DE112012006334T5

DE112012006334T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112012006334T5
Application number: DE112012006334.1T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAISH Kakeno Yuji; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KA Mizuno Hideaki; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAIS Umayahara Kenji; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI K Naganuma Yoshiaki; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KA Toida Masashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: WO2013168218A1; CA2870985A1; CN104272511B; DE112012006334B8; US20150325896A1; JPWO2013168218A1; CA2870985C; DE112012006334B4; JP5737543B2; US9490494B2; CN104272511A

Abstract

Wenn eine benötigte Spannung, die einer benötigten Leistung entspricht, eine Grenzspannung erreicht hat, die ein Oxidation-Reduktions-Potential von Platin darstellt, das einen Katalysator einer Brennstoffzelle bildet, führt das Brennstoffzellensystem eine Überschreitungsvermeidungssteuerung durch, welche eine FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle bei der Grenzspannung hält und die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung unter Verwendung einer Sekundärbatterie absorbiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
STAND DER TECHNIK
Eine übliche Brennstoffzelle hat einen Aufbau, bei dem eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sandwichartig zwischen Separatoren, die jeweils eine Strömungspfad zum Zuführen von Rohmaterialien haben, aufgenommen ist, wobei die MEA eine Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht, die auf einer Fläche einer Elektrolytmembran ausgebildet ist, und eine Oxidationselektrodenkatalysatorschicht, die auf der anderen Fläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist, aufweist, wobei die beiden Katalysatorschichten einander über die Elektrolytmembran hinweg zugewandt sind, sowie Diffusionsschichten aufweist, die außerhalb der jeweiligen Katalysatorschichten ausgebildet sind und die Elektrolytmembran sandwichartig dazwischen aufnehmen, wobei ein derartiger Aufbau als eine Einheit, d. h. als eine so-genannte Einheitszelle, dient. Ein herkömmliches Brennstoffzellensystem nutzt einen Zellstapel mit einer Mehrzahl derartiger, darin gestapelter Einheitszellen, um eine gewünschte Menge elektrischer Leistung zu erzielen. Die elektrische Leistung wird durch die Zufuhr von Rohmaterialien, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff (nachfolgend auch als Quellengase oder Reaktionsgase bezeichnet) zu jeder Katalysatorschicht erzeugt.
Wenn an der Brennstoffzelle unter Verwendung von Wasserstoffgas, als ein der Brennstoffelektrode zuzuführendes Brenngas, und Luft, als ein der Oxidationselektrode zuzuführendes Oxidationsgas, elektrische Leistung erzeugt wird, erzeugt der Wasserstoff Wasserstoffionen und Elektronen an der Brennstoffelektrode. Die erzeugten Elektronen wandern durch einen externen Anschluß und einen externen Kreislauf und gelangen zur Oxidationselektrode. An der Oxidationselektrode wird Wasser erzeugt aus: dem in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff; Wasserstoffionen, die durch die Elektrolytmembran gelangt sind; und Elektronen, die die Oxidationselektrode durch den externen Kreislauf erreicht haben. Aufgrund dieser elektrochemischen Reaktionen, die an der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode auftreten, funktioniert die Brennstoffzelle als elektrische Zelle.
Bei vielen Brennstoffzellensystemen ist die von der Brennstoffzelle bezogene Ausgabe nicht konstant. Die Spannung der Brennstoffzelle variiert entsprechend der von der Brennstoffzelle abgezogenen Ausgabe und die Brennstoffzellenspannung sinkt, wenn die von der Brennstoffzelle abgezogene Ausgabe zunimmt. Wenn ein auf der Oberfläche des Oxidationselektrodenkatalysators ausgebildeter Oxidbelag bei einer Verringerung der Spannung reduziert wird, wird eine metallische Komponente (z. B. auf Kohlenstoff gelagertes Platin) im Katalysator eluiert, wenn die Brennstoffzellenspannung wieder ansteigt (wenn die von der Brennstoffzelle gezogene Ausgabe abnimmt).
Um hierauf zu reagieren schlägt das nachfolgend genannte Patentdokument 1 ein Brennstoffzellensystem vor, das darauf abzielt, das Eluieren von Katalysatoren, beispielsweise Platin, das aufgrund von Änderungen bezüglich der Ausgabe der Brennstoffzelle auftritt, zu unterdrücken. Das in dem Patentdokument 1 offenbarte Brennstoffzellensystem hat ein Ausgabesteuermittel zum Zuführen von elektrischer Leistung von einer Brennstoffzelle und von einer Sekundärbatterie zu einem Motor, und zum Steuern der Ausgabe der Brennstoffzelle basierend auf dem SOC (Ladezustand) der Sekundärbatterie. Wenn der SOC der Sekundärbatterie größer als 10% ist, begrenzt das Ausgabesteuermittel die Ausgabe der Brennstoffzelle derart, dass die Brennstoffzellenspannung nicht unter eine vorgegebene Spannung sinkt. Es wird gesagt, dass dieses Brennstoffzellensystem die durch die Eluierung des Katalysators (z. B. Platin) in der Oxidationselektrode aufgrund von Änderungen der Brennstoffzellenspannung verursachte Verschlechterung unterdrücken kann.
DRUCKSCHRIFTEN AUS DEM STAND DER TECHNIK
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 2007-220323 A

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Aufgabe
Bei dem in Patentdokument 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem wird ein Leistungsmangel, der durch das Begrenzen der Ausgabe einer Brennstoffzelle verursacht wird, durch die Sekundärbatterie abgedeckt, die als Energielade/-entlademittel dient. Genauer gesagt wird, wie in Absatz [0031] von Patentdokument 1 beschrieben ist, zu Beginn des Betriebs die Leistungszufuhr zu einem Motor hauptsächlich von der Sekundärbatterie erbracht, um die von der Brennstoffzelle zum Motor gelieferte Leistung gering zu halten. Die Ausgabe der Brennstoffzelle wird derart gesteuert, dass sie gleich oder niedriger als eine vorgegebene Ausgabe wird, so dass die Brennstoffzellenspannung nicht unter eine vorgegebene Spannung (0,8 V) sinkt, wodurch die Spannung der Brennstoffzelle, insbesondere das Potenzial der Oxidationselektrode, auf einem hohen Wert gehalten wird. Der Rest der vom Motor benötigten Leistung wird von der Sekundärbatterie zugeführt. Durch das Halten der Brennstoffzellenspannung auf einem hohen Wert kann die Oxidationselektrode auf einem hohen Potenzial gehalten werden, wodurch sowohl die Unterdrückung der Reduzierung des auf der Oberfläche des Platins auf der Oxidationselektrode ausgebildeten Oxidbelags als auch die Unterdrückung der Eluierung des Platins, selbst wenn die Brennstoffzellenspannung hernach ansteigt, ermöglicht wird.
In Patentdokument 1 wird ein Ladezustand der Sekundärbatterie erfasst, um zu bestimmen, ob der erfasste Ladezustand 10% oder weniger des Ladezustands der Sekundärbatterie im vollgeladenen Zustand ist. Wenn der Ladezustand der Sekundärbatterie 10% oder weniger ist, wird die Leistungsversorgung des Motors hauptsächlich über die Brennstoffzelle realisiert. Anders ausgedrückt: die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle wird aufgehoben und die Ausgabe der Brennstoffzelle wird entsprechend der vom Motor benötigten Leistung gesteuert.
Da das in Patentdokument 1 offenbarte Brennstoffzellensystem die Sekundärbatterie vom Start weg nutzt, um das Eluieren von Platin als Katalysator zu unterdrücken, wird der Leistung von der Sekundärbatterie Priorität zugemessen, selbst wenn die Brennstoffzelle tatsächlich eine verfügbare Kapazität zum Zuführen einer gewissen Ausgabe für die benötigte Ausgabe hat, während ihre Spannung über der vorgegebenen Spannung gehalten werden kann. Daher ist, wenn eine Anforderung von einer Last vorliegt, die sich „aufsteigend und absteigend” über die vorgegebene Spannung ändert, wenn der Ladezustand der Sekundärbatterie 10% oder weniger ist, die Unterstützung bzw. Versorgung durch die Sekundärbatterie nicht möglich, und es ist wahrscheinlich, dass die Brennstoffzellenspannung sich aufsteigend und absteigend über die vorgegebene Spannung ändert. Wenn eine derartige Veränderung oder Variation bzw. Schwankung der Brennstoffzellenspannung über die vorgegebene Spannung häufig auftritt, kommt es wiederholt zu einer Eluierung und Ablagerung von Platin, und das Platin sammelt sich um den Katalysatorträger herum an, was zu einer Verringerung der Katalysatoraktivität und Haltbarkeit führt.
Das in Patentdokument 1 beschriebene Brennstoffzellensystem hat somit das wie folgt zu lösende Problem: Der Ladezustand der Sekundärbatterie nimmt zu einem frühen Zeitpunkt derart ab, dass die Sekundärbatterie die Ausgabe der Brennstoffzelle nicht unterstützen kann, so dass es nicht möglich ist, eine geeignete Versorgung von der Sekundärbatterie zu erhalten, wenn die Unterdrückung der Schwankungen der Brennstoffzellenspannung nötig ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte des vorstehend beschriebenen Problems gemacht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie zu schaffen, das die auf die Sekundärbatterie wirkende Beanspruchung wann immer möglich verringern kann, so dass die Sekundärbatterie die Brennstoffzelle unterstützen kann, um das Eluieren eines Katalysators zu einem geeigneten Zeitpunkt zu vermeiden.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, hat ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem: eine Brennstoffzelle mit einer Brennstoffelektrode und eine Oxidationselektrode, wobei eine jede Elektrode einen Katalysator hat und derart angeordnet ist, dass sie eine Elektrolytmembran sandwichartig umschließt; eine Sekundärbatterie, die geeignet ist, um mit Elektrizität geladen zu werden und Elektrizität abzugeben; eine Last, die mit der Brennstoffzelle und der Sekundärbatterie elektrisch verbunden ist; und ein Ausgabezuführteil, das eine Leistung, eine Spannung oder einen Strom, die/der einer von der Last benötigten Leistung, einer von der Last benötigten Spannung und einem von der Last benötigten Strom entspricht, durch Einstellen einer von der Brennstoffzelle zugeführten Leistung, einer von der Brennstoffzelle zugeführten Spannung oder eines von der Brennstoffzelle zugeführten Stromes und einer von der Sekundärbatterie zugeführten Leistung, einer von der Sekundärbatterie zugeführten Spannung oder eines von der Sekundärbatterie zugeführten Stromes, zuführt. Wenn die benötigte Leistung, die benötigte Spannung oder der benötigte Strom eine Grenzleistung, eine Grenzspannung oder einen Grenzstrom erreicht hat, wobei die Grenzleistung, die Grenzspannung und der Grenzstrom jeweils eine Oxidations-Reduktions-Leistung, eine Oxidations-Reduktions-Spannung und einen Oxidations-Reduktions-Strom des Katalysators der Brennstoffzelle darstellen, führt das Ausgabezufuhrteil eine Überschreitungsvermeidungssteuerung durch, die eine FC-Befehlsleistung, eine FC-Befehlsspannung oder einen FC-Befehlsstrom für die Brennstoffzelle bei der Grenzleistung, der Grenzspannung oder dem Grenzstrom hält und eine Lücke zwischen der benötigten Leistung und der FC-Befehlsleistung, eine Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung oder eine Lücke zwischen dem benötigten Strom und dem FC-Befehlsstrom durch eine Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie oder eine Leistungsspeicherung in der Sekundärbatterie absorbiert.
Bei der vorliegenden Erfindung führt, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen: die benötigte Leistung erreicht die Grenzleistung; die benötigte Spannung erreicht die Grenzspannung; oder der benötigte Strom erreicht den Grenzstrom, erfüllt ist, das Ausgabezufuhrteil die Überschreitungsvermeidungssteuerung durch, die zumindest umfasst: Halten der FC-Befehlsleistung für die Brennstoffzelle bei der Grenzleistung; Halten der FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle bei der Grenzspannung; und/oder Halten des FC-Befehlsstromes für die Brennstoffzelle bei dem Grenzstrom. Dementsprechend ist es möglich, zu vermeiden, dass die FC-Befehlsleistung, die FC-Befehlsspannung oder der FC-Befehlsstrom die Oxidations-Reduktions-Leistung, die Oxidations-Reduktion-Spannung oder den Oxidations-Reduktion-Strom des Katalysators der Brennstoffzelle übersteigen. Der Katalysator wird eluiert, wenn die Leistung höher ist, als die Oxidations-Reduktions-Leistung, die Spannung höher ist, als die Oxidations-Reduktion-Spannung, oder der Strom höher ist, als der Oxidations-Reduktions-Strom; wohingegen der Katalysator abgelagert wird, wenn die Leistung niedriger ist, als die Oxidations-Reduktions-Leistung oder die Spannung niedriger ist, als die Oxidations-Reduktion-Spannung. Durch Steuern der Leistung, der Spannung und des Stromes derart, dass diese nicht über die Oxidations-Reduktions-Leistung, die Oxidations-Reduktions-Spannung oder den Oxidation-Reduktions-Strom variieren, kann eine Anhäufung bzw. Ansammlung aufgrund der Eluierung und Ablagerung des Katalysators verhindert werden.
Darüber hinaus wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, die Überschreitungsvermeidungssteuerung, die die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung hält, ausgeführt, wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung erreicht hat. Wenn beispielsweise die benötigte Spannung in einem Bereich von der Leerlaufspannung (OCV) zur Grenzspannung gehalten wird, kann die FC-Befehlsspannung wie benötigt entsprechend der benötigten Spannung eingestellt werden, und die Leistung der Sekundärbatterie wird nicht verschwendet. Wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung von einer Seite höherer Spannung her erreicht hat, wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung gehalten und überschüssige Leistung wird der Sekundärbatterie zugeführt, um dadurch die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung zu absorbieren (zu schließen). Wenn dagegen die benötigte Spannung die Grenzspannung von einer Seite niedrigerer Spannung her erreicht hat, wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung gehalten und die fehlende Leistung wird von der Sekundärbatterie zugeführt, um dadurch die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung zu absorbieren (zu schließen). Es sei angemerkt, dass die Steuerung durchgeführt werden kann, indem die Beziehung zwischen der benötigten Spannung und der Grenzspannung durch eine Beziehung hinsichtlich der Leistung oder des Stromes ersetzt werden kann. Genauer gesagt kann die Überschreitungsvermeidungssteuerung ausgeführt werden, wenn die benötigte Leistung die der Grenzspannung entsprechende Grenzleistung erreicht hat, oder wenn der benötigte Strom entsprechend der benötigten Leistung den der Grenzspannung entsprechenden Grenzstrom erreicht hat.
Beim Ausführen der Überschreitungsvermeidungssteuerung bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung stellt das Ausgabezufuhrteil vorzugsweise, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, eine virtuelle benötigte Leistung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Leistung, eine virtuelle benötigte Spannung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Spannung, oder einen virtuellen benötigten Strom, der durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zum benötigten Strom erhalten wird, ein und beendet die Überschreitungsvermeidungssteuerung, wenn eine Leistung, eine Spannung oder ein Strom, die der virtuellen benötigten Leistung, der virtuellen benötigten Spannung oder dem virtuellen benötigten Strom entspricht, die Grenzleistung, die Grenzspannung oder den Grenzstrom erreicht hat.
Wie vorstehend beschrieben ist, führt die vorliegende Erfindung die Überschreitungsvermeidungssteuerung aus, die die FC-Befehlsspannung (die FC-Befehlsleistung oder den FC-Befehlsstrom) auf der Grenzspannung (der Grenzleistung oder dem Grenzstrom) hält, wenn die benötigte Spannung (die benötigte Leistung oder der benötigte Strom) die Grenzspannung (die Grenzleistung oder den Grenzstrom) erreicht hat. Die Überschreitungsvermeidungssteuerung nutzt die Sekundärbatterie, um die Lücke zwischen der benötigten Spannung (der benötigten Leistung oder dem benötigten Strom) und der FC-Befehlsspannung (der FC-Befehlsleistung oder dem FC-Befehlsstrom) zu absorbieren, und es gibt Fälle, in denen die Überschreitungsvermeidungssteuerung mit Blick auf die Kapazität der Sekundärbatterie beendet werden soll, selbst wenn die Bedingung zum Start der Überschreitungsvermeidungssteuerung nach wie vor erfüllt ist. Die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform ist derart ausgestaltet, um eine virtuelle benötigte Spannung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Spannung (oder eine virtuelle benötigte Leistung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Leistung, oder einen virtuellen benötigten Strom, der durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zum benötigten Strom) erhalten wird, einzustellen, und um die Überschreitungsvermeidungssteuerung zu einem Zeitpunkt zu beenden, wenn die virtuelle benötigte Spannung (die virtuelle benötigte Leistung oder der virtuelle benötigte Strom) die Grenzspannung erreicht hat. Mit dieser Konfiguration kann, selbst wenn die benötigte Spannung (die benötigte Leistung oder der benötigte Strom) in einer kurzen Zeitspanne aufsteigend und absteigend über die Grenzspannung (die Grenzleistung oder den Grenzstrom) variiert, verhindert werden, dass die FC-Befehlsspannung (die FC-Befehlsleistung oder der FC-Befehlsstrom) einer derartigen Variation übermäßig folgt. Genauer gesagt kann, wenn beispielsweise die benötigte Spannung (die benötigte Leistung oder der benötigte Strom) die Grenzspannung (die Grenzleistung oder den Grenzstrom) von einer Seite höherer Spannung (einer Seite höherer Leistung oder einer Seite höheren Stromes) überschreitet, die benötigte Spannung (die benötigte Leistung oder der benötigte Strom) aber nach einem kurzen Zeitintervall wieder auf die Seite höherer Spannung (die Seite höherer Leistung oder die Seite höheren Stromes) zurückkehrt, die Steuerung zur Vermeidung, dass die FC-Befehlsspannung (die FC-Befehlsleistung oder der FC-Befehlsstrom) die Grenzspannung (die Grenzleistung oder den Grenzstrom) überschreitet, erreicht werden, indem die Überschreitungsvermeidungssteuerung zu einem Zeitpunkt beendet wird, wenn die virtuelle benötigte Spannung (die virtuelle benötigte Leistung oder der virtuelle benötigte Strom) die Grenzspannung (die Grenzleistung oder den Grenzstrom) erreicht hat.
Zudem ist es, beim Ausführen der Überschreitungsvermeidungssteuerung bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung, bevorzugt, dass das Ausgabezufuhrteil, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine verbleibende Kapazität zum Entladen oder Laden der Sekundärbatterie einen vorgegebenen Restkapazitätgrenzwert übersteigt.
Wie vorstehend bereits beschrieben ist, kann es Fälle geben, in denen die Überschreitungsvermeidungssteuerung hinsichtlich der Kapazität der Sekundärbatterie beendet werden sollte, selbst wenn die Bedingung zum Start der Überschreitungsvermeidungssteuerung weiterhin erfüllt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine verbleibende Kapazität zum Entladen oder Laden der Sekundärbatterie einen vorgegebenen Restkapazitätgrenzwert übersteigt, so dass die Steuerung zur Unterdrückung des Eluierens des Katalysators ausgeführt werden kann, ohne die Sekundärbatterie übermäßig zu belasten.
Beim Ausführen der Überschreitungsvermeidungssteuerung bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ändert das Ausgabezufuhrteil vorzugsweise den Restkapazitätgrenzwert entsprechend einer Schwankungsrate der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes.
Durch Abbilden der Schwankungsrate der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes in einem Stellwert des Restkapazitätgrenzwerts, kann die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform weiter gewährleisten, dass eine übermäßig Belastung der Sekundärbatterie verhindert wird.
Beim Ausführen der Überschreitungsvermeidungssteuerung bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung beendet das Ausgabezufuhrteil vorzugsweise, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, die Überschreitungsvermeidungssteuerung, wenn eine Schwankungsrate oder ein Schwankungsbereich der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes einen Schwankungsgrenzwert übersteigt.
Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn die Schwankungsrate oder der Schwankungsbereich der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes einen Schwankungsgrenzwert übersteigt. Wenn es also beispielsweise zu einem plötzlichen Anstieg der benötigten Leistung kommt, kann die bevorzugte Ausführungsform sicherstellen, dass die Ausgabe genau dieser plötzlichen Änderung der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes folgt, wodurch eine Verschlechterung der Fahrbarkeit vermieden wird, wenn das vorliegende Brennstoffzellensystem zum Fahren eines Fahrzeugs genutzt wird.
Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie, das die auf die Sekundärbatterie wirkende Beanspruchung wann immer möglich verringern kann, so dass die Sekundärbatterie die Brennstoffzelle unterstützen kann, um das Eluieren eines Katalysators zu einem geeigneten Zeitpunkt zu vermeiden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Flußschaubild eines Beispiels von Prozessen des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems; und
3 zeigt einen Graph, der ein Beispiel der Veränderung der Spannung der Brennstoffzelle zeigt, wenn das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem gemäß dem in 2 gezeigten Flußschaubild betrieben wird.
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, sind, wann immer möglich, gleiche Elemente in den Abbildungen mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem FS, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert werden soll, Bezug nehmend auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine Darstellung, die den Systemaufbau des Brennstoffzellensystems FS zeigt, das als Fahrzeuggestütztes Stromversorgungs- bzw. Leistungsversorgungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug dient. Das Brennstoffzellensystem FS ist ein System, das an einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV) 1 installiert werden soll und das System treibt Räder 2 an.
Das Brennstoffzellensystem FS umfasst eine Brennstoffzelle FC, einen Luftkompressor ACP, einen Hochdruckwasserstofftank FS1, einen FC-Verstärkungswandler DCa, einen Batterieverstärkungswandler DCb, eine Sekundärbatterie bzw. einen Akku BTa, einen Traktionsinverter TIV, einen Antriebsmotor DMa und einen Controller ECU.
Die Brennstoffzelle FC ist als Solidpolymerelektrolytzellenstapel ausgebildet, in dem zahlreiche Zellen (wobei jede Zelle (Leistungserzeugungselement) eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt umfasst) in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle FC tritt, im Normalbetrieb, eine in Formel (1) dargestellte Oxidationsreaktion an der Anode auf, während eine durch Formel (2) dargestellte Reduktionsreaktion an der Kathode auftritt und eine stromerzeugende bzw. elektrogene Reaktion, die durch Formel (3) dargestellt ist in der Brennstoffzelle FC als Ganzes auftritt. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (½)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (½)O₂ → H₂O (3)
Das der Brennstoffzelle FC vom Hochdruckwasserstofftank FS1 zugeführte Brenngas trägt zur elektrogenen Reaktion in der Brennstoffzelle FC bei und wird als Abgas aus der Brennstoffzelle FC ausgegeben.
Der Hochdruckwasserstofftank FS1 speichert Wasserstoffgas unter hohem Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa).
Die durch den Betrieb des Luftkompressors ACP erhaltene Luft wird: der Brennstoffzelle FC zugeführt; trägt zur elektrogenen Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle FC bei; und wird aus der Brennstoffzelle FC als Abgas ausgegeben.
Der FC-Verstärkungswandler DCa erhöht die Spannung der Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt wird, und speist die Leistung in den Traktionsinverter TIV ein. Mit dieser Spannungswandlungssteuerung durch den FC-Verstärkungswandler DCa wird der Arbeitspunkt (Ausgangsklemmenspannung, Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC gesteuert.
Der Batterieverstärkungswandler DCb dient zum: Erhöhen der Spannung der Gleichstromleistung, die von der Sekundärbatterie BTa zugeführt wird, und Ausgeben der Leistung an den Traktionsinverter TIV; und Senken der Spannung der Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt wird, oder der Spannung der regenerativen Leistung, die vom Antriebsmotor DMa aufgrund eines regenerativen Bremsens gesammelt wird, und Laden der Sekundarbatterie BTa mit der Leistung. Mit diesen Funktionen des Batterieverstärkungswandlers DCb wird das Laden/Entladen der Sekundärbatterie BTa gesteuert.
Die Sekundärbatterie BTa dient als: Quelle zum Speichern überschüssiger Leistung; Quelle zum Speichern regenerativer Leistung während eines regenerativen Bremsens (Rekuperation); und Energiepuffer, wenn die Last aufgrund der Verzögerung bzw. Beschleunigung des Brennstoffzellenfahrzeugs variiert. Sekundärbatterien bzw. Akkus wie beispielsweise Nickelcadmiumbatterien, Nickelwasserstoffbatterien und Lithiumsekundärbatterien, etc. sind geeignet für die Verwendung als Sekundärbatterie BTa.
Der Traktionsinverter TIV ist mit dem Antriebsmotor DMa verbunden. Der Traktionsinverter TIV ist beispielsweise ein PWM-Inverter der durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren angetrieben bzw. angesteuert wird. Ansprechend auf Steuerbefehle vom Controller ECU wandelt der Traktionsinverter TIV eine Gleichstromspannungsausgabe von der Brennstoffzelle FC oder der Sekundarbatterie BTa in eine Dreiphasenwechselstromspannung, wodurch das Drehmoment des Antriebsmotors DMa gesteuert wird.
Der Antriebsmotor DMa ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor und bildet eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Das Brennstoffzellensystem FS hat den Controller ECU als Gesamtsteuereinrichtung. Der Controller ECU ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM sowie Eingabe-/Ausgabeschnittstellen und der Controller ECU steuert einen jeden Teil des Brennstoffzellensystems FS. Wenn beispielsweise ein Zündsignal IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, empfangen wird, startet der Controller ECU den Betrieb des Brennstoffzellensystems FS. Danach bestimmt der Controller ECU die vom gesamten Brennstoffzellensystem FS benötigte Leistung beispielsweise basierend auf Signalen ACC, die von einem Beschleunigersensor 21 hinsichtlich des Öffnungsgrades des Beschleunigers ausgegeben werden, und Signalen VC, die von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor hinsichtlich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ausgegeben werden. Die benötigte Leistung vom gesamten Brennstoffzellensystem FS ist Summe der Leistung zum Fahren des Fahrzeugs und der Leistung für Hilfsaggregate.
Hierbei umfasst die Leistung für die Hilfsaggregate beispielsweise die von Fahrzeuggestützten Hilfsaggregaten (Befeuchter, Luftkompressor, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, etc.) verbrauchte Leistung, die von Aggregaten, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (Getriebe, Radsteuerung, Lenkvorrichtung, Aufhängung, etc.), verbrauchte Leistung, und die Leistung, die von Aggregaten verbraucht wird, die im Fahrgastraum angebracht sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.).
Der Controller ECU bestimmt eine Ausgangsleistungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle FC und der Sekundärbatterie BTa. Der Controller ECU steuert einen jeden Teil derart, dass die durch die Brennstoffzelle FC erzeugte Leistung einer Solleistung entspricht und steuert auch den Arbeitspunkt (Ausgangsklemmenspannung, Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle FC durch Steuern des FC-Verstärkungswandlers DCa.
Um ein Sollmoment entsprechend dem Öffnungsgrad des Beschleunigers zu erhalten, gibt der Controller ECU beispielsweise als Schaltbefehle entsprechende Wechselstromspannungssollwerte für die U-, V- und W-Phasen des Traktionsinverters TIV aus und steuert das Ausgabemoment und die Drehzahl des Antriebsmotors DMa.
Nachfolgend wird ein Beispiel einer Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems FS gemäß der vorliegenden Ausführungsform Bezug nehmend auf 2 beschrieben. 2 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel der Handlungen bzw. Prozesse des Brennstoffzellensystems FS aus 1 zeigt. In der nachfolgenden Beschreibung wird, sofern nicht ausdrücklich anders dargestellt, ein jeder Prozess durch den Controller ECU (Ausgabezufuhrteil) des Brennstoffzellensystems FS ausgeführt.
In Schritt S01 wird bestimmt, ob eine FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC eine Grenzspannung erreicht hat oder nicht. Diese FC-Befehlsspannung ist eine Spannung, die einer benötigten Leistung vom Antriebsmotor DMa, der als Last fungiert, oder von einem Luftkompressor ACP, etc. entspricht. Wie vorstehend bereits beschrieben ist, wird ansprechend auf die von der Last benötigten Leistung, die notwendige Leistung durch Einstellen der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung und der von der Sekundärbatterie BTa zugeführten Leistung zugeführt; in Schritt S01, der den Startzustand des Betriebs darstellt, wird jedoch nur die von der Brennstoffzelle FC zugeführte Leistung verwendet.
Die Grenzspannung der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet ein Oxidations-Reduktions-Potenzial von Platin, das den Katalysator der Brennstoffzelle FC bildet. Wenn davon gesprochen wird, dass die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC die Grenzspannung erreicht, sinkt die FC-Befehlsspannung in manchen Fällen von einem höheren Wert als der Grenzspannung und erreicht die Grenzspannung. In anderen Fällen steigt die FC-Befehlsspannung von einem niedrigeren Wert als der Grenzspannung und erreicht die Grenzspannung.
In Schritt S01 wird die Beurteilung wiederholt, wenn die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC die Grenzspannung nicht erreicht. Wenn die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC die Grenzspannung erreicht hat, fährt der Controller ECU mit Schritt S02 fort.
In Schritt S02 wird bestimmt, ob die Versorgung durch die Sekundärbatterie BTa möglich ist oder nicht. Das Brennstoffzellensystem FS gemäß der vorliegenden Ausführungsform vermeidet, warm immer möglich, dass die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC über die Grenzspannung hinausgeht, um Schwankungen hinsichtlich der Anzahl des Auftretens derartiger Überschreitungen zu verringern. Wenn die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC die Grenzspannung erreicht hat und wenn die FC-Befehlsspannung von einer Spannung abgenommen hat, die höher als die Grenzspannung ist, wird Leistung von der Sekundärbatterie (Entladung) zugeführt. Wenn dagegen die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle die Grenzspannung erreicht hat und wenn die FC-Befehlsspannung von einer Spannung angestiegen ist, die niedriger als die Grenzspannung war, wird überschüssige Leistung durch die Sekundärbatterie BTa absorbiert (Laden). In Schritt S02 wird das Schwankungsprofil (Ansteigen oder Abfallen) der FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC geprüft und es wird beurteilt, ob die Sekundärbatterie BTa eine entsprechende Restkapazität zum Speichern und Abgeben von Leistung hat.
Wenn die Unterstützung durch die Sekundärbatterie BTa in Schritt S02 möglich ist, führt der Controller ECU mit Schritt S03 fort und, falls nicht, führt der Controller ECU mit Schritt S06 fort.
In Schritt S03 wird die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC bei der Grenzspannung gehalten, und die Leistungsversorgung wird durch die Sekundärbatterie BTa unterstützt, wodurch eine Steuerung zum Vermeiden eines Auftretens des Überschreitens erreicht wird. Genauer gesagt wird eine derartige Überschreitungsvermeidungssteuerung ausgeführt, indem die Sekundärbatterie BTa dazu verwendet wird, um eine Lücke zwischen der gesamten benötigten Spannung, die der Spannung entspricht, die der Last zugeführt werden soll, und der FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC zu absorbieren bzw. schließen.
Während der Überschreitungsvermeidungssteuerung in Schritt S03 wird in Schritt S04 bestimmt, ob diese Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet werden soll oder nicht. Diese Entscheidung basiert auf dem Zustand der Sekundärbatterie BTa und basiert ferner auf den Schwankungen der FC-Befehlsspannung.
Da der SOC (Ladezustand) der Sekundärbatterie BTa überwacht wird, ist es möglich, zu beurteilen, ob sich die Sekundärbatterie BTa in einem Zustand befindet, der das weitere Speichern von Leistung zulässt oder in einem Zustand, der das weitere Abgeben von Leistung zulässt. Wenn es notwendig ist, überschüssige Leistung durch die Sekundärbatterie BTa für die vorstehend beschriebene Überschreitungsvermeidungssteuerung zu absorbieren, die Sekundärbatterie BTa jedoch keine Restkapazität zum Speichern der Leistung hat, wird bestimmt, dass die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet werden soll, da das Risiko einer Verschlechterung der Sekundärbatterie BTa besteht.
Wenn die FC-Befehlsspannung variiert, um von der Grenzspannung abzuweichen, in anderen Worten: wenn die FC-Befehlsspannung die Grenzspannung von einer Spannung her erreicht hat, die höher als die Grenzspannung ist, und für einige Zeit bei der Grenzspannung gehalten wird, und die FC-Befehlsspannung danach erneut ansteigt, oder wenn die FC-Befehlsspannung die Grenzspannung von einer Spannung her erreicht hat, die niedriger als die Grenzspannung ist, und für einige Zeit bei der Grenzspannung gehalten wird, und die FC-Befehlsspannung danach wieder sinkt, nimmt die Möglichkeit, dass die FC-Befehlsspannung über die Grenzspannung hinausgeht ab, und es wird dementsprechend bestimmt, dass die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet werden soll.
Wenn in Schritt S04 bestimmt wird, dass die Überschreitungsvermeidungssteuerung nicht beendet werden soll, wird mit Schritt S03 fortgefahren. Wenn bestimmt werden soll, dass die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet werden soll, fährt der Controller ECU mit Schritt S05 fort.
In Schritt S05 wird die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet und ein Wiederherstellungsprozess wird ausgeführt, um die normale Steuerung wiederherzustellen. Wenn beispielsweise die FC-Befehlsspannung, die für die Überschreitungsvermeidungssteuerung auf der Grenzspannung gehalten wurde, eine große Lücke bzw. einen großen Abstand zur FC-Befehlsspannung während der normalen Steuerung hat, wird die FC-Befehlsspannung allmählich auf die FC-Befehlsspannung während der normalen Steuerung zurückgebracht. Wenn dagegen die FC-Befehlsspannung, die für die Überschreitungsvermeidungssteuerung auf der Grenzspannung gehalten wurde, eine kleine Lücke bzw. einen kleinen Abstand zur FC-Befehlsspannung während der normalen Steuerung hat, ist es auch bevorzugt, die FC-Befehlsspannung unmittelbar auf die FC-Befehlsspannung während der normalen Steuerung zurückzubringen.
In Schritt S06 wird die FC-Befehlsspannung basierend auf der benötigten Spannung berechnet und die normale Steuerung wird basierend auf der berechneten FC-Befehlsspannung ausgeführt.
Nachfolgend wird die Art und Weise, in welcher die FC-Befehlsspannung variiert, wenn das Brennstoffzellensystem FS der vorliegenden Ausführungsform entsprechend dem in 2 gezeigten Flussschaubild betrieben wird, Bezug nehmend auf 3 beschrieben. 3 zeigt einen Graph, der ein Beispiel der Schwankungen der Spannung der Brennstoffzelle zeigt, wenn das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem gemäß dem in 2 gezeigten Flussschaubild betrieben wird.
In 3 zeigt die vertikale Achse die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC und die horizontale Achse zeigt die Zeit. Die Linie L1 zeigt die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC, die Linie L2 zeigt eine virtuelle Linie, die der benötigten Spannung entspricht, und die Linie L3 zeigt eine virtuelle Linie, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur Linie L2 erhalten wird.
Im Ausgangszustand, zu dem das Brennstoffzellensystem FS gestartet wird (Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t1) wird eine Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotenzials ausgeführt, so dass die FC-Befehlsspannung nicht eine Leerlaufspannung (OCV) wird. Dementsprechend wird die FC-Befehlsspannung bei einer oberen Grenzspannung VL gehalten. Wenn die Linie L2, welche die benötigte Spannung darstellt, unter die obere Grenzspannung VL sinkt, wird die FC-Befehlsspannung derart gesteuert, dass sie der Linie L2 folgt. Wenn die Linie L1, welche die FC-Befehlsspannung darstellt, die Grenzspannung V0 erreicht hat (Zeitpunkt t2) wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 gehalten (Zeitpunkt t2 bis t3).
Bei dem in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ablauf, wird bestimmt, dass die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet werden soll, wenn die Unterstützung durch die Sekundärbatterie BTa einen Grenzpunkt erreicht hat, oder wenn die FC-Befehlsspannung so variiert, dass sie von der Grenzspannung V0 abweicht. Als Beispiel einer derartigen Bestimmung ist bevorzugt, dass die Bestimmung durch Hinzufügen einer gewissen Zeitverzögerung zur benötigten Spannung ausgeführt wird. In 3 ist die Linie L3 eine virtuelle Linie, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur Linie L2 erhalten wird. Wenn der Grad der Verzögerung der Linie L3 relativ zur Linie L2 an die Eigenschaften des Brennstoffzellensystems FS angepasst wird, ist es möglich, den Grenzpunkt der Versorgung bzw. Unterstützung durch die Sekundärbatterie BTa vorab zu bestimmen, und wenn die benötigte Spannung unter einen Wert über der Grenzspannung V0 abnimmt und unmittelbar darauf wieder ansteigt, ist es möglich, eine derartige Schwankung der benötigten Spannung zu erfassen. In der vorliegenden Ausführungsform fällt die Linie L3 zum Zeitpunkt t3 unter die Grenzspannung V0 und die Überschreitungsvermeidungsspannung wird entsprechend zum Zeitpunkt t3 beendet. Danach, zum Zeitpunkt t4, fährt das Brennstoffzellensystem mit der normalen Steuerung basierend auf der benötigten Spannung fort.
Die FC-Befehlsspannung steigt nach dem Zeitpunkt t4 an. Wenn die steigende FC-Befehlsspannung die Grenzspannung V0 erreicht hat (Zeitpunkt t5), wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 gehalten, und die Überschreitungsvermeidungssteuerung wird wieder aufgenommen (Zeitpunkt t5 bis t6). Danach geht die Linie L3 zum Zeitpunkt t6 über die Grenzspannung V0 und die Überschreitungsvermeidungssteuerung wird daher zum Zeitpunkt t6 beendet.
Wie vorstehend beschrieben ist, führt, wenn die benötigte Spannung, die der benötigten Leistung entspricht, die Grenzspannung V0 erreicht hat, welche die Grenze zwischen einem Niedrigspannungszustand, bei dem der Oxidbelag, der auf der Fläche des Metalls, das den Katalysator der Brennstoffzelle FC bildet, verringert wird, und einem Hochspannungszustand, bei dem das Metall, das den Katalysator der Brennstoffzelle FC bildet, oxidiert wird, um den Oxidbelag zu bilden, die vorliegende Ausführungsform die Überschreitungsvermeidungssteuerung aus, welche die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC bei der Grenzspannung V0 hält und absorbiert die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung unter Verwendung der Sekundärbatterie BTa.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es, da der Controller, der als Ausgabezufuhrteil dient, die Überschreitungsvermeidungssteuerung ausführt, welche die FC-Befehlsspannung für die Brennstoffzelle FC bei der Grenzspannung V0 hält, wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung V0 erreicht hat, möglich, die FC-Befehlsspannung daran zu hindern, über das Oxidation-Reduktions-Potenzial von Platin hinaus zu gehen, das den Katalysator der Brennstoffzelle FC bildet. Der Katalysator wird bei einem Potenzial eluiert, das höher als das Oxidation-Reduktion-Potenzial ist, und wird bei einem Potenzial abgelagert, das niedriger als das Oxidations-Reduktions-Potenzial ist. Eine Ansammlung bzw. Anhäufung aufgrund der Eluierung und Ablagerung des Katalysators kann somit durch das Steuern der Spannung derart, dass selbige nicht über das Oxidation-Reduktion-Potenzial variiert, vermieden werden.
Ferner wird, bei der vorliegenden Ausführungsform, die Überschreitungsvermeidungssteuerung, welche die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 hält, ausgeführt, wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung erreicht hat, und dementsprechend kann, wenn beispielsweise die benötigte Spannung innerhalb des Bereichs von der Leerlaufspannung (OCV) zur Grenzspannung V0 gehalten wird, die FC-Befehlsspannung wie benötigt entsprechend der benötigten Spannung eingestellt werden, und die Leistung der Sekundärbatterie BTa wird nicht verschwenderisch verwendet. Wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung V0 von Seiten einer höheren Spannung erreicht hat, wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 gehalten und die überschüssige Leistung wird der Sekundärbatterie BTa zugeführt, um die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung zu absorbieren (schließen). Wenn dagegen die benötigte Spannung die Grenzspannung V0 von einer Seite niedrigerer Spannung erreicht hat, wird die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 gehalten, und die fehlende Leistung wird von der Sekundärbatterie BTa zugeführt, um die Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung zu absorbieren.
Ferner wird bei der vorliegenden Ausführungsform, während die Überschreitungsvermeidungssteuerung ausgeführt wird, die virtuelle benötigte Spannung L3, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Spannung L2 erhalten wird, eingestellt und, wenn die virtuelle benötigte Spannung L3 die Grenzspannung V0 erreicht, wird die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet (siehe 3 und die hierzu gehörige Beschreibung). Diese Steuerung kann auch basierend auf einem virtuellen benötigten Strom, der der virtuellen benötigten Spannung L3 entspricht, oder einer virtuellen benötigten Leistung durchgeführt werden. Die Verwendung einer virtuellen benötigten Leistung ist bevorzugt.
Wie vorstehend beschrieben ist, führt die vorliegende Ausführungsform die Überschreitungsvermeidungssteuerung aus, welche die FC-Befehlsspannung bei der Grenzspannung V0 hält, wenn die benötigte Spannung die Grenzspannung V0 erreicht hat. Diese Überschreitungsvermeidungssteuerung verwendet die Sekundärbatterie zum Absorbieren der Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung und es gibt Fälle, in denen die Überschreitungsvermeidungssteuerung mit Blick auf die Kapazität der Sekundärbatterie BTa beendet werden soll, selbst wenn die Bedingung zum Starten der Überschreitungsvermeidungssteuerung weiterhin erfüllt ist. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung derart ausgestaltet, um eine virtuelle benötigte Spannung (Linie L3 in 3) einzustellen, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Spannung erhalten wird, und die Überschreitungsvermeidungssteuerung zu beenden, wenn die virtuelle benötigte Spannung die Grenzspannung V0 erreicht hat. Mit dieser Konfiguration kann, selbst wenn die benötigte Spannung in einer kurzen Zeitspanne aufsteigend und absteigend über die Grenzspannung V0 variiert, die FC-Befehlsspannung daran gehindert werden, einer derartigen Schwankung übermäßig zu folgen. Genauer gesagt kann, wenn beispielsweise die benötigte Spannung von einer Seite einer höheren Spannung über die Grenzspannung V0 geht, jedoch nach einem kurzen Zeitintervall auf die Seite höherer Spannung zurückkehrt, die Steuerung zum Vermeiden, dass die FC-Befehlsspannung über die Grenzspannung V0 geht, dadurch erzielt werden, indem die Überschreitungsvermeidungssteuerung zum Zeitpunkt, wenn die virtuelle benötigte Spannung die Grenzspannung V0 erreicht, beendet wird.
Ferner wird bei der vorliegenden Ausführungsform, während die Überschreitungsvermeidungssteuerung ausgeführt wird, die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine Restkapazität zum Entladen oder Laden der Sekundärbatterie BTa einen vorgegebenen Restkapazitätgrenzwert übersteigt (siehe Schritt S04 in 2 und die hierzu gehörige Beschreibung).
Wie vorstehend beschrieben ist, können bei der vorliegenden Ausführungsform Fälle auftreten, in denen die Überschreitungsvermeidungssteuerung mit Blick auf die Kapazität der Sekundärbatterie BTa beendet werden soll, selbst wenn die Bedingung zum Starten der Überschreitungsvermeidungssteuerung weiterhin erfüllt ist. Durch Beenden der Überschreitungsvermeidungssteuerung, wenn die Restkapazität zum Entladen oder Laden der Sekundärbatterie einen vorgegebenen Restkapazitätgrenzwert übersteigt, ist es möglich, die Steuerung zum Vermeiden des Eluierens des Katalysators ohne übermäßige Belastung der Sekundärbatterie BTa auszuführen.
Ferner ist es bei der vorliegenden Ausführungsform auch bevorzugt, einen solchen Restkapazitätgrenzwert entsprechend einer Schwankungs- oder Änderungsrate der benötigten Leistung zu verändern. Durch Abbilden der Schwankungs- bzw. Änderungsrate der benötigten Leistung in einem Stellwert für den Restkapazitätgrenzwert kann diese bevorzugte Ausführungsform ferner gewährleisten, dass eine übermäßige Belastung der Sekundärbatterie BTa vermieden wird.
Ferner ist es bei der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, während die Überschreitungsvermeidungssteuerung ausgeführt wird, die Überschreitungsvermeidungssteuerung zu beenden, wenn eine Schwankungsrate oder ein Änderungsbereich bzw. Schwankungsbereich der benötigten Leistung einen Schwankungsgrenzwert übersteigt. Daher ist es, wenn beispielsweise ein plötzlicher Anstieg der benötigten Leistung auftritt, möglich, sicherzustellen, dass die Ausgabe genau einer derartigen Veränderung der benötigten Leistung folgt, wodurch die Verschlechterung der Fahrbarkeit, wenn das Brennstoffzellensystem FC zum Fahren des Fahrzeugs verwendet wird, unterbunden wird.
Die vorliegende Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, bei welchem die Steuerung basierend auf der benötigten Spannung, der FC-Befehlsspannung, der Grenzspannung und der virtuellen benötigten Spannung, etc. ausgeführt wird, wobei es jedoch auch möglich ist, die Steuerung basierend auf der Leistung oder dem Strom auszuführen. In diesem Fall können auch eine leistungsbasierte Steuerung unter Verwendung der benötigten Leistung, der FC-Befehlsleistung, der Grenzleistung und der virtuellen benötigten Leistung, etc., eine strombasierte Steuerung unter Verwendung des benötigten Stromes, des FC-Befehlsstromes, des Grenzstromes und des virtuellen benötigten Stromes, etc. und jede Kombination der spannungsbasierten, leistungsbasierten und strombasierten Steuerung gewählt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

FS:

Brennstoffzellensystem

FC:

Brennstoffzelle

FS1:

Hochdruckwasserstofftank

ACP:

Luftkompressor

DCa

FC-Verstärkungswandler

TIV:

Traktionsinverter

DCb:

Batterieverstärkungswandler

DMa:

Antriebsmotor

BTa:

Sekundärbatterie

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Brennstoffzelle mit einer Brennstoffelektrode und eine Oxidationselektrode, wobei eine jede Elektrode einen Katalysator hat und derart angeordnet ist, dass sie eine Elektrolytmembran sandwichartig umschließt; eine Sekundärbatterie, die geeignet ist, um mit Elektrizität geladen zu werden und Elektrizität abzugeben; eine Last, die mit der Brennstoffzelle und der Sekundärbatterie elektrisch verbunden ist; und ein Ausgabezufuhrteil, das eine Leistung, eine Spannung oder einen Strom, die/der einer von der Last benötigten Leistung, einer von der Last benötigten Spannung und einem von der Last benötigten Strom entspricht, durch Einstellen einer von der Brennstoffzelle zugeführten Leistung, einer von der Brennstoffzelle zugeführten Spannung oder eines von der Brennstoffzelle zugeführten Stromes und einer von der Sekundärbatterie zugeführten Leistung, einer von der Sekundärbatterie zugeführten Spannung oder eines von der Sekundärbatterie zugeführten Stromes, zuführt, wobei, wenn die benötigte Leistung, die benötigte Spannung oder der benötigte Strom eine Grenzleistung, eine Grenzspannung oder einen Grenzstrom erreicht hat, wobei die Grenzleistung, die Grenzspannung und der Grenzstrom jeweils eine Oxidation-Reduktion-Leistung, eine Oxidation-Reduktion-Spannung und einen Oxidations-Reduktion-Strom des Katalysators der Brennstoffzelle darstellen, das Ausgabezufuhrteil eine Überschreitungsvermeidungssteuerung durchführt, die eine FC-Befehlsleistung, eine FC-Befehlsspannung oder einen FC-Befehlsstrom für die Brennstoffzelle bei der Grenzleistung, der Grenzspannung oder dem Grenzstrom hält und eine Lücke zwischen der benötigten Leistung und der FC-Befehlsleistung, eine Lücke zwischen der benötigten Spannung und der FC-Befehlsspannung oder eine Lücke zwischen dem benötigten Strom und dem FC-Befehlsstrom durch eine Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie oder eine Leistungsspeicherung in der Sekundärbatterie absorbiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Ausgabezufuhrteil, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, eine virtuelle benötigte Leistung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Leistung, eine virtuelle benötigte Spannung, die durch Hinzufügen einer Zeitverzögerung zur benötigten Spannung, oder einen virtuellen benötigten Strom, der durch Hinzufügen einer Verzögerung zum benötigten Strom erhalten wird, einstellt und die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine Leistung, eine Spannung oder ein Strom, die der virtuellen benötigten Leistung, der virtuellen benötigten Spannung oder dem virtuellen benötigten Strom entspricht, die Grenzleistung, die Grenzspannung oder den Grenzstrom erreicht hat.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Ausgabezufuhrteil, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine verbleibende Kapazität zum Entladen oder Laden der Sekundärbatterie einen vorgegebenen Restkapazitätgrenzwert übersteigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Ausgabezufuhrteil den Restkapazitätgrenzwert entsprechend einer Schwankungsrate der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes ändert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Ausgabezufuhrteil, während der Ausführung der Überschreitungsvermeidungssteuerung, die Überschreitungsvermeidungssteuerung beendet, wenn eine Schwankungsrate oder ein Schwankungsbereich der benötigten Leistung, der benötigten Spannung oder des benötigten Stromes einen Schwankungsgrenzwert übersteigt.