregaten gibt es eine Grenze für die Menge an elektrischer Leistung, die verbraucht werden kann, wenn die Betriebsgeräusche derselben zu groß werden. Als Ergebnis wird die Hochpotenzialvermeidungsspannung angehoben, wenn die überschüssige elektrische Leistung nicht auf die vorstehend beschriebene Weise absorbiert werden kann, und dies bedeutet, dass die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels geopfert werden muss. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch die Häufigkeit des Anhebens der Hochpotenzialvermeidungsspannung verringert, so dass die vorliegende Ausführungsform einen übermäßig nassen oder trockenen Zustand des Brennstoffzellenstapels unterdrücken und somit die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels gewährleisten kann.
Bezugszeichenliste

62: Luftkompressor
69: Bypassströmungspfad
92,92: Rad
AS1: Oxidationsgasströmungspfad
AS2: Oxidationsgasabgasströmungspfad
ASS: Oxidationsgaszuführsystem
BTa: Sekundärbatterie
CE: Zelle
CS: Kühlsystem
DMa: Antriebsmotor
DVa: elektromagnetisches Ventil
DVb: integriertes Ventil
ECU: Controller
EVc: Auslass-/Entlüftungsventil
FC: Brennstoffzelle
FCS: Brennstoffzelleneinheit
FDC: Spannungserhöhungsteil
FS: Brennstoffzellensystem
FS1: Hochdruckwasserstofftank
FS2: Brenngasabgasströmungspfad
FSS: Brenngaszufuhrsystem
HPa: Wasserstoffpumpe
HVs: Antriebssystem
Pt: Drucksensor
RMa: Hauptradiator
Td: Temperatursensor
Tf: Temperatursensor
Tg: Sensor
Th: Temperatursensor
TVa: Einlass-Dreiwegeventil
WPa: Wasserpumpe

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen; ein Brenngaszuführmittel, das der Anode ein Brenngas zuführt; ein Oxidationsgaszuführmittel, das der Kathode ein Oxidationsgas zuführt; ein Zustandserfassungsmittel, das einen trockenen/nassen Zustand der Einheitszelle erfasst; und ein Steuermittel, welches das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert, so dass durch den Brennstoffzellenstapel, ansprechend auf eine benötigte elektrische Leistung, eine Leistungserzeugung ausgeführt wird, und welches ferner das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel basierend auf einem Erfassungsergebnis durch das Zustandserfassungsmittel steuert, wobei, wenn die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist und ein intermittierender Betrieb ausgeführt wird, in welchem die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel unterbunden wird, das Steuermittel die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels überwacht, so dass die Ausgangsklemmenspannung einen Wert annimmt, der gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und das Oxidationsgas basierend auf einem Ergebnis der Überwachung zuführt, und wobei das Steuermittel einen Ausgabegewährleistungsmodus ausführen kann, in welchem das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem nassen Zustand befindet, während das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zugeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Einheitszelle sich in einem trockenen Zustand befindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Zustandserfassungsmittel den trockenen/nassen Zustand der Einheitszelle durch Messen einer Spannungsabnahmerate, die eine Rate der Abnahme der Ausgangsklemmenspannung von der oberen Grenzspannung zur unteren Grenzspannung aufgrund eines Mangels an Sauerstoff ist, erfasst, und wobei das Steuermittel bestimmt, dass die Einheitszelle in einem trockenen Zustand ist, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder niedriger als eine untere Grenzrate ist, und bestimmt, dass die Einheitszelle in einem nassen Zustand ist, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder größer als eine obere Grenzrate ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Oxidationsgaszuführmittel einen Luftkompressor umfasst, und wobei das Steuermittel den Luftkompressor veranlasst, für eine lange Zeit träge zu rotieren, wenn die Einheitszelle in einem nassen Zustand ist, und den Luftkompressor zwangsstoppt, wenn die Einheitszelle in einem trockenen Zustand ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel die Beziehung zwischen der Spannungsabnahmerate und einer Ausgabe des Brennstoffzellenstapels, die nach dem intermittierenden Betrieb erzeugt wird, lernt, und die Grenzrate für die Spannungsabnahmerate ändert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel den Übergang der Spannungsabnahmerate nach dem Start der Ausführung des Ausgabegewährleistungsmodus überwacht und das Steuermittel den oberen Grenzwert nach unten korrigiert, wenn die Spannungsabnahmerate nicht ansteigt.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einheitszellen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen; ein Brenngaszuführmittel, das der Anode ein Brenngas zuführt; ein Oxidationsgaszuführmittel, das der Kathode ein Oxidationsgas zuführt; und ein Steuermittel, welches das Brenngaszuführmittel und das Oxidationsgaszuführmittel steuert, so dass durch den Brennstoffzellenstapel, ansprechend auf eine benötigte elektrische Leistung, eine Leistungserzeugung ausgeführt wird, wobei, wenn die benötigte elektrische Leistung gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist und ein intermittierender Betrieb ausgeführt wird, in welchem die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel unterbunden wird, das Steuermittel die Ausgangsklemmenspannung des Brennstoffzellenstapels überwacht, so dass die Ausgangsklemmenspannung einen Wert annimmt, der gleich oder niedriger als eine obere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und gleich oder größer als eine untere Grenzspannung für den intermittierenden Betrieb ist, und das Oxidationsgas basierend auf einem Ergebnis der Überwachung zuführt, wobei das Steuermittel eine Spannungsabnahmerate misst, die eine Rate der Abnahme der Ausgangsklemmenspannung von der oberen Grenzspannung zu der unteren Grenzspannung aufgrund eines Mangels an Sauerstoff darstellt, und wobei das Steuermittel das Oxidationsgas mit einer verringerten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine lange Zeitspanne zuführt, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder größer als eine obere Grenzrate ist, und das Oxidationsgas mit einer erhöhten Strömungsrate pro Zeiteinheit und für eine kurze Zeitspanne zuführt, wenn die Spannungsabnahmerate gleich oder niedriger als eine untere Grenzrate ist.