DE112013003046T5

DE112013003046T5 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren desselben

Info

Publication number: DE112013003046T5
Application number: DE112013003046.2T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KA Matsusue Masaaki; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI K Aimu Masanori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-03-05
Also published as: CN104508887B; CN104508887A; US11283089B2; JP5924228B2; WO2014060805A1; US20150207159A1; US20190081339A1; JP2014082115A; US10158134B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle (20); eine Oxidationsgaszufuhreinheit (30), die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle (20) zuführt; und eine Gasdrucksteuereinheit (60), die derart konfiguriert ist, dass sie als eine Gasdrucksensitivität ein Verhältnis von einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle (20) zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases erfasst, eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle (20) auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität spezifiziert und den Druck des Oxidationsgases auf der Basis der spezifizierten Korrespondenzbeziehung steuert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein eine Brennstoffzelle enthaltendes Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Brennstoffzellensystem, das als Reaktion auf die Abweichung eines durch eine Brennstoffzelle erzeugten Leistungsbetrags eine Luftströmungsrate an einer Kathodeneinlassseite zu einer Sollluftströmungsrate entsprechend einem erforderlichen Leistungserzeugungsbetrag steuert und einen Luftdruck auf der Kathodeneinlassseite steuert, ist im Stand der Technik verfügbar (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-42839 ( JP 2002-42839 A )). Der Luftdruck auf der Kathodeneinlassseite wird durch Einstellen eines auf einer Kathodenauslassseite vorgesehenen Gegendrucksteuerventils gesteuert (JP 2002-42839 A und offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2011-29158 ( JP-2011-29158 A )).
Im Stand der Technik wurde jedoch keine ausreichende Betrachtung einer Steuerung gegeben, die bei einem Fall ausgeführt wird, bei dem der durch die Brennstoffzelle erzeugte Leistungsbetrag aufgrund einer Reduktion eines Oberflächenbereichs eines Platins abnimmt, das als ein Elektrodenkatalysator dient, der bei der Verwendung der Brennstoffzelle einhergeht.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren desselben bereit, mit dem das Brennstoffzellensystem entsprechend einer Reduktion eines Oberflächenbereichs eines als ein Elektrodenkatalysator dienenden Platins gesteuert werden kann.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, das enthält: eine Brennstoffzelle; eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt; und eine Gasdrucksteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie als eine Gasdrucksensitivität ein Verhältnis einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases erfasst, eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität spezifiziert und den Druck des Oxidationsgases auf der Basis der spezifizierten Korrespondenzbeziehung steuert.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt kann, wenn ein Oberflächenbereich eines als ein Elektrodenkatalysator der Kathodenelektrode dienenden Platins sich während der Verwendung der Brennstoffzelle verringert, was zu einer Reduktion der Ausgabe der Brennstoffzelle führt, der Druck des Oxidationsgases gesteuert werden, während die Gasdrucksensitivität berücksichtigt wird, und dadurch kann eine erforderliche Ausgabe zuverlässiger sichergestellt werden. Dadurch kann mit dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt eine Hochleistungserzeugungsperformance erhalten werden.
Die Gasdrucksteuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass sie eine erforderliche Ausgabe, die von der Brennstoffzelle angefordert wird, erhält, als einen Sollgasdruck einen Druck des Oxidationsgases entsprechend der erforderlichen Ausgabe durch Vergleichen der erforderlichen Ausgabe mit der Korrespondenzbeziehung berechnet und den Druck des Oxidationsgases zu dem Sollgasdruck steuert. Gemäß diesem Aspekt kann der Druck des Oxidationsgases auf einfache Weise gesteuert werden und dadurch kann eine noch höhere Leistungserzeugungsperformance erhalten werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Speichereinheit, die Tabellendaten speichert, in denen Korrespondenzbeziehungen zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle jeweils mit individuellen Werten der Gasdrucksensitivität zugeordnet sind, und die Gasdrucksteuereinheit enthalten, die derart konfiguriert sein kann, dass sie die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle durch Auswählen der Korrespondenzbeziehung, die die erfasste Gasdrucksensitivität von den Tabellendaten entspricht, spezifiziert. Gemäß dieser Konfiguration kann die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle schnell spezifiziert werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner ein Gegendruckregelventil enthalten, das derart konfiguriert ist, dass es den Druck des von dem Kathodenelektrodenauslass der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsgases regelt, und eine Gasdrucksteuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass sie den Druck des Oxidationsgases durch Einstellen einer Öffnung des Gegendruckregelventils steuert. Gemäß dieser Konfiguration kann durch Steuern des Drucks (ein Gegendruck) des von dem Kathodenelektrodenauslass abgegebenen Oxidationsgases das Oxidationsgas mit einem hohen Grad an Ansprechverhalten gesteuert werden.
Die Gasdrucksteuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass sie die Gasdrucksensitivität erfasst und die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt zum Starten spezifiziert, um den Druck des Oxidationsgases zu erhöhen. Gemäß dieser Konfiguration kann die erforderliche Ausgabe mit einem hohen Grad an Ansprechverhalten erhalten werden, wenn eine Anforderung zum Erhöhen der Ausgabe der Brennstoffzelle ausgestellt wird.
Die Gasdrucksteuereinheit kann die Gasdrucksensitivität erfassen und die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt spezifizieren, bei dem eine Last der Brennstoffzelle beginnt zu einem Betriebspunkt mit einer vorbestimmten Last verschoben zu werden. Gemäß dieser Konfiguration kann, wenn eine Hochlastanforderung oder eine Niederlastanforderung ausgestellt wird, eine Ausgabe entsprechend der Hochlastanforderung oder der Niederlastanforderung mit einem hohen Grad an Ansprechverhalten erhalten werden.
Die Brennstoffzelle kann einen Elektrodenkatalysator enthalten, die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle kann eine erste Korrespondenzbeziehung und eine zweite Korrespondenzbeziehung enthalten, wobei die zweite Korrespondenzbeziehung derart festgelegt ist, dass eine Magnitude bzw. Größe des Drucks des Oxidationsgases der zweiten Korrespondenzbeziehung entsprechend einer identischen Ausgabe der Brennstoffzelle größer als die einer Magnitude bzw. Größe des Drucks des Oxidationsgases der ersten Korrespondenzbeziehung ist, und die Gasdrucksteuereinheit kann die Korrespondenzbeziehung durch Auswählen der ersten Korrespondenzbeziehung, wenn die Brennstoffzelle nicht in einem vorbestimmten Betriebszustand ist, in dem sich eine Nutzrate des in dem Elektrodenkatalysator enthaltenen Platins verringert, und durch Auswählen der zweiten Korrespondenzbeziehung, wenn die Brennstoffzelle in dem vorbestimmten Betriebszustand ist, spezifiziert. Gemäß dieser Konfiguration kann die erforderliche Ausgabe zuverlässiger selbst in einem Betriebszustand erhalten werden, bei dem die Nutzerrate des Platins sich verringerte.
Der vorbestimmte Betriebszustand kann ein gefluteter Zustand der Brennstoffzelle sein. Gemäß dieser Konfiguration kann die erforderliche Ausgabe zuverlässiger sichergestellt werden, selbst wenn die Brennstoffzelle in einem gefluteten Zustand ist.
Der vorbestimmte Betriebszustand kann ein Leerlaufzustand der Brennstoffzelle sein. Gemäß dieser Konfiguration kann die erforderliche Ausgabe zuverlässig sichergestellt werden, selbst wenn die Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand ist.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen nicht-flüchtigen Speicher enthalten, der derart konfiguriert ist, dass er fortsetzt die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle zu speichern, die durch die Gasdrucksteuereinheit spezifiziert wird, nachdem eine Leistungszufuhr der Brennstoffzelle ausgeschaltet wurde, und die Gasdrucksteuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass sie den Druck des Oxidationsgases innerhalb einer vorbestimmten Periode auf der Basis der in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Korrespondenzbeziehung steuert. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Verarbeitungsansprechverhalten erhöht werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Flutungsbestimmungseinheit enthalten, die derart konfiguriert ist, dass sie bestimmt, ob ein Fluten in der Brennstoffzelle aufgetreten ist, durch Vergleichen einer spezifischen Gasdrucksensitivität, die von der durch die Gasdrucksteuereinheit spezifizierten Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle bestimmt wird, mit einer von einem tatsächlichen Druck des Oxidationsgases und einer tatsächlichen Ausgabe der Brennstoffzelle abgeleiteten tatsächlichen Gasdrucksensitivität, und durch Vergleichen eines spezifischen Ausgabeabsolutwerts, der ein Absolutwert der Ausgabe ist, der der spezifischen Gasdrucksensitivität entspricht, mit einem tatsächlichen Ausgabeabsolutwert. Gemäß dieser Konfiguration kann das Auftreten des Flutens mit einem hohen Grad an Genauigkeit erfasst werden.
Wenn die Flutungsbestimmungseinheit bestimmt, dass das Fluten aufgetreten ist, kann die Flutungsbestimmungseinheit konfiguriert sein, dass sie eine Verarbeitung zum Vermeiden des Flutens ausführt. Gemäß dieser Konfiguration kann das Fluten vermieden werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance weiter verbessert werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Batterie und eine Gasströmungsratensteuereinheit enthalten, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Strömungsrate des Oxidationsgases derart steuert, dass, wenn die Gasdrucksteuereinheit den Druck des Oxidationsgases steuert, während die Batterie in einem vorbestimmten Zustand ist, die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe zu einem früheren Zeitpunkt als einem Zeitpunkt erreicht, zu dem der Druck des Oxidationsgases den Sollgasdruck erreicht. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Leistungsanstieg, der erzeugt wird, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe zu einem früheren Zeitpunkt als zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem der Druck des Oxidationsgases den Sollgasdruck erreicht, zu einem Leistungsbetrag zugeordnet werden, der erforderlich ist, um den Zustand der Batterie zu verbessern, und daher kann ein Gleichgewicht zwischen Nachfrage bzw. Anforderung und Zufuhr der Leistung durchweg in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine SOC-Erfassungseinheit enthalten, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Ladezustand (SOC) der Batterie erfasst, und es kann bestimmt werden, dass die Batterie in dem vorbestimmten Zustand ist, wenn der erfasste SOC von einem vorbestimmten Bereich abweicht. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden, wenn der SOC der Batterie von dem geeigneten Bereich abweicht.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Gasströmungsratensteuereinheit enthalten, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Strömungsrate des Oxidationsgases derart steuert, dass, wenn die Gasdrucksteuereinheit den Druck des Oxidationsgases steuert, während die Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Zustand ist, die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe zu einem früheren Zeitpunkt als zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem der Druck des Oxidationsgases den Sollgasdruck erreicht. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Leistungsanstieg, der erzeugt wird, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe zu dem früheren Zeitpunkt erreicht, zu einem Leistungsbetrag zugeordnet werden, der erforderlich ist, um den Zustand der Brennstoffzelle zu verbessern, und daher kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden.
Es kann bestimmt werden, dass die Brennstoffzelle in dem vorbestimmten Zustand ist, wenn das Fluten in der Brennstoffzelle auftritt. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden, wenn die Brennstoffzelle in dem gefluteten Zustand ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, das enthält: eine Brennstoffzelle; eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt; eine Gasdrucksteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Druck des Oxidationsgases steuert; und eine Platinoberflächenbereichsschätzeinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Verhältnis einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases als eine Gasdrucksensitivität erfasst, und einen Platinoberflächenbereich der Kathodenelektrode auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität schätzt. Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt kann der Platinoberflächenbereich der Kathodenelektrode mit einem hohen Grad an Genauigkeit geschätzt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine Oxidationsgaszufuhreinheit enthält, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt, die enthält: Erfassen eines Verhältnisses einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung eines Drucks des Oxidationsgases als eine Gasdrucksensitivität; Spezifizieren einer Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität; und Steuern des Drucks des Oxidationsgases auf der Basis der spezifizierten Korrespondenzbeziehung. Mit dem Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt kann ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt die erforderliche Ausgabe zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann eine höhere Leistungserzeugungsperformance erhalten werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine Oxidationsgaszufuhreinheit enthält, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt, das enthält: Steuern eines Drucks des Oxidationsgases; Erfassen eines Verhältnisses einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases als Gasdrucksensitivität; und Schätzen eines Platinoberflächenbereichs der Kathodenelektrode auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität. Mit dem Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt kann der Platinoberflächenbereich der Kathodenelektrode mit einem hohen Grad an Genauigkeit geschätzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen, und wobei:
1 eine darstellende Ansicht ist, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems als eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ein Flussdiagramm ist, das eine durch die Steuereinheit auszuführende Kathodengegendrucksteuerverarbeitung darstellt;
3 ein Diagramm ist, das eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve darstellt;
4 ein Flussdiagramm ist, das eine Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
5 ein Diagramm ist, das eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
6 ein Diagramm ist, das eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve gemäß einem abgewandelten Beispiel der zweiten Ausführungsform darstellt;
7 ein Flussdiagramm ist, das eine Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt;
8 ein Diagramm ist, das eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
9 ein Flussdiagramm ist, das eine Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt;
10 ein Flussdiagramm ist, das eine Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß einem zweiten abgewandelten Beispiel der vierten Ausführungsform darstellt;
11 ein Flussdiagramm ist, das eine Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß einer sechsten Ausführungsform darstellt;
12 ein Flussdiagramm ist, das eine Feuchtigkeitssteuerverarbeitung gemäß einer siebten Ausführungsform darstellt;
13A bis 13D darstellende Ansichten sind, die eine Schwankung einer Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in Abhängigkeit des Vorhandenseins oder Nicht-Vorhandenseins des Flutens unter den entsprechenden Zuständen darstellt;
14 ein Flussdiagramm ist, das eine Gesamtsteuerverarbeitung gemäß einer achten Ausführungsform darstellt;
15 ein Diagramm ist, das eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Kathodengegendruck und einer Kathodenströmungsrate während des Ausführens der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung darstellt;
16 ein Zeitdiagramm ist, das eine Schwankung des Kathodengegendrucks, der Kathodenströmungsrate und einer Ausgabe einer Brennstoffzelle darstellt;
17 ein Flussdiagramm ist, das eine Gesamtsteuerverarbeitung gemäß einer neunten Ausführungsform darstellt; und
18 ein Flussdiagramm ist, das eine Gesamtsteuerverarbeitung gemäß einer zehnten Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie vorstehend im Stand der Technik berücksichtigt, wurde keine ausreichende Betrachtung zu einer Steuerung angegeben, die bei einem Fall ausgeführt wird, bei dem ein durch eine Brennstoffzelle erzeugter Leistungsbetrag sich verringert aufgrund einer Reduktion eines Oberflächenbereichs eines Platins, das als ein Elektrodenkatalysator dient, der für die Verwendung der Brennstoffzelle einhergeht. Es kann daher unmöglich sein, eine Hochleistungserzeugungsperformance durch Ausführen einer Steuerung wie z. B. der in der JP 2002-42839 A Beschriebenen zu erhalten. Es ist auch schwierig, einen erforderlichen Leistungserzeugungsbetrag sicherzustellen. Darüber hinaus ist ein Ansprechverhalten einer Luftdrucksteuerung gering. Zudem besteht die Anforderung zur Verbesserung des Fahrverhaltens, wenn ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug installiert ist, die Reduktion der Größe und Kosten des Brennstoffzellensystems, eine Reduktion eines Betrags von konsumierten naturellen Ressourcen, zum Vereinfachen eines Herstellungsprozesses, einer Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit, usw.
Die Erfindung kann wenigstens einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme lösen, indem sie es ermöglicht, dass sie ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer Reduktion eines Oberflächenbereichs eines als ein Elektrodenkatalysator dienenden Platins steuert.
Als Nächstes werden die Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine darstellende Ansicht, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 darstellt, das als eine erste Ausführungsform der Erfindung dient. In dieser Ausführungsform wird die Erfindung auf einem fahrzeugseitigen Fahrzeugerzeugungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug angewandt. Wie in 1 dargestellt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 eine Brennstoffzelle (FC) 20, die eine Leistungserzeugung beim Empfang einer Zufuhr eines Oxidationsgases und eines Brennstoffgases ausführt, und eine elektrische Leistung durch die Leistungserzeugung erzeugt, ein Oxidationsgasleitungssystem 30, das eine als Oxidationsgas dienende Luft zu der Brennstoffzelle 2 zuführt, ein Brennstoffgasleitungssystem 40, das ein als das Brennstoffgas dienendes Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle 20 zuführt, ein elektrisches Leistungssystem 50, das eine elektrische Leistung zu und von dem System lädt oder entlädt, eine Steuereinheit 60, die eine Gesamtsteuerung des gesamten Systems ausführt, usw.
Die Brennstoffzelle 20 ist eine Brennstoffzelle vom Feststoffpolymerelektrolyttyp, und umfasst einen gestapelten Aufbau, in dem eine große Anzahl von einzelnen Zellen gestapelt ist. Jede Einzelzelle der Brennstoffzelle 20 umfasst eine Kathodenelektrode (eine Luftelektrode) und eine Anodenelektrode (Kraftstoffelektrode) auf entsprechende Oberflächen eines durch ein ionenaustauschmembranbildenden Elektrolyts. Ein poröses Kohlenstoffmaterial wird beispielsweise als Basis für die Elektroden verwendet, die die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode enthalten, und Platin Pt wird als Katalysator für die Elektroden (ein Elektrodenkatalysator) verwendet. Darüber hinaus wird ein Paar von Separatoren vorgesehen, um die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode von beiden Seiten sandwichartig aufzunehmen. Das Brennstoffgas wird zu einer Brennstoffgasströmungspassage in einen der Separatoren zugeführt, und ein Oxidationsgas wird zu einer Oxidationsgasströmungspassage in dem anderen Separator zugeführt. Als Ergebnis dieser Gaszufuhr erzeugt die Brennstoffzelle 20 eine elektrische Leistung.
Ein Stromsensor 2a, der einen Strom (einen Ausgangsstrom) während einer Leistungserzeugung erfasst, ein Spannungssensor 2b, der eine Spannung erfasst und einen Temperatursensor 2c, der eine Temperatur der Brennstoffzelle 20 erfasst, werden an der Brennstoffzelle 20 angebracht.
Das Oxidationsgasleitungssystem 30 enthält einen Luftkompressor 31, eine Oxidationsgaszufuhrpassage 32, ein Befeuchtungsmodul 33, eine Kathodenabgasströmungspassage 34, einen Motor M1, der den Luftkompressor 31 antreibt, usw.
Der Luftkompressor 31 wird durch eine Antriebskraft von dem Motor M1 angetrieben, der durch einen Steuerbefehl von der Steuereinheit 60 betätigt wird, um Sauerstoff (Oxidationsgas), der von einer Außenluft über einen Luftfilter eingebracht wird, der nicht in der Figur gezeigt, und den komprimierten Sauerstoff zu der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zuführt. Ein Drehzahlerfassungssensor 3a, der eine Drehzahl (eine Drehzahl pro vorbestimmter Zeit; ähnlich wie danach) des Motors M1 erfasst, ist an dem Motor M1 angebracht. Die Oxidationsgaszufuhrpassage 32 ist eine Gasströmungspassage zum Führen des von dem Luftkompressor 31 zugeführten Sauerstoffs zu der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20. Ein Kathodenabgas wird von der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle durch die Kathodenabgasströmungspassage 34 abgegeben. Das Kathodenabgas enthält das Abgas des Sauerstoffs nach dem Beitragen zu einer Brennstoffzellenreaktion in der Brennstoffzelle 20. Das Kathodenabgas enthält eine durch die Zellenreaktion in der Brennstoffzelle 20 erzeugte Feuchtigkeit und ist daher in einem Zustand einer hohen Feuchtigkeit.
Das Feuchtigkeitsmodul 33 befeuchtet das zu der Brennstoffzelle 20 zugeführte Oxidationsgas geeignet durch Austauschen eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen dem durch die Oxidationsgaszufuhrpassage 32 strömenden Niederfeuchtigkeitsoxidationsgas und dem durch die Kathodenabgasströmungspassage 34 strömenden Hochfeuchtigkeits-Kathodenabgas. Die Kathodenabgasströmungspassage 34 ist eine Gasströmungspassage zum Abgeben des Kathodenabgases zum Äußeren des Systems, und ein Gegendruckregelventil A1 ist nahe einem Kathodenelektrodenauslass der Gasströmungspassage angeordnet. Ein Druck (der nachstehend als „Kathodengegendruck” bezeichnet wird) des von der Brennstoffzelle 20 abgegebenen Oxidationsgases wird durch das Gegendruckregelventil A1 geregelt. Ein Drucksensor 3b, der den Kathodengegendruck erfasst, ist an der Kathodenabgasströmungspassage 34 zwischen der Brennstoffzelle 20 und dem Gegendruckregelventil A1 angebracht.
Das Brennstoffgasleitungssystem 40 enthält eine Brennstoffgaszufuhrquelle 41, eine Brennstoffgaszufuhrquelle 42, eine Brennstoffgasrezirkulationspassage 43, eine Anodenabgasströmungspassage 44, eine Wasserstoffzirkulationspumpe 45, ein Überprüfungsventil 46, einen Motor M2 zum Antreiben der Wasserstoffzirkulationspumpe 45, usw.
Die Brennstoffgaszufuhrquelle 41 führt das Brennstoffgas, wie z. B. Wasserstoffgas, zu der Brennstoffzelle 20 zu, und ist beispielsweise durch einen Hochdruckwasserstofftank, einen Wasserstoffspeichertank oder dergleichen gebildet. Die Brennstoffgaszufuhrpassage 42 ist eine Gasströmungspassage zum Führen des von der Brennstoffgaszufuhrquelle 41 freigegebenen Brennstoffgases zu der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20, und Ventile, wie z. B. ein Tankventil H1, ein Wasserstoffzufuhrventil H2 und ein FC-Einlassventil H3, sind in der Gasströmungspassage in einer Reihenfolge von einer stromaufwärtsgelegenen Seite zu einer stromabwärtsgelegenen Seite angeordnet. Das Tankventil H1, das Wasserstoffzufuhrventil H2 und das FC-Einlassventil H3 sind Absperrventile zum Zuführen (oder Unterbrechen der Zufuhr von) des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle 20, und sind beispielsweise durch Solenoidventile ausgebildet.
Die Brennstoffgasrezirkulationspassage 43 ist eine Regelungsgasströmungspassage zum Rezirkulieren von nicht reagierten Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle 20, und ein FC-Auslassventil H4, die Wasserstoffzirkulationspumpe 45 und das Überprüfungsventil 46 sind in der Gasströmungspassage in der Reihenfolge von einer stromaufwärtsgelegenen Seite zu einer stromabwärtsgelegenen Seite angeordnet. Ein Niederdruck-Nicht-Reagiertes-Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird, wird geeignet durch die Wasserstoffzirkulationspumpe 45 unter Druck gesetzt, die durch die Antriebskraft von dem durch einen Steuerbefehl von der Steuereinheit 60 betätigten Motor M2 angetrieben wird, und zu der Brennstoffgaszufuhrpassage 42 zugeführt wird. Ein Rückfluss des Brennstoffzellengases von der Brennstoffgaszufuhrpassage 42 zu der Brennstoffgasrezirkulationspassage 43 wird durch das Überprüfungsventil 46 unterdrückt. Die Anodenabgasströmungspassage 44 ist eine Gasströmungspassage zum Abgeben eines Anodenabgases, das Wasserstoffabgas enthält, das von der Brennstoffzelle 20 zum Äußeren des Systems abgegeben wird, und ein Ablassventil H5 ist in der Gasströmungspassage angeordnet.
Das elektrische Leistungssystem 50 enthält einen Hochdruck-Gleichstrom/Gleichstrom(DC/DC)-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionsumrichter 53, einen Zusatzinverter 54, einen Traktionsmotor M3, einen Zusatzmotor M4, usw.
Der Hochdruck-DC/DC-Wandler 51 ist ein Gleichstromspannungswandler mit einer Funktion zum Regeln einer Gleichstromspannungseingabe darin von der Batterie 52 und zum Ausgeben der geregelten Gleichstromspannung zu dem Traktionsinverter 53, und einer Funktion zum Regeln einer Gleichstromspannungseingabe darin von der Brennstoffzelle 20 oder dem Traktionsmotor M3 und zum Ausgeben der geregelten Gleichstromspannung zu der Batterie 52. Ein Laden und Entladen der Batterie 52 wird durch diese Funktionen des Hochdruck-DC/DC-Wandlers 51 realisiert. Ferner wird eine Ausgabespannung der Brennstoffzelle 20 durch den Hochdruck-DC/DC-Wandler 51 gesteuert.
Die Batterie 52 ist eine ladbare/entladbare Sekundärbatterie. Verschiedene Arten von Sekundärbatterien, wie beispielsweise eine Nickelwasserstoffbatterie oder dergleichen, können verwendet werden. Die Batterie 52 kann mit einer Überspannung unter der Steuerung eines Batteriecomputers geladen werden, der nicht in der Figur gezeigt ist, und kann auch eine Zusatzleistung zuführen. Ein Teil der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugte Gleichstromleistung wird durch den Hochdruck-DC/DC-Wandler 51 geboostet bzw. verstärkt oder heruntergestuft werden und die Batterie 52 geladen. Ein SOC-Sensor 5a, der die SOC der Batterie 52 erfasst, ist an der Batterie 52 angebracht. Es ist zu beachten, dass eine ladbare/entladbare Speichervorrichtung außer eine Sekundärbatterie, wie z. B. ein Kondensator, beispielsweise anstelle der Batterie 52 verwendet werden kann.
Ein Traktionsinverter 53 und der Zusatzinverter 54 sind Pulsweitenmodulations(PWM)-Inverter mit einem pulsweiten Modulationssystem, das die Gleichstromleistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 in die Dreiphasenwechselstromspannung als Reaktion auf einen gegebenen Steuerbefehl umwandelt, und die Dreiphasenwechselstromspannung zu dem Traktionsmotor M3 und dem Zusatzmotor M4 zuführt. Der Traktionsmotor M3, der ein Beispiel einer Lastleistungsquelle ist, ist ein Motor (ein Fahrzeugantriebsmotor) zum Antreiben von Fahrzeugräder 71, 72. Ein Drehzahlerfassungssensor 5b, der eine Drehzahl des Traktionsmotors M3 erfasst, ist an dem Traktionsmotor M3 angebracht. Der Zusatzmotor M4 ist ein Motor zum Antreiben von verschiedenen Zubehörteilen. Der Motor M1, der den Luftkompressor 31 antreibt, der Motor M2, der die Wasserstoffzirkulationspumpe 45 antreibt, usw. werden kollektiv als Zusatzmotor M4 bezeichnet.
Die Steuereinheit 60 bildet eine zentrale Recheneinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), usw. und bildet eine Gesamtsteuerung der entsprechenden Teile des Systems basierend auf Eingabesensorsignalen aus. Insbesondere berechnet die Steuereinheit 60 eine erforderliche Leistungserzeugungsmenge (wird nachstehend als eine „erforderliche Ausgabe” bezeichnet), die von der Brennstoffzelle 20, auf der Basis der entsprechenden Sensorsignale erforderlich ist, die von einem Gaspedalsensor 81, der eine Drehung eines Gaspedals 80 erfasst, dem SOC-Sensor 5a, den Drehzahlerfassungssensoren 3a, 5b usw. übertragen werden.
Die Steuereinheit 60 steuert anschließend eine Ausgabespannung und einen Ausgabestrom der Brennstoffzelle 20 derart, dass die Brennstoffzelle 20 die erforderliche Ausgabe erzeugt. Ferner steuert die Steuereinheit 60 den Traktionsmotor M3 und den Zusatzmotor M4 zum Steuern von Ausgabeimpulsen und dergleichen des Traktionsinverters 53 und des Zusatzinverters 54.
Bei der Brennstoffzelle 20 verringert sich ein Platinoberflächenbereich, wenn sich eine Nutzungszeit der Brennstoffzelle 20 über einen Zeitraum erhöht, und dadurch nimmt die Ausgangsspannung ab. Mit anderen Worten, wenn sich der Oberflächenbereich des Platins auf der Kathodenkatalysatorschicht verringert, wenn sich die Nutzungszeit der Brennstoffzelle 20 erhöht, wird es unmöglich, eine erforderliche Ausgabeleistung von der Brennstoffzelle 20 zu erhalten. Dadurch stellt die Steuereinheit 60 sicher, dass die erforderliche Ausgabeleistung durch Einschätzen des Platinoberflächenbereichs und durch Steuern des Gegendruckregelventils A1 entsprechend einem Schätzergebnis erhalten werden kann. Diese Steuerverarbeitung (Kathodengegendrucksteuerverarbeitung) wird durch Funktionieren einer erforderlichen Ausgabeerlangungseinheit 61, einer Gasdrucksensitivitätserfassungseinheit 62, einer Korrespondenzbeziehungsberechnungseinheit 63, einer Sollgasdruckberechnungseinheit 64 und einer Gasdruckabwandlungseinheit 65 realisiert werden. Die entsprechenden Einheiten 61 bis 65 werden nachstehend ausführlich beschrieben. Die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung wird nachstehend ausführlich beschrieben.
2 ist ein Flussdiagramm, das eine durch die Steuereinheit 60 ausgeführte Kathodengegendrucksteuerverarbeitung darstellt. Die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung wird wiederholend bei vorbestimmten Zeitintervallen (beispielsweise jede 10 msek) ausgeführt. Wenn die Verarbeitung beginnt, bestimmt die Steuereinheit 60 zunächst, ob ein momentaner Zeitpunkt (ein Zeitpunkt, zu dem die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ausgeführt wird) einem Zeitpunkt zum Starten entspricht, um den Kathodengegendruck zu erhöhen (einen Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt) (Schritt Silo). Wenn ein Fahrer eine Lastanforderung durch Niederdrücken des Gaspedals 80 erstellt, wird ein durch den Luftkompressor 31 zugeführter Betrag eines Oxidationsgases durch eine in den Figuren nicht gezeigte Steuerverarbeitung erhöht, was zu einer Erhöhung des Kathodengegendrucks führt. Dadurch wird bei Schritt S110 eine Bestimmung durchgeführt, ob ein momentaner Zeitpunkt dem Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt entspricht.
Wenn bei Schritt S110 bestimmt wird, dass der momentane Zeitpunkt dem Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt entspricht, schreitet die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zu Schritt S120, bei dem die Verarbeitung ausgeführt wird, um einen Kathodengegendruck P von dem Drucksensor 3p zu erhalten. Als Nächstes berechnet die Steuereinheit 60 eine Schwankung ΔP des Kathodengegendrucks von einem Kathodengegendruck, der während der vorherigen Ausführung der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung durch Subtrahieren des vorherigen Kathodengegendrucks von dem in Schritt S110 erhaltenen Kathodengegendruck P erhalten wird (Schritt S130).
Als Nächstes erhält die Steuereinheit 60 eine Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 (Schritt S140). Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 60 eine Ausgabeleistung als Ausgabe W durch Erhalten des Stroms von dem Stromsensor 2a und der Spannung von dem Spannungssensor 2b, und der Strom wird mit der Spannung multipliziert. Als Nächstes berechnet die Steuereinheit 60 eine Schwankung ΔW der Ausgabe von einer Ausgabe, die während der vorherigen Ausführung der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung durch Subtrahieren der vorherigen Ausgabe von der erhaltenen Ausgabe W erhalten wird (Schritt S150).
Als Nächstes teilt die Steuereinheit 60 die Schwankung ΔW der Ausgabe durch die Schwankung ΔP des Kathodengegendrucks, und speichert einen resultierenden Quotienten als eine Kathodengegendrucksensitivität S (Schritt S160). Mit anderen Worten, die Kathodengegendrucksensitivität S wird in den RAM als ein Verhältnis von ΔW zu ΔP gespeichert. Als Nächstes führt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zum Schätzen einer Kathodengegendrucks-Ausgabekermlinienkurve auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S aus (Schritt S170).
3 ist ein Diagramm, das eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve darstellt. Wie durch das Diagramm dargestellt, wenn der Kathodengegendruck P auf der Abszisse dargestellt wird, wird eine Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 auf der Ordinate dargestellt, und die Ausgabe W entsprechend dem Kathodengegendruck P wird abgebildet, wobei eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve, die durch eine Kurve C1 angezeigt wird, wird beispielsweise erhalten. Die Kurve C1 und die Kurven C2, C3, um sie nachstehend zu beschreiben, können vorab durch Experimentieren oder Simulation bestimmt werden. Gemäß der Kurve C1 erhöht sich die Ausgabe W, wenn sich der Kathodengegendruck P erhöht, und nach Erreichen eines Spitzenwerts nimmt die Ausgabe W ab, wenn der Kathodengegendruck P sich erhöht.
Die Kurve C1 zeigt einen Fall, bei dem der Platinoberflächenbereich der Kathodenelektrode bei einem Maximum ist, oder mit anderen Worten, einen Anfangsbetrieb, bei dem es keine Veränderung des Zustands des Elektrodenkatalysators gibt. Wenn die nutzbare Zeit der Brennstoffzelle sich derart erhöht, dass sich der Platinoberflächenbereich verringert, variiert die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve von Kurve C1 zu Kurve C2. Auf der Kurve C2 ist die Ausgabe W kleiner als auf der Kurve C1 in allen Regionen, und ein Unterschied der Ausgabe W relativ zur Kurve C1 nimmt zu, wenn der Kathodengegendruck P sich verringert. Mit anderen Worten, eine Steigung k2 (= ΔW2/ΔP1) bei einer ansteigenden Periode der Kurve C2 ist größer als eine Steigung k1 (= ΔW1/ΔP1) in der steigenden Periode der Kurve C1.
Die Kurve C3 zeigt einen Fall, in dem der Platinoberflächenbereich weiter von der Kurve C2 verringert wird. Eine Steigung k3 (= ΔW3/ΔP1) in der steigenden Periode der Kurve C3 ist größer als die Steigung k2 in der steigenden Periode der Kurve C2. Die „steigende Periode” ist eine Periode, in der die Ausgabe W eine vorbestimmte Proportion (90[%] beispielsweise) des Spitzenwerts erreicht, und die Steigung der Periode nimmt im Wesentlichen konstante Werte k1, k2, k3 auf den entsprechenden Kurven C1, C2, C3 ein. Es ist offensichtlich von dem Vorstehenden, dass die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in der Form entsprechend einer Magnitude (eine approximierte Magnitude) des Platinoberflächenbereichs variiert, und dass die Form entsprechend der Steigung k1, k2, k3 bestimmt wird. Die Steigung k1, k2, k3 nimmt einen durch Teilen der Schwankung ΔW der Ausgabe über die steigende Periode der Kennlinienkurve (die Kurve) durch die Schwankung ΔP des Kathodengegendrucks erhaltenen Wert ein, und entspricht der Kathodengegendrucksensitivität S, die in Schritt S160 bestimmt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird der Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt in Schritt S110 erfasst, und anschließend wird angenommen, dass der Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt innerhalb der ansteigenden Periode enthalten ist, wobei die Verarbeitung zum Bestimmen der Kathodengegendrucksensitivität S in Schritt S160 bei dem Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt ausgeführt wird. Als Nächstes wird die Verarbeitung zum Einschätzen der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S in Schritt S170 ausgeführt. Insbesondere werden die Tabellendaten, in denen die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven entsprechend einer Mehrzahl von Steigungswerten zugeordnet werden, vorab in dem ROM der Speichereinheit 60 gespeichert und die CPU der Steuereinheit 60 bestimmt die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve durch Auswählen eines Steigungswerts entsprechend der in Schritt S160 bestimmten Kathodengegendrucksensitivität S von den Tabellendaten und durch Extrahieren der mit dem Steigungswert von den Tabellendaten zugeordnete Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der in den Tabellendaten enthaltenen Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven nicht notwendigerweise auf drei Kurven beschränkt ist, wie in dem Beispiel von 3 gezeigt, und eine größere Anzahl von Kurven können vorgesehen sein. Darüber hinaus können die in den Tabellendaten enthaltenen Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven auf eine spezifische Anzahl eingestellt werden und Kennlinienkurven können zwischen angrenzenden Kennlinienkurven durch eine Interpolationsberechnung erhalten werden.
Zurückkommend auf 2 erhält nach Ausführen von Schritt S170 die Steuereinheit 60 eine erforderliche Ausgabe TW, die von der Brennstoffzelle 20 erforderlich ist (Schritt S180). Die erforderliche Ausgabe TW entspricht einem vorstehend erwähnten erforderlichen Leistungserzeugungsbetrag, und wie vorstehend beschrieben, wird auf der Basis der von dem Gaspedalsensor 81, dem SOC-Sensor 5a, den Drehzahlerfassungssensoren 3a, 5b usw. übertragenen entsprechenden Sensorsignalen berechnet.
Als Nächstes bezieht sich die Steuereinheit 60 auf die in Schritt S170 erhaltene Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve, um einen Sollkathodengegendruck TP entsprechend der in Schritt S140 erhaltenen erforderlichen Ausgabe TW zu berechnen (Schritt S190). Wenn sich beispielsweise der Platinoberflächenbereich leicht derart verringert, dass die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve, die in Schritt S170 erhalten wird, die Kurve C2 in 3 ist, wird der Kathodengegendruck P entsprechend der in Schritt S140 erhaltenen erforderlichen Ausgabe TW auf der Kurve C2 als Sollkathodengegendruck TP (TP1 in der Zeichnung) bestimmt. Wenn sich beispielsweise der Platinoberflächenbereich derart stark verringert, dass die in Schritt S170 erhaltene Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve die Kurve C3 in 3 ist, wird der Kathodengegendruck P3 entsprechend der in Schritt S140 erhaltenen erforderlichen Ausgabe TW auf der Kurve C3 als der Sollkathodengegendruck TP bestimmt (TP2 in der Zeichnung).
Nach Ausführen von Schritt S190 steuert die Steuereinheit 60 den Kathodengegendruck P zu dem in Schritt S190 bestimmten Sollkathodengegendruck TP durch Einstellen einer Öffnung des Gegendruckregelventils A1 (Schritt S192). Nach Ausführen von Schritt S192 beendet die Steuereinheit 60 temporär die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung.
Wenn in Schritt S110 bestimmt wird, dass der momentane Zeitpunkt nicht dem Kathodengegendruckerhöhungszeitpunkt entspricht, bestimmt andererseits die Steuereinheit 60, ob die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve erhalten wurde (Schritt S194). Wenn nachstehend bestimmt wird, dass die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve erhalten wurde, bringt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zu Schritt S180, in der die Steuereinheit 60 den Sollkathodengegendruck TP in der vorstehend beschriebenen Weise mit der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve, die bei der vorstehenden Kathodengegendrucksteuerverarbeitung erhalten wird, und der erforderlichen Ausgabe TW, die während der Ausführung der momentanen Kathodengegendrucksteuerverarbeitung erhalten wird, berechnet, und den Kathodengegendruck P zu dem Sollkathodengegendruck TP steuert.
Wenn in Schritt S194 bestimmt wird, dass die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve nicht erhalten wurde, wird temporär die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung beendet.
Die Verarbeitung von Schritt S180 in der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ist als die vorstehend beschriebenen Funktionen als die Erforderliche-Ausgabe-Erlangungseinheit 61 (1) konfiguriert. Ferner funktioniert die Verarbeitung der Schritte S120 bis S160 als die Gasdrucksensitivitätserhaltungseinheit 62 (1). Die Verarbeitung von Schritt S170 funktioniert als die Korrespondenzbeziehungsberechnungseinheit 63 (1), die Verarbeitung von Schritt S190 funktioniert als die Sollgasdruckberechnungseinheit 64 und die Verarbeitung des Schritts S192 funktioniert als die Gasdruckabänderungseinheit 65.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, wird die Kathodengegendrucksensitivität S zum Zeitpunkt des Starten bestimmt, um den Kathodengegendruck zu erhöhen, woraufhin die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S bestimmt wird. Danach wird die erforderliche Ausgabe TW während jedes Betriebs erhalten, woraufhin der Kathodengegendruck entsprechend der erforderlichen Ausgabe TW als der Sollkathodengegendruck TP durch Vergleichen der erforderlichen Ausgabe TW mit der bestimmten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve berechnet wird, und der Kathodengegendruck P zu dem Sollkathodengegendruck TP gesteuert wird. Wie vorstehend beschrieben, wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve entsprechend der Magnitude des Platinoberflächenbereichs der Kathodenelektrode bestimmt. Daher zeigt die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve den Kathodengegendruck, der erforderlich ist, um die erforderliche Ausgabe TW sicherzustellen, nicht nur, wenn der Platinoberflächenbereich sich verringerte, sondern auch, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle 20 sich aufgrund einer Reduktion des Platinoberflächenbereichs verringert, das von der Verwendung der Brennstoffzelle resultiert. Dadurch kann mit dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässig sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus wird gemäß des Brennstoffzellensystems 10 der Kathodengegendruck als der Druck des Oxidationsgases gesteuert, und daher kann die Oxidationsgassteuerung mit einem günstigen Ansprechverhalten ausgeführt werden.
Zweite Ausführungsform
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform lediglich in der durch die Steuereinheit ausgeführten Kathodengegendrucksteuerverarbeitung. Eine Hardwarekonfiguration der zweiten Ausführungsform ist identisch zu der der ersten Ausführungsform, und daher werden bei der nachstehenden Ausführungsform den identischen Bezugszeichen die entsprechenden Komponenten zugeordnet.
Die in 4 dargestellte Kathodengegendrucksteuerverarbeitung unterscheidet sich von der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, darin, dass die Verarbeitung von Schritt S110 in 2 mit der Verarbeitung von Schritt S210 in 4 ersetzt wird. Die Verarbeitung der restlichen Schritte S120 bis S194 ist identisch. Wenn die Verarbeitung beginnt, bestimmt die Steuereinheit 60, ob der momentane Zeitpunkt (der Zeitpunkt, zu dem die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ausgeführt wird) einem Zeitpunkt entspricht, zu dem eine Last der Brennstoffzelle 20 beginnt sich zu einem Hochlastbetriebspunkt zu verschieben (ein Hochlastverschiebungszeitpunkt) (Schritt S210). Insbesondere verschiebt sich beispielsweise, wenn der Fahrer eine Hochlastanforderung durch Niederdrücken des Gaspedals 80 kraftvoll ausstellt, die Last der Brennstoffzelle 20 zu dem Hochlastbetriebspunkt. Nachstehend bezeichnet der „Hochlastbetriebspunkt” einen Hochlastbetriebszustand, bei dem eine Stromdichte der Brennstoffzelle beispielsweise wenigstens 1 [A/cm²] ist. Wenn bei Schritt S210 bestimmt wird, dass der momentane Zeitpunkt dem Hochlastverschiebezeitpunkt entspricht, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S220, und wenn bestimmt wird, dass der momentane Zeitpunkt nicht dem Hochlastverschiebezeitpunkt entspricht, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S194.
5 ist ein Diagramm, das die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform, wie in den Figuren dargestellt, wird, wenn eine Hochlastanforderung, d. h. eine Anforderung zum Verschieben zu einem Hochlastbetriebspunkt X2, bei einem bestimmten Zeitpunkt X1 empfangen wird, die Kathodengegendrucksensitivität S, d. h. die Steigung k2 der Kurve, zu dem Hochlastschiebezeitpunkt bestimmt, zu dem sich die Verschiebung zu dem Hochlastbetriebspunkt X2 beginnt. Die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve wird anschließend auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S bestimmt. Der Kathodengegendruck entsprechend der erforderlichen Ausgabe TW wird anschließend als der Sollkathodengegendruck TP mit der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve berechnet, woraufhin der Kathodengegendruck P zu dem Sollkathodengegendruck TP gesteuert wird.
Dadurch kann mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus wird der nachstehende Effekt erhalten. Normalerweise kann, wenn die Last der Brennstoffzelle 20 klein ist, sich eine ansteigende Steigung der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve nicht dramatisch entsprechend der Magnitude des Platinoberflächenbereichs verändern. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform wird jedoch die Kathodengegendrucksensitivität S zum Zeitpunkt berechnet, zu dem sich die Last der Brennstoffzelle 20 beginnt zu dem Hochlastbetriebspunkt zu verschieben, und daher variiert die steigende Steigung der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve dramatisch, was es einfacher macht, die Kathodengegendrucksensitivität S zu erfassen. Dadurch erhöht sich eine Genauigkeit der Kathodengegendrucksensitivität, wodurch eine weitere Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance ermöglicht wird.
Es ist zu beachten, dass bei der zweiten Ausführungsform die Kathodengegendrucksensitivität S zum Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem sich die Last der Brennstoffzelle 20 beginnt zu dem Hochlastbetriebspunkt zu verschieben, aber anstelle als abgewandeltes Beispiel der zweiten Ausführungsform kann die Kathodengegendrucksensitivität S zu einem Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem die Last der Brennstoffzelle 20 beginnt sich zu dem Niederlastbetriebspunkt zu verschieben. Nachstehend bezeichnet der „Niederlastbetriebspunkt” einen Niederlastbetriebszustand, in dem die Stromdichte der Brennstoffzelle nicht mehr als 0,1 [A/cm²] beispielsweise ist.
6 ist ein Diagramm, das die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve gemäß dem abgewandelten Beispiel der zweiten Ausführungsform darstellt. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem abgewandelten Beispiel, wie in der Zeichnung gezeigt, wenn eine Niederlastanforderung, d. h. eine Anforderung zum Verschieben der Last der Brennstoffzelle 20 zu einem Niederlastbetriebspunkt X4, zu einem bestimmten Zeitpunkt X3 empfangen wird, wird die Kathodengegendrucksensitivität S, d. h. die Steigung k der Kurve, zu einem Niederlastverschiebezeitpunkt bestimmt, zu dem die Last der Brennstoffzelle 20 beginnt sich zu dem Niederlastbetriebspunkt X4 zu verschieben. Die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve wird anschließend auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S bestimmt. Der Kathodengegendruck entsprechend der erforderlichen Ausgabe TW wird anschließend als Sollkathodengegendruck TP mit der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve berechnet, woraufhin der Kathodengegendruck P zu dem Sollkathodengegendruck TP gesteuert wird.
Nachstehend kann mit dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem abgewandelten Beispiel ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus erhöht sich ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform die Genauigkeit der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve, wodurch eine weitere Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance ermöglicht wird.
Dritte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform weist eine identische Hardwarekonfiguration des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführungsform auf, und unterscheidet sich davon lediglich in der durch die Steuereinheit 60 ausgeführten Kathodengegendrucksteuerverarbeitung. Die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der dritten Ausführungsform wird im Wesentlichen identisch zu der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, konfiguriert, und unterscheidet sich davon lediglich im Inhalt der in Schritt S170 ausgeführten Verarbeitung. Mit anderen Worten, bei der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der dritten Ausführungsform wird die Verarbeitung der Schritte S110 bis S160 und S180 bis S194 in 2 ausgeführt wie sie ist, während die Verarbeitung von Schritt S170 allein mit der nachstehend zu beschreibenden Kennlinienkurvenschätzverarbeitung ersetzt wird. Es ist zu beachten, dass die Hardwarekonfiguration der dritten Ausführungsform identisch zu der der ersten Ausführungsform ist, wobei identische Bezugszeichen zu den entsprechenden Bestandteilen der nachstehenden Beschreibung zugeordnet werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das die Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. Diese Kennlinienkurvenschätzverarbeitung wird durch die Steuereinheit 60 während der in 2 gezeigten Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ausgeführt, anstelle der Verarbeitung von Schritt S170. Wie in 7 dargestellt, wenn die Verarbeitung zunächst beginnt, dass die Steuereinheit 60 eine Impedanz R (Schritt S310) erhält. Die Impedanz R wird durch Teilen der durch den Spannungssensor 2b erfassten Spannung durch die durch den Stromsensor 2a erfassten Strom erhalten.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60, ob die erhaltene Impedanz R innerhalb eines Bereichs liegt, der sich von einem ersten vorbestimmten Wert R1 zu einem zweiten vorbestimmten Wert R2 erstreckt (Schritt S315). Der erste vorbestimmte Wert R1 ist ein vorbestimmter positiver Wert, und der zweite vorbestimmte Wert R2 ist ein vorbestimmter positiver Wert, der größer als der erste vorbestimmte Wert R1 ist.
Die Impedanz R zeigt einen Feuchtigkeitszustand des Inneren der Brennstoffzelle 20 an, und wenn die Impedanz R innerhalb des Bereichs ist (wird nachstehend als ein „zulässiger Bereich” bezeichnet), der sich von dem ersten vorbestimmten Wert R1 zu dem zweiten vorbestimmten Wert R2 erstreckt, zeigt dies, dass der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle 20 geeignet ist. Darüber hinaus dies zeigt, wenn die Impedanz R kleiner als der erste vorbestimmte Wert R1 ist, dass die Brennstoffzelle 20 in einem gefluteten Zustand ist, und wenn die Impedanz R größer als der zweite vorbestimmte Wert R2 ist, zeigt dies, dass die Brennstoffzelle 20 in einem ausgetrockneten Zustand ist.
Wenn bestimmt wird, dass die Impedanz R in dem zulässigen Bereich in Schritt S315 ist, wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit normalen Tabellendaten (Schritt S320) geschätzt. Die „normalen Tabellendaten” sind identisch zu den Tabellendaten, die in Schritt S170 der ersten Ausführungsform verwendet werden, und dadurch ist ein in Schritt S320 erhaltenes Schätzergebnis identisch zu dem in Schritt S170 erhaltenen Ergebnis der ersten Ausführungsform.
Wenn andererseits bestimmt wird, dass die Impedanz R außerhalb des zulässigen Bereichs in Schritt S315 ist, oder mit anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 20 geflutet oder ausgetrocknet ist, wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit korrigierten Tabellendaten geschätzt (Schritt S330).
Die „normalen Tabellendaten” werden zum Extrahieren der in 3 gezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve verwendet werden, wohingegen die „korrigierten Tabellendaten” zum Extrahieren einer in 8 gezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve verwendet. Die in 8 gezeigten Kurven C1, C2, C3 sind die durch die normalen Tabellendaten angezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven. Die durch die gepunkteten Linien in 3 gezeigten Kurven C1', C2', C3' sind andererseits die durch die korrigierten Tabellendaten angezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven. Die Kurven C1', C2', C3' weisen eine leichte reduzierte Ausgabe relativ zu den Kurven C1, C2, C3 auf und ein Unterschied zwischen der Ausgabe B über den durch die normalen Tabellendaten angezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven und der Ausgabe über den durch die korrigierten Tabellendaten angezeigten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven erhöht sich, wenn der Kathodengegendruck P sich verringert. Mit anderen Worten, die Kurven C1', C2', C3' werden korrigiert, um Fälle anzuzeigen, in denen der Platinoberflächenbereich verglichen mit den Kurven C1, C2, C3 verringert wurde. Die Kurven C1', C2', C3' können vorab durch Experimentieren oder Simulation bestimmt werden.
Daher ist, um die vorige Ausgabe TW in der Zeichnung zu erhalten, ein größerer Kathodengegendruck P auf allen Kurven C1', C2', C3' verglichen mit den Kurven C1, C2, C3 erforderlich. Beispielsweise ist TP1' erforderlich anstelle von TP1, und TP2 ist erforderlich anstelle von TP2. Mit anderen Worten, die korrigierten Tabellendaten, die derart korrigiert wurden, dass die Magnitude des bei einer identischen erforderlichen Ausgabe erhaltenen Kathodengegendrucks größer als die der normalen Tabellendaten ist. Ein Korrekturbetrag entspricht dem Betrag, durch den der Platinoberflächenbereich der Brennstoffzelle verringert wurde.
Zurückkehrend auf 7, wird im Anschluss zur Ausführung von Schritt S320 oder Schritt S330, die Kennlinienkurvenschätzverarbeitung zeitweise beendet.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem 10 der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässig sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus wird der nachstehende Effekt erhalten. Die Ausgabe der Brennstoffzelle entspricht genau einem wirksamen Platinoberflächenbereich. Der „wirksame Platinoberflächenbereich” wird von einem Produkt einer Platinnutzrate, die entsprechend einem Betriebszustand variiert, und der Platinoberflächenbereich bestimmt, der sich allmählich verringert, wenn die nutzbare Zeit sich erhöht. Ein Zustand eines Oxidationsfilms und der geflutete Zustand sind Faktoren, die die Platinnutzrate bestimmen. Wenn die Brennstoffzelle 20 geflutet wird, wird die Platinnutzrate durch die Feuchtigkeit reduziert, was zur Reduktion der Ausgabe führt, aber gemäß der dritten Ausführungsform kann die Reduktion der Ausgabe durch Erhöhen des Kathodengegendrucks entsprechend den korrigierten Tabellendaten korrigiert werden, und daher kann die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden. Darüber hinaus verringert sich, wenn die Brennstoffzelle 20 austrocknet, die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve ähnlich zu der des gefluteten Zustands, aber ebenso in dem Fall, kann die Reduktion der Ausgabe durch Erhöhen des Kathodengegendrucks entsprechend den korrigierten Tabellendaten korrigiert werden, und daher kann die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden. Dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance noch weiter verbessert werden.
Es ist zu beachten, dass bei der dritten Ausführungsform der Feuchtigkeitszustand des Inneren der Brennstoffzelle 20 auf der Basis der Impedanz R bestimmt wird, aber anstelle eines dritten abgewandelten Beispiel der dritten Ausführungsform kann ein Taupunktmeter in der Brennstoffzelle derart vorgesehen sein, dass der Feuchtigkeitszustand auf der Basis eines Messergebnisses von dem Taupunktmessgerät bestimmt wird. Gemäß dem ersten abgewandelten Beispiel kann der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle mit einem höheren Grad an Genauigkeit bestimmt werden.
Darüber hinaus wird im Schritt S315 der ersten Ausführungsform eine AND bzw. UND-Bestimmung zum Bestimmen ausgeführt, dass die Impedanz R nicht geringer als der erste vorbestimmte Wert R1 ist, und nicht höher als der zweite vorbestimmte Wert R2 ist, sondern anstelle eines zweiten abgewandelten Beispiels der ersten Ausführungsform kann eine Bestimmung lediglich ausgeführt werden, ob die Impedanz R größer als der vorbestimmte zweite Wert R2 ist. Mit dieser Konfiguration kann die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den korrigierten Tabellendaten geschätzt werden, wenn die Brennstoffzelle 20 geflutet wird. Darüber hinaus kann als ein drittes abgewandeltes Beispiel der dritten Ausführungsform, eine Bestimmung lediglich ausgeführt werden, ob die Impedanz R kleiner als der vorbestimmte Wert R1 ist. Mit dieser Konfiguration kann die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den korrigierten Tabellendaten geschätzt werden, wenn die Brennstoffzelle 20 austrocknet. Es ist zu beachten, dass bei der dritten Ausführungsform identische korrigierte Tabellendaten sowohl in dem gefluteten Zustand als auch in dem ausgetrockneten Zustand verwendet werden, aber getrennte korrigierte Tabellendaten mit unterschiedlichen Differenzen zu den aus den normalen Tabellendaten bestimmten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven können stattdessen verwendet werden.
Darüber hinaus wird bei der dritten Ausführungsform die Bestimmung, ob die Brennstoffzelle 20 geflutet oder ausgetrocknet ist, auf der Basis der Impedanz R ausgeführt, aber ein viertes abgewandeltes Beispiel der dritten Ausführungsform kann stattdessen die Bestimmung, ob die Brennstoffzelle 20 geflutet oder ausgetrocknet ist, auf der Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 20 ausführen, die durch den Temperatursensor 2c erfasst wird. Ähnliche Effekte gemäß der dritten Ausführungsform werden mit dem vierten abgewandelten Beispiel erhalten.
Darüber hinaus wird bei der dritten Ausführungsform und deren entsprechenden abgewandelten Beispiele der Schritt S170 der ersten Ausführungsform mit der in 7 dargestellten Verarbeitung ersetzt, aber als ein fünftes abgewandeltes Beispiel der dritten Ausführungsform kann stattdessen Schritt S170 (4) der zweiten Ausführungsform mit der in 7 dargestellten Verarbeitung ersetzt werden. Gemäß dem fünften abgewandelten Beispiel werden ähnliche Effekte gemäß der zweiten Ausführungsform erhalten, und zusätzlich kann die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, selbst wenn die Brennstoffzelle 20 geflutet oder ausgetrocknet wird.
Vierte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der dritten Ausführungsform lediglich in der durch die Steuereinheit ausgeführten Kennlinienkurvenschätzverarbeitung, und ist identisch dazu sowohl bei der Software- als auch der Hardwarekonfiguration. Da die Hardwarekonfiguration der vierten Ausführungsform identisch zu der der dritten Ausführungsform und daher zu der ersten Ausführungsform ist, wurden die identischen Bezugszeichen zu jenen, die in der ersten Ausführungsform verwendet werden, den entsprechenden Bestandteilen der nachstehenden Beschreibung zugeordnet.
9 ist ein Flussdiagramm, das die Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Die Kennlinienkurvenschätzverarbeitung wird durch die Steuereinheit 60 während der in 2 gezeigten Kathodengegendruckverarbeitung anstelle der Verarbeitung von Schritt 170 ausgeführt. Wie in 9 dargestellt, wird, wenn die Verarbeitung beginnt, eine Bestimmung ausgeführt, ob die Brennstoffzelle 20 in einem Leerlaufzustand ist (Schritt S410). Der Leerlaufzustand ist ein Zustand, in dem die Brennstoffzelle 20 eine Leerlauflast empfängt. Eine Magnitude der Leerlauflast approximiert eine in einem geöffnetem Schaltungs(OC)-Zustand empfangene Last. In dieser Ausführungsform wird die Bestimmung, ob die Brennstoffzelle 20 in dem Leerlaufzustand ist, durch Bestimmen, ob die durch den Spannungssensor 2b erfasste Spannung oberhalb einer vorbestimmten Spannung, kontinuierlich für wenigstens eine vorbestimmte Zeit war. Nachstehend wird, wenn bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 20 nicht in dem Leerlaufzustand ist, die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den normalen Tabellendaten geschätzt (S420). Die Verarbeitung von Schritt S420 ist identisch zu der Verarbeitung von Schritt S320 in 7, und die Werte der normalen Tabellendaten sind auch identisch.
Wenn in Schritt S410 bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 20 in dem Leerlaufzustand ist, wird andererseits die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den korrigierten Tabellendaten geschätzt (Schritt S430). Die Verarbeitung von Schritt S430 ist im Wesentlichen identisch zu der Verarbeitung von Schritt S330 in 7, und daher wird, wie in 8 gezeigt, die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den korrigierten Tabellendaten geschätzt, die Kurven mit einer reduzierten Ausgabe relativ zu den Ausgaben C2, C3 der normalen Tabellendaten anzeigen. Die in 8 gezeigten Kurven C1', C2', C3' sind Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven entsprechend dem gefluteten Zustand oder dem ausgetrockneten Zustand. Dadurch unterscheiden sich die Kurven C1', C2', C3' der in Schritt S430 korrigierten Tabellendaten in der Form von den Kurven C1', C2', C3' der in Schritt S330 verwendeten korrigierten Tabellendaten. Insbesondere sind die in Schritt S430 verwendeten korrigierten Tabellendaten mit dem Leerlaufzustand ausgerichtet, und daher werden verschiedene Daten zu den in Schritt S320 von 7 verwendeten korrigierten Tabellendaten verwendet. Wie vorstehend beschrieben, zeigen allerdings die korrigierten Tabellendaten Kurven mit einer reduzierten Ausgabe relativ zu den Kurven C1, C2, C3 der normalen Tabellendaten an. Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus wird ein nachstehender Effekt erhalten. Bei dem Leerlaufzustand wird eine Leistungserzeugung kontinuierlich bei einer hohen Spannung ausgeführt, und daher erhöht sich ein Oxidationsfilmbetrag des Platins und anschließend nimmt er einen festgelegten Betrag ein, was zu einer Reduktion der Datennutzrate führt. Bei der vierten Ausführungsform kann eine Reduktion der durch die Reduktion der Platinnutzrate verursachten Ausgabe durch Erhöhen des Kathodengegendrucks mit den korrigierten Tabellendaten korrigiert werden, und daher kann die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden. Dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance noch weiter verbessert werden.
Es ist zu beachten, dass bei der vierten Ausführungsform der Schritt S170 der ersten Ausführungsform mit der Verarbeitung von 9 ersetzt wird, aber stattdessen kann als ein erstes abgewandeltes Beispiel der vierten Ausführungsform Schritt S170 (4) der zweiten Ausführungsform mit der in 9 gezeigten Verarbeitung ersetzt werden. Gemäß dem ersten abgewandelten Beispiel werden ähnliche Effekte der zweiten Ausführungsform erhalten und zusätzlich kann die erforderliche Ausgabe zuverlässiger sichergestellt werden, selbst während eines Leerlaufzustandes.
Darüber hinaus kann als ein zweites abgewandeltes Beispiel der vierten Ausführungsform die Verarbeitung von Schritt S410 in dem ersten abgewandelten Beispiel der vierten Ausführungsform mit einer Konfiguration ersetzt werden, in der, wie in 10 dargestellt, eine Bestimmung ausgeführt wird, ob die Brennstoffzelle 20 in einem zeitweisen Betriebszustand ist (Schritt S410). Bei dem zeitweisen Betriebszustand, bei dem eine Reaktionsgas-(das Oxidationsgas und das Brennstoffgas)-Zufuhr zu der Brennstoffzelle 20 wiederholend zeitweise gestartet und gestoppt wird, eine geringere Spannung kontinuierlich beibehalten werden. Demgemäß verringert sich die Oxidationsschichtmenge des Platins und nimmt einen festgelegten Betrag ein, wodurch die Platinnutzrate sich auf fast 100% erhöht. Nachstehend wird, wenn bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 20 in dem zeitweisen Betriebszustand in Schritt S510 ist, die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den normalen Daten ähnlich zu dem Schritt S420 von 9 eingeschätzt. Wenn andererseits bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 20 in dem zeitweisen Betriebszustand in Schritt S510 bestimmt wird, wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit den korrigierten Tabellendaten ähnlich zu dem Schritt S430 von 9 eingeschätzt. Auf diese Weise kann die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden.
Fünfte Ausführungsform
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten bis vierten Ausführungsformen wird die Verarbeitung, die sich von der Erfassung der Kathodengegendrucksensitivität S zum Einschätzen der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve erstreckt, bei einem vorbestimmten Zeitpunkt ausgeführt, woraufhin der Sollkathodengegendruck TP entsprechend der erforderlichen Ausgabe TW durch Bezugnahme der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve berechnet wird. Bei einer alternativen Konfiguration kann die geschätzte Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve kontinuierlich für eine vorbestimmte Periode, wie z. B. einen Tag oder eine Woche, verwendet werden. Diese Konfiguration kann in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform verwendet werden. Bei einem Fall, bei dem die fünfte Ausführungsform auf die erste Ausführungsform angewandt wird, beispielsweise wenn die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve zunächst in Schritt S170 von 2 erhalten wird, wird die geschätzte Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in einem nicht-flüchtigen Speicher, beispielsweise einem elektrisch löschbaren programmierbaren Lesespeicher (EPROM, der in der Steuereinheit 60 enthalten ist, gespeichert, der dessen Speicherinhalt beibehält, selbst nachdem eine Leistungszufuhr des Brennstoffzellensystems ausgeschalten wurde und für eine vorbestimmte Zeit werden lediglich die Schritte S180 bis S192 von 2 während der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ausgeführt. Mit anderen Worten, der Sollkathodengegendruck TP mit der in dem EPROM in Schritt S190 gespeicherten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve wird berechnet. Nachdem eine vorbestimmte Periode verstrichen ist, wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve durch Ausführen der Schritte S110 bis S194 von 2 aktualisiert, woraufhin die aktualisierte Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve durchgehend bei der nächsten vorbestimmten Periode verwendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, entspricht die auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S bestimmte Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve dem Platinoberflächenbereich und daher verändert sie sich nicht stark über ein paar Tagen. Dadurch kann der Sollkathodengegendruck TP mit einem hohen Grad an Genauigkeit ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform berechnet werden. Darüber hinaus muss die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve nur einmal pro vorbestimmter Periode berechnet werden, wodurch eine Verbesserung des Ansprechverhaltens der Verarbeitung ermöglicht wird. Es ist zu beachten, dass die Konfiguration der fünften Ausführungsform ähnlich zu einer der zweiten bis vierten Ausführungsform sowie der ersten Ausführungsform angewandt werden kann.
Sechste Ausführungsform
Als Nächstes wird eine sechste Ausführungsform beschrieben. Die sechste Ausführungsform umfasst eine identische Hardwarekonfiguration wie die erste Ausführungsform und daher werden bei der nachstehenden Beschreibung die identischen Bezugszeichen zu jenen der ersten Ausführungsformen den entsprechenden Bestandteilen zugeordnet. Bei der ersten Ausführungsform wird die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve durch Vorbereiten einer Mehrzahl von Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in den Tabellendaten vorab eingeschätzt und anschließend wird eine Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S ausgewählt. Bei der sechsten Ausführungsform wird andererseits die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit einer Formel zum Bestimmen der Stromdichte eingeschätzt. Zunächst wird die durch die Brennstoffzelle erzeugte Stromdichte betrachtet. Die Stromdichte kann aus der nachstehenden Gleichung (1) bestimmt werden. i = A_Pti_O(1 – θ)(P_O2/P_ref)exp(–αFη/RT) (1) wobei i die Stromdichte ist, „A_Pt” der Kathodenplatinoberflächenbereich ist, „i_O” eine Kathodenwechselstromdichte ist, „θ” ein Oxidationsschichtverhältnis ist, „P_O2” ein erforderliche Oxidationsteildruck ist, „P_ref” ein Referenzoxidationskonzentration ist, „α” ein Ladetransferkoeffizient ist, „F” eine Faradaykonstante ist, „η” eine Kathodenüberspannung ist, „R” eine Gaskonstante ist und „T” die Brennstoffzellentemperatur ist.
Bei der Gleichung (1) kann ein Wert des Kathodenplatinoberflächenbereichs Art durch Schätzen von der in der ersten Ausführungsform bestimmten Kathodengegendrucksensitivität S erhalten werden. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, variiert die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in der Form entsprechend einem Platinoberflächenbereich, und deren Form wird von der Kathodengegendrucksensitivität S eingeschätzt. Das Schätzen der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve ist daher äquivalent zum Einschätzen des Kathodenplatinoberflächenbereichs. Ein Wert der Kathodenwechselstromdichte i_O ist ein bei der Konstruktionsphase der Brennstoffzelle bestimmter festgelegter Wert.
Ein Oxidationsschichtverhältnis θ ist ein unbekannter Wert. Ein Wert (1 – θ) zeigt die Platinnutzerrate an. Wie vorstehend angemerkt, wird streng genommen die Platinnutzrate von dem Oxidationsschichtzustand und dem gefluteten Zustand bestimmt, aber bei der sechsten Ausführungsform zeigt der Wert (1 – θ) die Platinnutzerrate, bei der angenommen wird, dass ein Fluten nicht aufgetreten ist. Dadurch wird, wenn eine Platinnutzerrate (1 – θ) nicht bereits bekannt ist, eine Aktualisierungsverarbeitung zum Beseitigen der Oxidationsschicht (Oxidationsschichtverhältnis θ = 0) ausgeführt und dadurch wird die Platinnutzerrate (1 – θ) auf einen bekannten Wert festgelegt.
Ein Wert des erforderlichen Sauerstoffteildrucks P_O2 kann durch Multiplizieren des durch den Drucksensor 3b erfassten Kathodengegendrucks P durch ein vorbestimmtes Sauerstoffverhältnis erhalten werden (beispielsweise 0,21). Ein Wert der Referenzsauerstoffkonzentration P_Ref ist eine Sauerstoffkonzentration bei einem Referenzzustand, und 100 (kpa-abs) wird herkömmlich verwendet. Es ist zu beachten, dass „kpa-abs” ein einheitswiedergebender absoluter Druck ist. Der Ladungstransferkoeffizient α, die Faradaykonstante F und die Gaskonstante T nehmen jeweils festgelegte Werte ein. Ein Wert, der Kathodenüberspannung η wird durch Subtrahieren einer tatsächlichen Spannung von einer Leerlaufspannung (OCV) erhalten. Die „tatsächliche Spannung” ist eine Spannung einer Einzelzelle, die durch den Spannungssensor 2b erhalten wird. Die Brennstoffzellentemperatur T wird durch den Temperatursensor 2c erhalten.
11 ist ein Flussdiagramm, das eine Kennlinienkurvenschätzverarbeitung gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt. Bei der sechsten Ausführungsform ist die Verarbeitung zu der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, im Wesentlichen identisch, aber die Verarbeitung von Schritt S170 in 2 wird mit der Kennlinienkurvenschätzverarbeitung ersetzt. Mit anderen Worten, die Kathodengegendruckschätzverarbeitung gemäß der sechsten Ausführungsform ist identisch zu der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform außer für Schritt 170.
Wie in 11 dargestellt, erhält, wenn zunächst die Verarbeitung startet, die Steuereinheit 60 dies Brennstoffzellentemperatur T von dem Temperatursensor 2c (S610). Als Nächstes erhält die Steuereinheit 60 eine Zellenspannung V von dem Spannungssensor 2b und bestimmt die Kathodenüberspannung η durch Subtrahieren der Zellspannung V von der OCV (Schritt S620). Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60 den Kathodenplatinoberflächenbereich Art auf der Basis der in Schritt S160 von 2 bestimmten Kathodengegendrucksensitivität S (Schritt S630). Wie vorstehend beschrieben, kann der Kathodenplatinoberflächenbereich Art von der Kathodengegendrucksensitivität S berechnet werden.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60, ob die Platinnuterrate bekannt ist (Schritt S640). Wie vorstehend beschrieben, nimmt, nachdem die Leistung bei einer niedrigen Spannung (auf einer hohen Spannung) im Anschluss an einen Leerlauf (OC-Vermeidung) Betrieb erzeugt wird, die Oxidationsschichtmenge des Platins einen festgelegte Menge ein (oder eine große Seite), und daher ist der Wert von θ im Wesentlichen null, bei dem Fall die Platinnutzerrate bekannt ist. Darüber hinaus nimmt, nachdem die Leistung in einem gewissen festgelegten Spannungsbereich (eine niedrige Spannung) im Anschluss beispielsweise zu einem zeitweisen Betrieb (einem natürlichem Spannungsabfall) erzeugt wird, der Platinschichtbetrag eine festgelegte Menge (oder eine kleine Seite) ein. Und daher nimmt θ einen Wert von beispielsweise 0,5 ein, bei dem der Fall der Platinnutzerrate bekannt ist. Dadurch wird die Bestimmung von Schritt S640, ob die Platinnutzerrate bekannt ist, durch Bestimmen ausgeführt, ob die Leistung bei einer niedrigen Spannung (einer hohen Spannung) erzeugt wurde, oder ob die Leistung bei einem festgelegten Spannungsbereich (einer niedrigen Spannung) erzeugt wurde.
Wenn in Schritt S640 bestimmt wird, dass die Platinnutzrate nicht bekannt ist, bringt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zu Schritt S650, bei dem die Aktualisierungsverarbeitung ausgeführt wird, und anschließend wird die Kathodengegendrucksteuerung von 2 von Beginn an ausgeführt. Die Aktualisierungsverarbeitung wird ausgeführt zum Entfernen der Platinoxidationsschicht der Kathodenkatalysatorschicht. Insbesondere wird die Zellenspannung der Brennstoffzelle 20 zu einer Schwelle, die vorab als eine Wiederherstellungssollspannung durch den DC/DC-Wandler 51 festgelegt wird, reduziert. Eine Wandlerbefehlsspannung wird anschließend bei der Schwelle derart beibehalten, dass die Oxidationsschicht weggeblasen wird, wodurch eine Oxidationsnutzrate zum Erreichen oder Übersteigen von 100% bewirkt wird, und dadurch wird die durch den DC/DC-Wandler 51 erzeugte Spannungsreduktion beseitigt. Auf diese Weise wird die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf eine reduzierte Zone reduziert, wodurch die Oxidationsschicht auf der Oberfläche des Pt-Katalysators reduziert oder entfernt wird. Es ist zu beachten, dass das Oxidationsgas durch vollständiges Öffnen des Gegendruckregelventils A1 weggeblasen wird und die Drehzahl des Motors M1 des Kompressors 31 maximiert wird.
Wenn andererseits in Schritt S640 bestimmt wird, dass die Platinnutzrate bekannt ist, schätzt die Steuereinheit 60 die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit der Gleichung (1) (Schritt S660). Wie vorstehend beschrieben, sind die Variablen in der Gleichung (1) der Kathodenplatinoberflächenbereich A_Pt, das Oxidationsschichtverhältnis θ, der erforderliche Sauerstoffteildruck P_O2, die Kathodenüberspannung η und die Brennstoffzellentemperatur T, und diese Variablen werden, ausgenommen des erforderlichen Sauerstoffteildrucks P_O2, in den Schritten S610 bis S650 bestimmt. Dadurch bestimmt die Steuereinheit 60 eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem erforderlichen Sauerstoffteildruck P_O2 und der Stromdichte i durch Einführen der in den Schritten S610 bis S650 bestimmten entsprechenden Variablen in die Gleichung (1). Die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve wird anschließend von der Korrespondenzbeziehung durch Wandeln des erforderlichen Sauerstoffteildrucks P_O2 in den Kathodengegendruck P und durch Umwandeln der Stromdichte i in die Ausgabe W bestimmt. Nachdem der Schritt S660 ausgeführt wird, wird die Kennlinienkurvenschätzverarbeitung zeitweise beendet.
Dadurch kann mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus wird mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit einer Formel bestimmt, und daher müssen die Tabellendaten, die eine Mehrzahl der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven abbilden, nicht in dem Speicher vorab bereitgestellt werden. Dadurch können die Speicherressourcen eingespart werden.
Es ist zu beachten, dass bei der sechsten Ausführungsform der Schritt S170 der ersten Ausführungsform mit der Verarbeitung von 11 ersetzt wird, aber es kann als abgewandeltes Beispiel der sechsten Ausführungsform stattdessen Schritt S170 (4) der zweiten Ausführungsform mit der in 11 gezeigten Verarbeitung ersetzt werden. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel werden ähnliche Effekte wie bei der zweiten Ausführungsform erhalten, und es können zusätzliche Speicherressourcen eingespart werden.
Siebte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer siebten Ausführungsform umfasst eine identische Hardwarekonfiguration zu dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der sechsten Ausführungsform, und die durch die Steuereinheit ausgeführte Kathodengegendrucksteuerverarbeitung (2, 11) ist auch identisch. Das Brennstoffzellensystem gemäß der siebten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der sechsten Ausführungsform weiter darin, dass sie die Feuchtigkeitssteuerverarbeitung als Software enthält. Es ist zu beachten, dass, wenn die Hardwarekonfiguration der siebten Ausführungsform identisch zu der der ersten Ausführungsform ist, die identischen Bezugszeichen zu jenen der ersten Ausführungsform den entsprechenden Bestandteilen in der nachstehenden Beschreibung zugeordnet werden.
12 ist ein Flussdiagramm, das die Feuchtigkeitssteuerverarbeitung gemäß der siebten Ausführungsform darstellt. Die Feuchtigkeitssteuerverarbeitung wird gestartet nachdem die Verarbeitung zum Steuern des Kathodengegendrucks P auf den Sollkathodengegendruck TP in Schritt S192 der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung ausgeführt wird (2, 11). Wenn die Verarbeitung beginnt, führt zunächst die Steuereinheit 60 die Verarbeitung aus, um den Kathodengegendruck P von dem Drucksensor 3b (Schritt S710) zu erhalten. Als Nächstes erhält die Steuereinheit 60 die tatsächliche Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 (Schritt S720). Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 60 die Ausgabeleistung als die Ausgabe W durch Erhalten des Stroms und der Spannung jeweils von dem Stromsensor 2a und dem Spannungssensor 2b, und anschließend durch Multiplizieren des Stroms durch die Spannung.
Als Nächstes vergleicht die Steuereinheit 60 eine tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität mit einer geschätzten Kathodengegendrucksensitivität S und vergleicht einen tatsächlichen Ausgabeabsolutwert mit einem geschätzten Ausgabeabsolutwert, um zu bestimmen, ob die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität mit der geschätzten Kathodengegendrucksensitivität übereinstimmt und der Ausgabeabsolutwert mit dem geschätzten Ausgabeabsolutwert übereinstimmt (Schritt S730). Die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität und der tatsächliche Ausgabeabsolutwert werden von dem in Schritt S710 erhaltenen tatsächlichen Kathodengegendruck P und der in Schritt S720 erhaltenen tatsächlichen Ausgabe W abgeleitet. Die geschätzte Kathodengegendrucksensitivität S und der geschätzte Ausgabeabsolutwert werden von der in der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung von 2 geschätzten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve bestimmt (insbesondere in Schritt S760 von 11 bestimmt). Nachstehend enthält „übereinstimmt” nicht nur einen Fall, bei dem die Werte vollständig identisch sind, sondern auch einen Fall, bei dem sich die Werte innerhalb eines zulässigen Bereichs unterscheiden. Wie vorstehend beschrieben, ist die Kathodengegendrucksensitivität die Steigung eines vorbestimmten Zeitpunkts (beispielsweise der Zeitpunkt zum Starten, um den Kathodengegendruck zu erhöhen) auf der Kennlinienkurve, die eine Schwankung der Ausgabe W der Brennstoffzelle relativ zu dem Kathodengegendruck P anzeigt. Der Ausgabeabsolutwert ist ein Absolutwert der Ausgabe W auf der Kennlinienkurve zu dem vorbestimmten Zeitpunkt.
Wenn in Schritt S730 bestimmt wird, dass die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität mit der geschätzten Kathodengegendrucksensitivität übereinstimmt und der tatsächliche Ausgabeabsolutwert mit dem geschätzten Ausgabeabsolutwert übereinstimmt, wird die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung zeitweise beendet. Wenn andererseits in Schritt S730 bestimmt wird, dass die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität nicht mit der geschätzten Kathodengegendrucksensitivität übereinstimmt und/oder der tatsächliche Ausgabeabsolutwert nicht mit dem geschätzten Ausgabeabsolutwert übereinstimmt, wird bestimmt, dass das Fluten in der Brennstoffzelle 20 auftritt, und daher wird eine Flutungsvermeidungsverarbeitung ausgeführt (Schritt S740).
Wie vorstehend beschrieben, wird die Platinnutzrate durch den Oxidationsschichtzustand und den gefluteten Zustand bestimmt, und bei der sechsten Ausführungsform wird die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung in der Annahme ausgeführt, dass das Fluten nicht aufgetreten ist. Bei der siebten Ausführungsform wird andererseits, anstelle der Annahme, dass das Fluten nicht aufgetreten ist, bestimmt, dass das Fluten aufgetreten ist, wenn die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität und der tatsächliche Ausgabeabsolutwert, die von dem tatsächlichen Kathodengegendruck P und der tatsächlichen Ausgabe W abgeleitet werden, von der geschätzten Kathodengegendrucksensitivität S und dem geschätzten Ausgabeabsolutwert abweichen, die von der in der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung geschätzten Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve bestimmt werden, und in diesem Fall wird die Flutungsvermeidungsverarbeitung ausgeführt. Mit anderen Worten, die Flutungsvermeidungsverarbeitung wird ausgeführt, wenn in Schritt S730 bestimmt wird, dass die tatsächliche Kathodengegendrucksensitivität nicht mit der geschätzten Kathodengegendrucksensitivität übereinstimmt und/oder der tatsächliche Ausgabeabsolutwert nicht mit dem geschätzten Ausgabeabsolutwert übereinstimmt.
Die Flutungsvermeidungsverarbeitung von Schritt S740 wird ausgeführt, um eine durch das Befeuchtungsmodul 33 angewandte Befeuchtungsmenge unter normalen Zuständen zu reduzieren. Es ist zu beachten, dass die Flutungsvermeidungsverarbeitung nicht notwendigerweise auf diese Konfiguration beschränkt ist, und kann auch bei einem weiteren Verfahren ausgeführt werden, wie z. B. Erhöhen einer Anfangstemperatur der Brennstoffzelle 20. Insbesondere wird bei einem Fall, bei dem eine Kühlmittelströmungspassage, die ein Kühlmittel befördert, das durch das Innere der Brennstoffzelle strömt, durch einen entlang eines Kühlventilators vorgesehenen Radiator durchgeht, die innere Temperatur durch Stoppen des Kühlgebläses erhöht.
Wie dazu beschrieben, entspricht die Ausgabe der Brennstoffzelle dem wirksamen Platinoberflächenbereich, und der wirksame Platinoberflächenbereich wird durch die Platinnutzrate und den Platinoberflächenbereich bestimmt. Dadurch wird eine Weise, in der die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in Abhängigkeit davon variiert, ob das Fluten aufgetreten ist, wenn entsprechende Magnituden der Platinnutzrate und des Platinoberflächenbereichs variieren, nachstehend beschrieben.
13 ist eine darstellende Ansicht, die eine Schwankung der Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve in Abhängigkeit des Vorhandenseins oder Nicht-Vorhandenseins des Flutens unter den entsprechenden Zuständen darstellt. Die Zustände sind die entsprechenden Kombinationen der hohen und niedrigen Platinnutzrate und der großen und kleinen wirksamen Platinoberflächenbereiche.
Wenn die Platinnutzrate hoch ist und der wirksame Platinoberflächenbereich groß ist, wie in 13A gezeigt, variiert die Kathodengegendrucksensitivität (die Steigung) nicht, ungeachtet ob das Fluten vorliegt (gestrichelte Linie) oder nicht vorliegt (durchgezogene Linie), wohingegen der Ausgabeabsolutwert kleiner ist, wenn das Fluten vorliegt als wenn das Fluten nicht vorliegt. Wenn die Platinnutzrate hoch ist und der wirksame Platinoberflächenbereich klein ist, wie in 13B gezeigt, sind beide, die Kathodengegendrucksensitivität (die Steigung) und der Ausgabeabsolutwert, kleiner, wenn das Fluten vorliegt als wenn das Fluten nicht vorliegt. Wenn eine Platinnutzrate klein ist und der wirksame Platinoberflächenbereich groß ist, wie in 13C gezeigt, sind beide, die Kathodengegendrucksensitivität (die Steigung) und der Ausgabeabsolutwert, kleiner, wenn das Fluten vorliegt als wenn das Fluten nicht vorliegt. Wenn die Platinnutzrate niedrig ist und der wirksame Platinoberflächenbereich klein ist, wie in 13D gezeigt, variiert der Ausgabeabsolutwert nicht stark, ungeachtet, ob das Fluten vorhanden ist (gepunktete Linie) oder nicht vorhanden ist (durchgezogene Linie), wohingegen die Kathodengegendrucksensitivität (die Steigung) kleiner ist, wenn das Fluten vorhanden ist als wenn das Fluten nicht vorhanden ist.
Es ist daher offensichtlich, dass durch Vergleichen der entsprechenden Werte der Kathodengegendrucksensitivität (die Steigung) und des Ausgabeabsolutwerts, wenn das Fluten mit deren Werten nicht vorhanden ist, wenn das Fluten vorliegt, das Vorhandensein des Flutens auf der Basis wenigstens eines der Erfassungsergebnisse bestimmt werden kann, selbst wenn die entsprechenden Magnituden der Platinnutzrate und des Platinoberflächenbereichs variieren.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der siebten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem der sechsten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus kann mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der siebten Ausführungsform ein Fall, bei dem das Fluten aufgetreten ist, durch Vermeiden des Flutens gehandhabt werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance ermöglicht wird.
Es ist zu beachten, dass bei der siebten Ausführungsform ähnlich zu der sechsten Ausführungsform der Schritt S170 der ersten Ausführungsform mit der Verarbeitung von 11 ersetzt wird, aber es kann als abgewandeltes Beispiel der siebten Ausführungsform stattdessen Schritt S170 (4) der zweiten Ausführungsform mit der in 11 gezeigten Verarbeitung ersetzt werden. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel werden ähnliche Effekte wie bei der zweiten Ausführungsform erhalten, und es können zusätzlich die Speicherressourcen eingespart werden, und eine weitere Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance kann durch Vermeiden des Flutens erhalten werden.
Darüber hinaus wird bei der siebten Ausführungsform die Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve mit einer Formel bestimmt, aber ähnlich zu der ersten Ausführungsform kann eine Konfiguration, bei der die Tabellendaten, die eine Mehrzahl von den Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurven abbilden, vorab in dem Speicher bereitgestellt werden und eine erwünschte Kathodengegendruck-Ausgabekennlinienkurve wird davon auf der Basis der Kathodengegendrucksensitivität S ausgewählt wird, oder mit anderen Worten die ursprüngliche Konfiguration von Schritt S170 in 2, stattdessen verwendet werden. Ähnliche wie bei dieser Konfiguration kann ein Fluten vermieden werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance ermöglicht wird.
Achte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer achten Ausführungsform umfasst eine identische Hardwarekonfiguration zu dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass bei der nachstehenden Beschreibung die identischen Bezugszeichen zu jenen der ersten Ausführungsform den entsprechenden Bestandteilen der Hardware zugeordnet werden. Bei der achten Ausführungsform wird die Ausgabe der Brennstoffzelle zu dem gleichen Zeitpunkt sichergestellt, wenn ein Zustand der Batterie 52 durch einen einzelnen Steuerprozess verbessert wird. Diese Gesamtsteuerung wird durch die Steuereinheit 60 ausgeführt.
14 ist ein Flussdiagramm, das eine Gesamtsteuerverarbeitung gemäß einer achten Ausführungsform darstellt. Die Gesamtsteuerverarbeitung wird wiederholend durch die Steuereinheit 60 bei vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt. Wie in den Figuren dargestellt, wenn die Verarbeitung beginnt, führt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung aus, um entsprechende Zustände der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52 zu erfassen und einzuschätzen (Schritt S810). Die Steuereinheit 60 erfasst beispielsweise den Zustand der Brennstoffzelle 20 durch Einschätzen einer Feuchtigkeitsmenge in der Brennstoffzelle 20 durch deren Impedanzwert und durch Bestimmen von der Feuchtigkeitsmenge, ob die Brennstoffzelle 20 ausgetrocknet oder geflutet ist. Darüber hinaus erfasst beispielsweise die Steuereinheit 60 den Zustand der Batterie 52 durch Bestimmen eines Verschlechterungszustands der Batterie 52 von einer während des Startens erhaltenen Spannungsmessung.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60 einen geeigneten Bereich des SOC der Batterie auf der Basis der Zustände der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52, die in Schritt S810 geschätzt werden (Schritt S820). Der „SOC” ist ein Index, der einen in der Batterie verbleibenden Leistungsbetrag anzeigt, und ist nachstehend als ein Wert definiert, der durch Teilen eines in der Batterie 52 verbleibenden Elektrizitätsbetrags durch einen in der Batterie gespeicherten Elektrizitätsbetrag erhalten wird, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Es ist zu beachten, dass der SOC der Batterie als ein ladefähiger Betrag anstelle einer verbleibenden Kapazität definiert werden kann. Der „zulässige Bereich” ist ein Bereich, in dem die Batterie 52 wirksam verwendet werden kann. Der zulässige Bereich verändert sich entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle 20 sowie dem Zustand der Batterie 52. Der zulässige Bereich wird stetig höher festgelegt, wenn ein innerer Zustand der Brennstoffzelle 20 sich verschlechtert.
Als Nächstes führt die Steuereinheit 60 eine Verarbeitung zum Lesen des SOC der Batterie 52 aus (Schritt S830). Insbesondere wird der SOC auf der Basis eines Lade/Entladestroms der Batterie 52 berechnet, der durch einen Batteriestromsensor (nicht gezeigt) erfasst wird. Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60, ob der in Schritt S830 erhaltene SOC innerhalb eines in Schritt S820 erhaltenen zulässigen Bereichs liegt (Schritt S840). Wenn in Schritt S840 bestimmt wird, dass der SOC nicht in dem geeigneten Bereich liegt, wird ein erforderlicher Lade-/Entladebetrag zum Verschieben des SOC der Batterie 52 in dem geeigneten Bereich bestimmt (Schritt S850).
Nach Ausführen des Schritts S850 bestimmt die Steuereinheit 60 Schwankungen (Schwankungsbeträge) des Kathodengegendrucks und eine Kathodenströmungsrate, die für die erforderliche Ausgabe TW, die von der Brennstoffzelle 20 erforderlich ist, notwendig ist, um eine Magnitude zu erreichen, die durch den in Schritt S850 bestimmten Batterielade-/entladebetrag erhöht wird (Schritt S860). Die „Kathodenströmungsrate” ist eine Strömungsrate des zu der Brennstoffzelle 20 zugeführten Oxidationsgases.
15 ist ein Diagramm, das eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Kathodengegendruck P und einer Kathodenströmungsrate L während eines Ausführens der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung darstellt. Wenn das Gaspedal 80 derart niedergedrückt wird, dass ein Betriebszustand von einem Punkt Xa zu einem Punkt Xb mit der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform verschoben wird, wird der Betriebszustand zusammen mit einem durch einen Pfeil α in dem Diagramm angezeigten Weg verschoben. Gemäß der achten Ausführungsform wird andererseits der Betriebszustand entlang eines durch einen Pfeil β in der Zeichnung angezeigten Pfads verschoben. Mit anderen Worten, wie durch den Pfeil β gezeigt, wird ein Verhältnis einer Erhöhung der Kathodenströmungsrate L zu einer Erhöhung des Kathodengegendrucks P gesteuert, um größer als der von der durch den Pfeil α angezeigten ersten Ausführungsform zu sein.
16 ist ein Zeitdiagramm, das eine Schwankung des Kathodengegendrucks P, der Kathodenströmungsrate L und der Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 darstellt. Es wird angenommen, dass das Gaspedal 80 zu einem Zeitpunkt t1 derart niedergedrückt wird, dass die Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 die erforderliche Ausgabe TW zu einem Zeitpunkt t2 erreicht. Ein Timing des Zeitpunkts t1 entspricht dem Punkt Xa in 15, und ein Timing des Zeitpunkts t2 entspricht dem Punkt Xb in 15. Gepunktete Linien in der Zeichnung bezeichnen eine Schwankung gemäß der ersten Ausführungsform, während durchgezogene Linien in der Zeichnung eine Schwankung gemäß der achten Ausführungsform bezeichnen.
Wie in der Zeichnung dargestellt, verändert sich bei der Übergangszeit von dem Zeitpunkt t1 zu dem Zeitpunkt t2 der Kathodengegendruck P gemäß der ersten Ausführungsform, um sich temporär über die Zeit zu erhöhen, wohingegen der Kathodengegendruck P gemäß der achten Ausführungsform variiert, und um eine Verzögerung relativ zur ersten Ausführungsform zuzunehmen. Es ist jedoch zu beachten, dass der Zeitpunkt t2, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, der erforderlich ist, um die erforderliche Ausgabe TW zu erreichen, identisch sowohl bei der ersten Ausführungsform als auch bei der achten Ausführungsform ist. Mittlerweile verändert sich die Kathodenströmungsrate L gemäß der achten Ausführungsform, um sich früher als die der ersten Ausführungsform zu erhöhen, und ein Zeitpunkt, zu dem die Kathodenströmungsrate L eine Sollkathodenströmungsrate TL erreicht, die erforderlich ist, um die erforderliche Ausgabe TW zu erreichen, wird zu einem Zeitpunkt t3 festgelegt, der früher als der Zeitpunkt t2 ist, zu dem die Kathodenströmungsrate L die Sollkathodenströmungsrate TL gemäß der ersten Ausführungsform erreicht.
Eine Schwankung der Ausgabe W gemäß der achten Ausführungsform ist wie in der Zeichnung gezeigt, und ein Timing, zu dem die Ausgabe W der Brennstoffzelle 20 die erforderliche Ausgabe TW zu einem Zeitpunkt t4 festlegt, der früher als der Zeitpunkt t2 gemäß der ersten Ausführungsform ist. Mit anderen Worten, das Timing, zu dem die Ausgabe W die erforderliche Ausgabe TW erreicht, ist früher als der Zeitpunkt t2, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht. Ein schattierter Teil in der Zeichnung bezeichnet eine Leistungserhöhung Wadd relativ zu der ersten Ausführungsform, der durch Voranschreiten des Timings erhalten wird, zu dem die Ausgabe W die erforderliche Ausgabe TW erreicht. Die Leistungserhöhung Wadd ist so definiert, dass sie mit dem in Schritt S850 bestimmten Batterielade-/entladebetrag übereinstimmt. Mit anderen Worten, bei dem Schritt S860 von 14 wird eine Weise, in der der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L variiert wird (eine Schwankungsdrehzahl/eine Verzögerungszeit), derart bestimmt, dass die Ausgabe W wie in den 15 und 16 variiert.
Nach Ausführen des Schritts S860 führt die Steuereinheit 60 die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung (Schritt S870) und die Kathodenströmungsratensteuerungsverarbeitung (Schritt S880) aus. Bei der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung und der Kathodenströmungsratensteuerverarbeitung werden der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L entsprechend der in Schritt S860 bestimmten Schwankungsweise gesteuert. Die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung wird durch eine identische Verarbeitungsroutine zu der der ersten Ausführungsform realisiert. Es ist zu beachten, dass die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform mit der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung gemäß der zweiten Ausführungsform ersetzt werden kann. Bei der Kathodenströmungssteuerverarbeitung wird die Kathodenströmungsrate durch Variieren der Drehzahl des Motors M1 des Luftkompressors 31 gesteuert. Bei der Zeichnung wird Schritt S880 nach Ausführen des Schritts S870 ausgeführt, allerdings ist dies zur Erleichterung der Darstellung, und in Wirklichkeit werden der Schritt S870 und Schritt S880 parallel ausgeführt.
Nachdem der Schritt S870 und der Schritt S880 ausgeführt werden, wird die Gesamtsteuerverarbeitung zeitweise beendet. Andererseits schreitet, wenn in S840 bestimmt wird, dass der SOC innerhalb des geeigneten Bereichs liegt, die Verarbeitung zu Schritt S870 fort, um die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung und die Kathodenströmungsratensteuerverarbeitung ohne Ausführen der Schritte S850 und S860 auszuführen.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus erreicht mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform die Ausgabe W der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe TW zu einem früheren Zeitpunkt als ein Zeitpunkt, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, und daher kann eine überschüssige Leistung entsprechend der Leistungserhöhung Wadd erhalten werden. Der Batterielade-/entladebetrag wird anschließend mit diesem Überschuss ergänzt. Dadurch kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden.
Es ist zu beachten, dass bei der achten Ausführungsform bestimmt wird, dass die Batterie in einem nicht günstigen Zustand ist, wenn der SOC von dem geeigneten Bereich abweicht, aber die Erfindung ist nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Es kann bestimmt werden, dass die Batterie solang ein einem ungünstigen Zustand von einem anderen Zustand ist, wenn die Batterie in einem ungünstigen Zustand ist, wie die Kathodenströmungsrate L bei einem früheren Zeitpunkt erhöht wird, um die erforderliche Zusatzleistung zum Verbessern des Zustands der Batterie bereitzustellen.
Darüber hinaus wird die Weise, in der der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L variiert werden, nicht auf die in den 15 und 16 dargestellten Muster beschränkt, und solange die Leistungserhöhung Wadd verglichen mit der ersten Ausführungsform erhalten wird, kann sich die Schwingungsdrehzahl und die Verzögerungszeit von jenen in den 15 und 16 unterscheiden.
Neunte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer neunten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der achten Ausführungsform lediglich in der durch die Steuereinheit ausgeführten Gesamtsteuerverarbeitung, und ist dazu sowohl in der Software- als auch der Hardwarekonfiguration identisch. Da die Hardwarekonfiguration der neunten Ausführungsform identisch zu der der achten Ausführungsform und daher zu der ersten Ausführungsform ist, werden die identischen Bezugszeichen zu jenen, die in der ersten Ausführungsform verwendet werden, den entsprechenden Bestandteilen in der nachstehenden Beschreibung zugeordnet.
17 ist ein Flussdiagramm, das die Gesamtsteuerverarbeitung gemäß der neunten Ausführungsform darstellt. Die Gesamtsteuerverarbeitung wird wiederholend durch die Steuereinheit 60 zu vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt. Diese Gesamtsteuerverarbeitung enthält identische Schritte S810, S870 und S880 zu der Gesamtsteuerverarbeitung gemäß der in 14 gezeigten achten Ausführungsform, allerdings unterscheidet sie sich davon darin, dass die Schritte S920 bis S930 anstelle der Schritte S820 bis S860 von 14 vorgesehen sind. Die Steuereinheit 60 bestimmt, ob der Zustand der Brennstoffzelle 20 auf der Basis des in Schritt S810 geschätzten Zustands der Brennstoffzelle 20 günstig ist (Schritt S920). Wenn nachstehend bestimmt wird, dass der Zustand der Brennstoffzelle nicht günstig ist, wird eine Schwingung des Kathodengegendrucks und der Kathodenströmungsrate derart bestimmt, dass die erforderliche Ausgabe TW, die von der Brennstoffzelle 20 erforderlich ist, eine Magnitude erreicht, die durch einen Leistungsbetrag eines Zusatzgeräts erhöht wird, das betrieben wird, um den Zustand der Brennstoffzelle 20 zu verbessern (Schritt S930). Nachstehend wird die Weise, in der der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L variiert werden (die Schwingungsdrehzahl/die Verzögerungszeit) derart bestimmt, dass die in 16 dargestellte Leistungserhöhung Wadd zu der Leistung des betriebenen Zusatzgeräts übereinstimmt.
Nach Ausführen des Schritts S930 führt die Steuereinheit 60 die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung (Schritt S870) und die Kathodenströmungssteuerverarbeitung (Schritt S880) aus. Bei der Kathodengegendrucksteuerverarbeitung und der Kathodenströmungsratensteuerverarbeitung werden der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L entsprechend der in Schritt S930 bestimmten Schwingungsweise gesteuert. Nachdem der Schritt S880 ausgeführt wird, wird die Gesamtsteuerverarbeitung zeitweise beendet. Wenn in Schritt S920 bestimmt wird, dass der Zustand der Brennstoffzelle 20 günstig ist, schreitet andererseits die Verarbeitung zu Schritt S870 ohne Ausführen von Schritt S930 fort.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der neunten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und dadurch kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus erreicht mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der neunten Ausführungsform die Ausgabe W der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe TW zu einem früheren Timing als einem Timing, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, und daher kann eine überschüssige Leistung entsprechend der Leistungserhöhung Wadd erhalten werden. Die Leistung des Zusatzgeräts, das betrieben wird, um den Zustand der Brennstoffzelle 20 zu verbessern, wird anschließend mit diesem Überschuss ergänzt. Dadurch kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend in dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden.
Zehnte Ausführungsform
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zehnten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der neunten Ausführungsform lediglich in der durch die Steuereinheit ausgeführten Gesamtsteuerverarbeitung, und ist dazu sowohl in der Software- als auch der Hardwarekonfiguration identisch. Da die Hardwarekonfiguration der zehnten Ausführungsform identisch zu der der achten Ausführungsform ist und daher zur ersten Ausführungsform, wurden die identischen Bezugszeichen zu jenen, die bei der ersten Ausführungsform verwendet werden, den entsprechenden Bestandteilen bei der nachstehenden Beschreibung zugeordnet.
18 ist ein Flussdiagramm, das die Gesamtsteuerverarbeitung gemäß der zehnten Ausführungsform darstellt. Die Gesamtsteuerverarbeitung wird wiederholend durch die Steuereinheit 60 bei vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt. Wie in der Zeichnung dargestellt, wenn die Verarbeitung startet, erhält die Steuereinheit 60 zunächst die Impedanz R (Schritt S1010). Die Impedanz R wird durch Teilen der durch den Spannungssensor 2b erfassten Spannung durch den Stromsensor 2a erfassten Strom erhalten.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 60, ob die erhaltene Impedanz R größer als ein zweiter vorbestimmter Wert R2 ist (Schritt S1020), und bestimmt, ob die Impedanz R kleiner als ein erster vorbestimmter Wert R1 (< R2) ist (Schritt S1030). Der erste vorbestimmte Wert R1 und der zweite vorbestimmte Wert R2 nehmen identische Werte bei der dritten Ausführungsform ein. Wenn in Schritt S1020 und Schritt S1030 bestimmt wird, dass die Impedanz R innerhalb eines geeigneten Bereichs (R2 ≤ R ≤ R1) liegt, der sich von dem ersten vorbestimmten Wert R1 zu dem zweiten vorbestimmten Wert R2 (negative Bestimmungen sowohl in S1020 als auch in S1030) erstreckt, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S870 fort. Bei den Schritten S870 und S880 werden die Kathodengegendrucksteuerverarbeitung und die Kathodenströmungsratensteuerverarbeitung auf einer identischen Weise wie bei der achten Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, ausgeführt.
Wenn bei Schritt S1030 bestimmt wird, dass die Impedanz R kleiner als der erste vorbestimmte Wert R1 wird, wird andererseits bestimmt, dass ein Feuchtigkeitsbetrag übermäßig groß ist (d. h. es wird bestimmt, dass ein Fluten aufgetreten ist), und daher bringt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zu Schritt S1040. Bei Schritt S1040 bestimmt die Steuereinheit 60 die Weise, in der der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L variiert werden (die Schwingungsdrehzahl/die Verzögerungszeit), ähnlich zu den achten und neunten Ausführungsformen derart, dass die Kathodenströmungsrate L die Sollkathodenströmungsrate TL zu einem früheren Zeitpunkt als zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht. Die durch Erhöhen der Kathodenströmungsrate L zunächst auf diese Weise erhaltene Leistungserhöhung Wadd (16) stimmt mit der Leistung eines Zusatzgeräts überein, die betätigt wird, um den gefluteten Zustand zu verbessern.
Mittlerweile wird, wenn in Schritt S1020 bestimmt wird, dass die Impedanz R größer als der zweite vorbestimmte Wert R2 ist, bestimmt, dass der Feuchtigkeitsbetrag übermäßig klein ist (d. h. es wird bestimmt, dass die Brennstoffzelle ausgetrocknet ist), und daher schreitet die Verarbeitung zu Schritt S1050 fort. Bei Schritt S1050 wird ein Kathodensteuerverfahren derart bestimmt, dass das Timing, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, früher als das Timing ist, zu dem die Kathodenströmungsrate L die Sollkathodenströmungsrate TL erreicht. Mit anderen Worten, die Beziehung zwischen dem Kathodengegendruck P und der Kathodenströmungsrate L wird von der der achten Ausführungsform derart umgekehrt, dass die Weise, in der der Kathodengegendruck P variiert wird, mit der Weise übereinstimmen, in der die „Kathodenströmungsrate L” in 16 variiert, und die Weise, in der die Kathodenströmungsrate L variiert wird, stimmt mit der Weise überein, in der der „Kathodengegendruck P” in 16 variiert. Demgemäß entspricht das Timing, zu dem die Kathodenströmungsrate L die Sollkathodenströmungsrate TL erreicht, dem Zeitpunkt t2, und das Timing, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, entspricht dem Zeitpunkt t3, der früher als der Zeitpunkt t2 ist. Die durch die Erhöhung des Kathodengegendrucks P zuerst auf diese Weise erhaltene Leistungserhöhung stimmt mit der Leistung eines Zusatzgeräts überein, das betrieben wird, um den ausgetrockneten Zustand zu verbessern.
Nach dem Ausführen von Schritt S1040 oder S1050 ähnlich, wenn eine negative Bestimmung in Schritt S1030 ausgeführt wird, bringt die Steuereinheit 60 die Verarbeitung zu Schritt S870. Durch Ausführen der Schritte S870 und S880 werden der Kathodengegendruck P und die Kathodenströmungsrate L in der in Schritt S1040 bestimmten Art und Weise variiert.
Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der zehnten Ausführungsform mit der vorstehenden Konfiguration kann ähnlich wie bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform die erforderliche Ausgabe TW zuverlässiger sichergestellt werden, und daher kann die Leistungserzeugungsperformance verbessert werden. Darüber hinaus erreicht mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der zehnten Ausführungsform die Ausgabe W der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe TW bei einem früheren Timing als zu einem Timing, zu dem der Kathodengegendruck P den Sollkathodengegendruck TP erreicht, und daher kann die überschüssige Leistung entsprechend der Leistungserhöhung Wadd erhalten werden. Die Leistung des Zusatzgeräts, die erforderlich ist, um den gefluteten Zustand zu verbessern, wird anschließend mit diesem Überschuss ergänzt. Dadurch kann ein Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung durchgehend bei dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden. Darüber hinaus kann, wenn die Brennstoffzelle austrocknet, der ausgetrocknetste Zustand verbessert werden, und daher kann das Gleichgewicht zwischen Anforderung und Zufuhr der Leistung auf ähnliche Weise durchgehend bei dem gesamten Brennstoffzellensystem beibehalten werden.
Es ist zu beachten, dass die entsprechenden Ausführungsformen von der achten Ausführungsform bis zur zehnten Ausführungsform kombiniert werden können. Insbesondere können zwei Ausführungsformen, die von der achten Ausführungsform bis zur zehnten Ausführungsform ausgewählt werden, kombiniert werden oder alle drei Ausführungsformen können kombiniert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die ersten bis zehnten Ausführungsformen und deren vorstehend beschriebenen abgewandelten Beispiele beschränkt, und kann auf verschiedene Formen innerhalb eines Bereichs implementiert werden, der nicht von deren Gegenstand abweicht. Beispielsweise können die nachstehenden Abwandlungen implementiert werden.
Abgewandeltes Beispiel 1
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wird die Kathodengegendrucksensitivität S, die als eine Drucksensitivität dient, auf der Basis des Drucks (Kathodengegendruck) des von der Brennstoffzelle 20 abgegebenen Oxidationsgases bestimmt, aber stattdessen kann die Drucksensitivität auf der Basis des Drucks des zu der Brennstoffzelle 20 zugeführten Oxidationsgases bestimmt werden. Die Drucksensitivität kann auch auf der Basis des Drucks des Oxidationsgases in einer in einer Zelle der Brennstoffzelle vorgesehenen Oxidationsgasströmungspassage bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Drucksensitivität auf der Basis eines Druckunterschieds zwischen einem Oxidationsgaszufuhranschluss und einem Oxidationsgasabgabeanschluss bestimmt werden.
Abgewandeltes Beispiel 2
Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist die Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle vom Feststoffpolymertyp, sie kann allerdings auch eine andere Art von Brennstoffzelle als eine Brennstoffzelle vom Feststoffpolymertyp sein.
Abgewandeltes Beispiel 3
Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist das Brennstoffzellensystem, auf das die Erfindung angewandt wird, in einem Fahrzeug, wie z. B. Kraftfahrzeug, installiert, es kann aber auch in verschiedene bewegende Körper (ein Motorfahrrad, ein Schiff, ein Flugzeug, ein Roboter oder dergleichen) sowie einen Fahrzeug installiert sein. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf ein in einem bewegenden Körper installiertes Brennstoffzellensystem beschränkt, und kann auch auf ein stationäres Brennstoffzellensystem oder ein tragbares Brennstoffzellensystem angewandt werden.
Abgewandeltes Beispiel 4
Bei den vorstehenden Ausführungsformen und den abgewandelten Beispielen können Funktionen, die durch eine Software realisiert werden, auch durch eine Hardware realisiert werden, wie z. B. getrennte elektronische Schaltungen.
Die Erfindung kann als ein Fahrzeug realisiert werden, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung, einem Computerprogramm oder einem Speichermedium zum Bewirken eines Computers installiert werden, um Funktionen entsprechend der Schritte eines Steuerverfahrens für das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung usw. zu realisieren.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt; und eine Gasdrucksteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie als eine Gasdrucksensitivität ein Verhältnis von einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases erfasst, eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität spezifiziert und den Druck des Oxidationsgases auf der Basis der spezifizierten Korrespondenzbeziehung steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie eine erforderliche Ausgabe, die von der Brennstoffzelle erforderlich ist, erhält, als Sollgasdruck einen Druck des Oxidationsgases entsprechend der erforderlichen Ausgabe durch Vergleichen der erforderlichen Ausgabe mit der Korrespondenzbeziehung berechnet und den Druck des Oxidationsgases zu dem Sollgasdruck steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Speichereinheit, die Tabellendaten speichert, in denen Korrespondenzbeziehungen zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle jeweils individuellen Werten der Gasdrucksensitivität zugeordnet sind, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle durch Auswählen der Korrespondenzbeziehung spezifiziert, welche die erfasste Gasdrucksensitivität aus den Tabellendaten entspricht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend ein Gegendruckregulierungsventil, das derart konfiguriert ist, dass es den Druck des von dem Kathodenelektrodenauslass der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsgases regelt, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie den Druck des Oxidationsgases durch Einstellen einer Öffnung des Gegendruckregulierungsventils steuert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Gasdrucksensitivität erfasst und die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Startens zum Erhöhen des Drucks des Oxidationsgases spezifiziert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Gasdrucksensitivität erfasst und die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt spezifiziert, zu dem eine Last der Brennstoffzelle beginnt sich zu einem Betriebspunkt mit einer vorbestimmten Last zu verschieben.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die Brennstoffzelle einen Elektrodenkatalysator enthält; die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle eine erste Korrespondenzbeziehung und eine zweite Korrespondenzbeziehung enthält, wobei die zweite Korrespondenzbeziehung derart festgelegt ist, dass eine Größe des Drucks des Oxidationsgases in der zweiten Korrespondenzbeziehung entsprechend einer identischen Ausgabe der Brennstoffzelle größer als die einer Größe des Drucks des Oxidationsgases in der ersten Korrespondenzbeziehung ist, und die Größe des Kathodengegendrucks, der bei einer identischen erforderlichen Ausgabe erhalten wird, größer als die der normalen Tabellendaten ist, die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Korrespondenzbeziehung durch Auswählen der ersten Korrespondenzbeziehung spezifiziert, wenn die Brennstoffzelle nicht in einem vorbestimmten Betriebszustand ist, in dem sich eine Nutzungsrate eines in dem Elektrodenkatalysator enthaltenen Platins verringert, und die zweite Korrespondenzbeziehung auswählt, wenn die Brennstoffzelle in dem vorbestimmten Betriebszustand ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der vorbestimmte Betriebspunkt ein gefluteter Zustand der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der vorbestimmte Betriebspunkt ein Leerlaufzustand der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend einen nicht-flüchtigen Speicher, der derart konfiguriert ist, dass er kontinuierlich die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle speichert, die durch die Gasdrucksteuereinheit spezifiziert wird, nachdem eine Leistungszufuhr der Brennstoffzelle ausgeschaltet wurde, wobei die Gasdrucksteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie den Druck des Oxidationsgases innerhalb einer vorbestimmten Periode auf der Basis der in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Korrespondenzbeziehung steuert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend eine Flutungsbestimmungseinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie bestimmt, ob ein Fluten in der Brennstoffzelle durch Vergleichen einer spezifischen Gasdrucksensitivität, die von der durch die Gasdrucksteuereinheit mit einer tastsächlichen Gasdrucksensitivität spezifizierenden Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle bestimmt wird, mit einer tatsächlichen Gasdrucksensitivität, die von einem tatsächlichen Druck des Oxidationsgases und einer tatsächlichen Ausgabe der Brennstoffzelle abgeleitet wird, aufgetreten ist, und einen spezifischen Ausgabeabsolutwert vergleicht, der ein absoluter Wert der Ausgabe ist, der der spezifischen Gasdrucksensitivität mit einem tatsächlichen Ausgabeabsolutwert entspricht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei, wenn die Flutungsbestimmungseinheit bestimmt, dass das Fluten aufgetreten ist, die Flutungsbestimmungseinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Verarbeitung zum Vermeiden des Flutens ausführt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ferner aufweisend: eine Batterie; und eine Gasströmungsratensteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Strömungsrate des Oxidationsgases derart steuert, dass, wenn die Gasdrucksteuereinheit den Druck des Oxidationsgases steuert, während die Batterie in einem vorbestimmten Zustand ist, die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe bei einem früheren Zeitpunkt erreicht als zu einem Zeitpunkt, zu dem der Druck des Oxidationsgases einen Sollgasdruck erreicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, ferner aufweisend eine SOC-Bestimmungseinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Ladezustand der Batterie erfasst, wobei bestimmt wird, dass die Batterie in einem vorbestimmten Zustand ist, wenn der erfasste Ladezustand von einem vorbestimmten Bereich abweicht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ferner aufweisend eine Gasströmungsratensteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Strömungsrate des Oxidationsgases derart steuert, dass, wenn die Gasdrucksteuereinheit den Druck des Oxidationsgases steuert, während die Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Zustand ist, die Ausgabe der Brennstoffzelle die erforderliche Ausgabe zu einem früheren Zeitpunkt erreicht als zu einem Zeitpunkt, zu dem der Druck des Oxidationsgases den Sollgasdruck erreicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle in dem vorbestimmten Zustand ist, wenn das Fluten in der Brennstoffzelle auftritt.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt; eine Gasdrucksteuereinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Druck des Oxidationsgases steuert; und eine Platinoberflächenbereichsschätzeinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie als Gasdrucksensitivität ein Verhältnis von einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases erfasst und einen Platinoberflächenbereich der Kathodenelektrode auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität schätzt.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine Oxidationsgaszufuhreinheit enthält, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt, aufweisend: Erfassen eines Verhältnisses von einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung eines Drucks des Oxidationsgases als eine Gasdrucksensitivität; Spezifizieren einer Korrespondenzbeziehung zwischen dem Druck des Oxidationsgases und der Ausgabe der Brennstoffzelle auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität; und Steuern des Drucks des Oxidationsgases auf der Basis der spezifizierten Korrespondenzbeziehung.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine Oxidationsgaszufuhreinheit enthält, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Oxidationsgas zu einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle zuführt, aufweisend: Steuern eines Drucks des Oxidationsgases; Erfassen eines Verhältnisses einer Schwankung einer Ausgabe der Brennstoffzelle zu einer Schwankung des Drucks des Oxidationsgases als eine Gasdrucksensitivität; und Schätzen eines Platinoberflächenbereichs der Kathodenelektrode auf der Basis der erfassten Gasdrucksensitivität.