DE69912953T2 - Brennstoffzellensystem und elektrisches fahrzeug in dem dieses verwendet wird und startsteuerungsverfahren für brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und elektrisches fahrzeug in dem dieses verwendet wird und startsteuerungsverfahren für brennstoffzellensystem Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik, die eine Zeitperiode minimiert, die zum Anheben einer Innentemperatur von Brennstoffzellen auf ein stationäres Niveau (d. h. auf eine voreingestellte Temperatur mit der eine benötigte Ausgabeleistung bzw. Abgabe erzeugt werden kann) zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen benötigt wird.
  • Technischer Hintergrund
  • Brennstoffzellen, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff aufweisen und elektrische Energie erzeugen haben einen hohen energetischen Wirkungsgrad und sind daher vielversprechend als Energiequelle von Elektrofahrzeugen. Falls die Brennstoffzellen als Energie- bzw. Stromquelle eines Elektrofahrzeugs verwendet werden, wird ein Motor mit der durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Energie bzw. Leistung angetrieben und gibt ein Drehmoment ab, welches auf eine Achse übertragen wird, um eine Antriebskraft des Elektrofahrzeugs bereitzustellen. Es tritt jedoch das folgende Problem auf, wenn die Brennstoffzellen als die Energiequelle eines Elektrofahrzeugs verwendet werden.
  • Die Brennstoffzellen mit niedriger Innentemperatur erzeugen keine ausreichende Ausgangs- bzw. Abgabeleistung, um eine benötigte Ausgangsleistung des Elektrofahrzeugs zu verwirklichen. Es ist daher nötig, die Innentemperatur der Brennstoffzellen auf ein stationäres Niveau anzuheben, wenn die Brennstoffzellen als die Energiequelle des Elektrofahrzeugs verwendet werden. Zur Startzeit des Elektrofahrzeugs, d. h. zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen, haben die Brennstoffzellen eine niedrige Innentemperatur. Es dauert entsprechend lang, die Innentemperatur der Brennstoffzellen durch die durch elektrochemische Reaktionen erzeugte Joulewärme auf das stationäre Niveau anzuheben.
  • Um ein derartiges Problem zu lösen, wird beim Stand der Technik, wie beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 58-23167, der Motor mittels einer zweiten Batterie angetrieben, die parallel zu den Brennstoffzellen geschaltet ist, und der Motor zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen mit Luft abkühlt und den Brennstoffzellen die durch den Motorkühlvorgang erhitzte Warmluft zuführt, um die Innentemperatur der Brennstoffzellen auf das stationäre Niveau in einer kürzeren Zeitperiode anzuheben.
  • Da ein im Motor aufgenommener Rotor und Stator hohe Wärmekapazitäten aufweisen steigt die Temperatur des Motors unmittelbar nach dem Start des Motors nicht auf ein hohes Niveau an. Die zum Abkühlen des Motors verwendete und anschließend den Brennstoffzellen zugeführte Luft hat dementsprechend zur Startzeit des Motors keine ausreichend hohe Temperatur. Diese vorgeschlagene Technik benötigt infolgedessen einige Zeit, um die Innentemperatur der Brennstoffzellen zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen auf das stationäre Niveau anzuheben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bei den bekannten Techniken auftretenden Probleme zu lösen und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Innentemperatur von Brennstoffzellen zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen in einer kürzest möglichen Zeit auf ein stationäres Niveau anzuheben, sowie ein Verfahren zur Steuerung der Betätigung eines solchen Brennstoffzellensystems.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zumindest ein Teil der oben stehenden und der anderen verwandten Aufgaben wird durch ein erstes Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung erledigt, welches Brennstoffzellen umfasst, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen und an einem Elektrofahrzeug montierbar sind.
  • Das erste Brennstoffzellensystem umfasst einen Motor, welcher mit der von den Brennstoffzellen abgegebenen elektrischen Energie angetrieben wird; und eine Motorsteuereinheit, welche den Antrieb des Motors steuert. Die Motorsteuereinheit steuert den Antrieb des Motors derart, dass der Motor veranlasst wird, die von den Brennstoffzellen abgegebene elektrische Energie zu verbrauchen, ohne an einer Antriebswelle des Motors zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen irgendein Drehmoment zu erzeugen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein erstes Verfahren zur Steuerung der Betätigung eines Brennstoffzellensystems gerichtet, welches Brennstoffzellen umfasst, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen; sowie einen Motor, welcher mit der abgegebenen elektrischen Energie von den Brennstoffzellen angetrieben wird.
  • Das erste Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • (a) Steuerung der Aktivierung der Brennstoffzellen;
    • (b) Steuerung des Antriebs des Motors, um den Motor zu veranlassen, die von den Brennstoffzellen abgegebene elektrische Energie zu verbrauchen, ohne an der Antriebswelle des Motors zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen irgendein Drehmoment zu erzeugen.
  • Das erste Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung und das entsprechende erste Verfahren zur Steuerung der Betätigung des Brennstoffzellensystems steuert einen Antrieb des Motors, um zu bewirken, dass der Motor die von den Brennstoffzellen abgegebene elektrische Energie verbraucht, ohne dass an der Antriebswelle des Motors irgendein Drehmoment erzeugt wird.
  • Im ersten Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung und beim entsprechenden ersten Verfahren zur Steuerung der Betätigung des Brennstoffzellensystems, wird zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen der Motor so gesteuert, dass er die von den Brennstoffzellen zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen abgegebene elektrische Energie verbraucht. Diese Anordnung bewirkt, dass die elektrische Energie den Brennstoffzellen zwanghaft entzogen wird und verbessert dadurch die elektrochemischen Reaktionen, die in den Brennstoffzellen ablaufen. Die verbesserten Reaktionen steigern die Joulewärme und ermöglichen es, dass die Innentemperatur der Brennstoffzellen in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben wird. Während der Motor die elektrische Energie verbraucht, wird an der Antriebswelle des Motors kein Drehmoment erzeugt. D.h., dass der Motor unter der Bedingung einer ungenügenden Abgabe bzw. Ausgangsleistung der Brennstoffzellen praktisch nicht betätigt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise an einem Elektrofahrzeug montiert bzw. eingebaut ist, wird das Elektrofahrzeug nicht angetrieben, solange die Ausgangsleistung der Brennstoffzellen für die benötigte Ausgangsleistung des Elektrofahrzeugs nicht ausreichend ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Brennstoffzellensystem ferner eine Temperaturerfassungseinheit, welche die Innentemperatur der Brennstoffzellen misst. Die Motorsteuereinheit steuert den Antrieb des Motors in einer Weise, dass die vom Motor verbrauchte elektrische Energie entsprechend der erfassten Innentemperatur variiert bzw. schwankt.
  • Die Anordnung mit Variierung der aus den Brennstoffzellen abgezogenen elektrischen Leistung gemäß der überwachten Innentemperatur der Brennstoffzellen ermöglicht es, dass die Innentemperatur der Brennstoffzellen mit einem hohen Nutzungsgrad in einer kürzeren Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben werden, ohne dass der zulässige Bereich der von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Leistung überschritten wird.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Brennstoffzellensystem ferner eine Sekundärbatterie, die in der Lage ist, den Motor mit elektrischer Energie zu versorgen, um ihn anzutreiben; und eine Batterie-Versorgungs-Reguliereinheit, die eine Versorgung des Motors mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie reguliert. Die Batterie-Versorgungs-Reguliereinheit schneidet die Versorgung des Motors mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen ab.
  • Bei dem die Sekundärbatterie umfassenden Aufbau erhöht das Abschneiden des Motors von der Versorgung mit elektrischer Energie aus der Sekundärbatterie die Verbrauchsrate des Motors an elektrischer Energie von den Brennstoffzellen und dadurch die aus den Brennstoffzellen abgezogene elektrische Energie, wodurch es möglich wird, die Innentemperatur der Brennstoffzellen in einer kürzeren Zeitperiode auf das stationäre Niveau anzuheben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Brennstoffzellensystems steuert die Motorsteuereinheit den Antrieb des Motors, welcher als d-q-Achsenmodell ausgedrückt ist, derart, dass ein Wert des durch eine q-Achsenwindung fließenden elektrischen Stroms im wesentlichen zu Null wird und ein Wert eines durch eine d-Achsenwindung fließenden elektrischen Stroms gleich einem vorbestimmten Wert von nicht kleiner als 0 wird.
  • Eine derartige Steuerung bewirkt, dass der Motor die elektrische Leistung durch den Ohmschen Verlust der d-Achsenwindung verbraucht, ohne irgendein Drehmoment der Antriebswelle zu erzeugen.
  • Bei der Ausführungsform einer Steuerung des Antriebs des Motors nach der obenstehenden Art, umfasst das erste Brennstoffzellensystem ferner eine Temperaturerfassungseinheit, die die Innentemperatur der Brennstoffzellen mischt. Die Motorsteuereinheit steuert den Antrieb des Motors derart, dass der Wert des durch die d-Achsenwindung fließenden elektrischen Stroms gemäß der überwachten Innentemperatur variiert.
  • Diese Anordnung variiert den Wert des durch die d-Achsenwindung fließenden elektrischen Stroms gemäß der Innentemperatur der Brennstoffzellen, um die vom Motor verbrauchte elektrische Leistung zu variieren, wodurch die Innentemperatur der Brennstoffzellen mit hohem Wirkungsgrad in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Brennstoffzellensystem ferner eine Gas-Brennstofferzeugungseinheit, welche den gasförmigen Brennstoff aus einer Rohbrennstoff-Versorgung erzeugt und den so erzeugten, gasförmigen Brennstoff zu den Brennstoffzellen speist; sowie eine Strömungsreguliereinheit, welche eine Strömungsrate bzw. Fließgeschwindigkeit des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen gespeisten, gasförmigen Brennstoffs reguliert. Die Strömungsregulierungseinheit erhöht die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs mit der relativ hohen Temperatur so, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzuellen größer als eine festgelegte Standard-Strömungsrate ist.
  • Der von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit gespeiste bzw. geförderte gasförmige Brennstoff hat im allgemeinen eine relativ hohe Temperatur. Durch ein Erhöhen der Strömungs- bzw. Durchflussrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen geförderten gasförmigen Brennstoffs wird es ermöglicht, dass die Innentemperatur der Brennstoffzellen in einer kürzeren Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben werden.
  • Auch ein weiteres Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen, kann in Betracht gezogen werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Gas-Brennstofferzeugungseinheit, die den gasförmigen Brennstoff aus einer Rohbrennstoff-Versorgung erzeugt und den so erzeugten gasförmigen Brennstoff einer relativ hohne Temperatur zu den Brennstoffzellen speist; und eine Strömungsreguliereinheit, die eine Strömungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen gespeisten gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur reguliert. Die Strömungsreguliereinheit hebt die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur in einer Weise an, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen größer als eine festgelegte bzw. vorbestimmte Standort-Strömungsrate wird.
  • Ein weiteres Verfahren zur Steuerung der Betätigung der Betätigung eines Brennstoffzellensystems könnte in Betracht gezogen werden, welches Brennstoffzellen umfasst, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen, eine Gas-Brennstofferzeugungseinheit, die den gasförmigen Brennstoff aus einer Rohbrennstoff-Versorgung erzeugt und den erzeugten gasförmigen Brennstoff einer relativ hohen Temperatur zu den Brennstoffzellen speist, und eine Strömungsreguliereinheit, die eine Strömungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen gespeisten, gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur reguliert.
  • Das weitere Verfahren umfasst die Schritte:
    • a) Steuern der Gas-Brennstofferzeugungseinheit und der Aktivierung der Brennstoffzellen; und
    • b) Anheben der Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs in einer Weise, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen größer als eine vorbestimmte Standard-Strömungsrate wird.
  • Das obenstehende, weitere Brennstoffzellensystem und das entsprechende obenstehende weitere Verfahren zur Steuerung der Betätigung des Brennstoffzellensystems heben die Strömungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen gespeisten, gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur in einer Weise an, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen größer als eine vorbestimmte Standard-Strömungsrate wird.
  • Der von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit gespeiste, gasförmige Brennstoff weist eine relativ hohe Temperatur auf. Beim obenstehenden weiteren Brennstoffzellensystem und dem entsprechenden obenstehenden weiteren Verfahren zur Steuerung der Betätigung des Brennstoffzellensystems ermöglicht das Erhöhen der Störungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen zur Zeit der Aktivierung des Brennstoffzellen gespeisten, gasförmigen Brennstoffs daher ein Anheben der Innentemperatur der Brennstoffzellen auf das stationäre Niveau in einer kurzen Zeitperiode.
  • Beim Aufbau der Regulierung der Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs in der obenstehenden Art ist es bevorzugt, dass das obenstehende andere Brennstoffzellensystem ferner eine Temperaturerfassungseinheit umfasst, die die Innentemperatur der Brennstoffzellen misst, und dass die Strömungsregulierungseinheit die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs auf die vorbestimmte Standard-Strömungsrage zurückführt, wenn die überwachte Innentemperatur ein voreingestelltes Niveau erreicht.
  • Die Anordnung der Rückführung bzw. Rücksetzung der Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs auf die vorbestimmte Standard-Strömungsrate, wenn die Innentemperatur der Brennstoffzellen das stationäre Niveau erreicht, verhindert eine verlustreiche, unnötige Versorgung der Brennstoffzellen mit dem gasförmigen Brennstoff.
  • Das obenstehende weitere Brennstoffzellensystem kann ferner eine Abgasströmungsleitung umfassen, welche einen Ausstoss des von den Brennstoffzellen abgeführten, gasförmigen Brennstoffs in die Gas-Brennstofferzeugungseinheit einleitet. Die Gas-Brennstofferzeugungseinheit erreicht eine Verbrennung des eingeleiteten Abgases, um einen Teil einer zum Erzeugen des gasförmigen Brennstoffs benötigten, thermischen Energie zu erhalten.
  • Wie obenstehend beschrieben kann die erhöhte Strömungsrate des den Brennstoffzellen zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen eingespeisten gasförmigen Brennstoffs die Menge desjenigen gasförmigen Brennstoffs erhöhen, der nicht zur Energieerzeugung in den Brennstoffzellen beiträgt. Diese Anwendung bewirkt, dass der nicht beitragende Teil des gasförmigen Brennstoffs von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit wirksam als das Abgas bzw. der gasförmige Ausstoss verwendet wird, wodurch die Verschwendung des Abgases verhindert wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein erstes Elektrofahrzeug gerichtet, an dem bzw in dem ein Brennstoffzellensystem montiert ist. Hier ist das Brennstoffzellensystem gemäß des ersten Brennstoffzellensystems aufgebaut.
  • Im ersten Elektrofahrzeug wird ein an einer Antriebswelle des Motors erzeugtes Drehmoment auf eine Achse übertragen, um dem Elektrofahrzeug eine Vorschubkraft zu geben. Die Motorsteuereinheit steuert den Antrieb des Motors derart, dass der Motor veranlasst wird, die von den Brennstoffzellen abgegebene, elektrische Energie zu verbrauchen, ohne an einer Antriebswelle des Motors zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen irgendein Drehmoment zu erzeugen.
  • Ein weiteres Elektrofahrzeug mit einem daran befestigten Brennstoffzellensystem kann in Betracht gezogen werden. Hier umfasst das Brennstoffzellensystem Brennstoffzellen, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen; eine Gas-Brennstofferzeugungseinheit, die dem gasförmigen Brennstoff aus einer Rohbrennstoff-Versorgung erzeugt und den erzeugten, gasförmigen Brennstoff einer relativ hohen Temperatur zu den Brennstoffzellen speist; und eine Strömungsreguliereinheit, die eine Strömungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit zu den Brennstoffzellen gespeisten, gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur reguliert.
  • Beim obenstehenden weiteren Elektrofahrzeug wird ein an einer Antriebswelle eines Motors erzeugtes Drehmoment auf eine Achse übertragen, um dem Elektrofahrzeug eine Vorschubkraft zu geben. Die Strömungsreguliereinheit erhöht die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs der relativ hohen Temperatur in einer Weise, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen größer als eine vorbestimmte Standard-Strömungsrate wird.
  • In das erste Elektrofahrzeug und das weitere Elektrofahrzeug sind jeweils die oben stehend erläuterten Brennstoffzellensysteme eingebaut. Diese Anordnungen ermöglichen es, dass die Innentemperatur der Brennstoffzellen zur Startzeit des Elektrofahrzeugs in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben werden. Das Elektrofahrzeug beginnt daher schnell mit der Fahrt, wobei die Brennstoffzellen im stationären Zustand sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 erläutert den Aufbau eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Durchlaufdiagramm, dass eine Bearbeitungsroutine zur Zeit der Aktivierung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 10 zeigt;
  • 3 zeigt den Motor aus 1 als ein d-q-Achsenmodell; und
  • 4 ist ein Graph, der Spannungs-Strom-Eigenschaften in Bezug auf die Innentemperatur der in 1 gezeigten Brennstoffzellen 40 als ein Parameter anzeigt.
  • Beste Ausführungsarten der Erfindung
  • Eine Art der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird unten stehend als eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. 1 erläutert den Aufbau eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem der Ausführungsform ist an einem Elektrofahrzeug montiert bzw. in ein Elektrofahrzeug eingebaut.
  • Im Folgenden wird der Aufbau und die allgemeine Funktionsweise des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems beschrieben. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 umfasst hauptsächlich einen Methanolspeicher 22, einen Wasserspeicher 26, einen Reformer 30, Brennstoffzellen 40, eine Sekundärbatterie 60, einen Wechselrichter 70, einen Motor 80 sowie eine Steuereinheit 100.
  • Der Methanolspeicher 22 und der Wasserspreicher 26 speichern jeweils Methanol und Wasser. Pumpen 23 und 27 werden im Ansprechen auf von der Steuereinheit 100 ausgegebene Steuersignale reguliert. Die Pumpen 23 und 27 speisen jeweils in dem Methanolspeicher 22 gespeichertes Methanol und in dem Wasserspeicher 26 gespeichertes Wasser über voreingestellte Methanol- und Wasserversorgungsleitungen zum Reformer 30. Ein Durchfluss- bzw. Strömungssensor 25 misst eine Methanol-Durchfluss- bzw. Strömungsrate durch die Methanolversorgungsleitung, wohingegen ein Durchflusssensor 28 eine Wasser-Durchflussrate durch die Wasserversorgungsleitung misst. Beide Durchfluss- bzw. Strömungssensoren 25 und 28 übertragen die Ergebnisse der Messungen zur Steuereinheit 100.
  • Der Reformer 30 erzeugt ein wasserstoffreiches Gas (umgewandeltes Gas), welches Wasserstoff aus der Einspeisung von Wasser und Methanol als ein Rohbrennstoff enthält, mittels einer Dampfumwandlungsreaktion von Methanol, die als Gleichung (1) unten stehend angegeben ist: CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 (1)
  • Genauer gesagt umfasst der Reformer 30 eine Verdampfereinheit und eine Reformereinheit, die beide nicht dargestellt sind. Die Verdampfereinheit verdampft das eingespeiste Wasser und Methanol, erzeugt ein Gasgemisch von Methanol und Wasser und speist die Reformereinheit mit dem Gasgemisch als ein Roh-Brennstoffgas.
  • Die Reformereinheit ist mit einem Methanol umwandelnden Katalysator gefüllt, wie beispielsweise ein Kupfer-Zink-(CuZn)-Katalysator. In der Reformereinheit wird das von der Verdampfereinheit eingespeiste Roh-Brennstoffgas dem Methanol umwandelnden Katalysator ausgesetzt, wobei die Dampfumwandlungsreaktion des Methanols auf der Oberfläche des Katalysators abläuft. Mit dem Fortschreiten dieser Reaktion werden Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt, um so ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen.
  • Die im Reformer ablaufende Dampfumwandlungsreaktion des Methanols ist insgesamt endotherm. Ein Brenner 32 ist im Reformer 30 angeordnet, um für die Reaktion benötigte Wärme zuzuführen. Der Brenner 32 erhält im Wesentlichen eine Methanolversorgung bzw. -speisung aus dem Methanolspeicher 22 über eine Pumpe 24 und erzielt eine Verbrennung des eingespeisten Methanols als Brennstoff, um so eine thermische Energie zu erzeugen, die für die Reformereinheit benötigt wird. Der Brenner 32 erzeugt auch eine für die Verdampfereinheit zum Verdampfen von Methanol und Wasser benötigte thermische Energie.
  • Die Pumpe 34 wird im Ansprechen auf ein von der Steuereinheit 100 ausgegebenes Steuersignal reguliert und speist das durch den Reformer 30 erzeugte, wasserstoffreiche Gas über eine Versorungsleitung für das wasserstoffreiche Gas zu den Brennstoffzellen 40. Ein Durchflusssensor 36 misst eine Durchflussrate des wasserstoffreichen Gases durch die Versorgungsleitung für das wasserstoffreiche Gas und überträgt die Ergebnisse der Messung an die Steuereinheit 100.
  • Die Brennstoffzellen 40 erhalten die Versorgung von aus dem Reformer 30 als gasförmigen Brennstoff eingespeisten, wasserstoffreichen Gas sowie eine Versorgung mit Sauerstoff enthaltendem Oxidier-Gas (nicht gezeigt) und erzeugen über durch unten stehend angegebene Gleichungen (2 bis 4) ausgedrückte, elektrochemische Reaktionen eine elektrische Energie: H2 → 2H+ + 2e– (2) 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (3) H2 + (1/2)O2 → H2O (4)
  • In dieser Ausführungsform sind die Brennstoffzellen 40 Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und haben einen Stapelaufbau, der dadurch erzielt wird, dass eine Mehrzahl von Einheitszellen (nicht gezeigt) eine über die andere gelegt wird. Jede Einheitszelle umfasst ein Elektrolytmembran, eine Anode, eine Katode und einen Separator. Die Versorgung mit wasserstoffreichem Gas wird zur Anode jeder Einheitszelle über eine Gas-Brennstoffleitung (nicht gezeigt) gespeist, um der durch Gleichung (2) ausgedrückten Reaktion unterzogen zu werden. Die Versorgung mit Oxidier-Gas wird andererseits über eine Oxidier-Gas-Durchflussleitung (nicht gezeigt) zur Katode gespeist, um der durch Gleichung (3) ausgedrückten Reaktion unterzogen zu werden. Gleichung (4) stellt die insgesamt in den Brennstoffzellen ablaufende Reaktion dar.
  • Die Brennstoffzellen 40 speisen die durch diese elektrochemische Reaktionen erzeugte elektrische Energie über den Wechselrichter 70 zum Motor 80.
  • Ein Temperatursensor 42 misst die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 und überträgt die Ergebnisse der Messung zur Steuereinheit 100.
  • Eine Gasbrennstoff-Abgas-Durchflussleitung 120 leitet einen Gasbrennstoffausstoß (wasserstoffreichen Gasausstoß) nach der elektrochemischen Reaktion an den Anoden in den Brennstoffzellen 40 über eine Pumpe 122 zum Brenner 32 im Reformer 30.
  • Dioden 52 und 54 sind zwischen den Brennstoffzellen 40 und der Sekundärbatterie 60 angeordnet, um dafür zu sorgen, dass der elektrische Strom nur in eine Richtung zwischen den Brennstoffzellen 40 und dem Wechselrichter 70 oder der Sekundärbatterie 60 fließt.
  • Die Sekundärbatterie 60 ist mit den oben stehend beschriebenen Brennstoffzellen 40 parallel geschaltet und versorgt wie die Brennstoffzellen 40 den Motor 80 über den Invertor 70 mit der elektrischen Energie. In dieser Ausführungsform wird eine Bleisäurebatterie als die Sekundärbatterie 60 eingesetzt. Es gibt eine Vielfalt von anderen anwendbaren Sekundärbatterien, wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithium-Sekundär-Batterie. Die Sekundärbatterie 60 weist eine Energiequellenkapazität auf, welche von einem erwarteten Fahrzustand des Elektrofahrzeugs abhängt, d. h. von einer erwarteten Ladungsgröße, wobei eine Energiequellenkapazität der Brennstoffzellen 40 in Parallelschaltung angeordnet ist.
  • Ein SOC- bzw. Ladezustandssensor 62 misst einen Ladezustand der Sekundärbatterie 60 und überträgt die Ergebnisse der Messungen zur Steuereinheit 100. In einem konkreten Beispiel umfasst der SOC-Sensor 62 ein SOC-Messgerät, das die Produkte der Lade- und Entladewerte der Sekundärbatterie 60 mit elektrischem Strom und der Zeit aufkumuliert. Die Steuereinheit 100 berechnet den Ladezustand der Sekundärbatterie 60 basierend auf dem auf kumulierten Wert. Der SOC-Sensor 62 kann einen Spannungssensor umfassen, der die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 60 misst oder einen Sensor für die spezifische Dichte, der die spezifische Dichte einer Elektrolytlösung in der Sekundärbatterie 60 misst anstatt des SOC-Messers. In solchen Fällen berechnet die Steuereinheit 100 den Ladezustand der Sekundärbatterie 60 aus den zugeordneten, beobachteten Werten.
  • Ein Sekundär-Verbindungsschalter 64 verbindet und trennt die Sekundärbatterie 60 mit und von dem Wechselrichter 70 im Ansprechen auf ein von der Steuereinheit 100 ausgegebenes Steuersignal.
  • Der Wechselrichter 70 wandelt eine durch die Brennstoffzellen 40 oder die Sekundärbatterie 60 angelegte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung um und speist den Motor 80 mit der umgewandelten, dreiphasigen Wechselspannung. Der Wechselrichter 70 reguliert die Amplitude (tatsächlich die Pulsweite) und die Frequenz der dreiphasigen Wechselspannung, mit der der Motor 80 im Ansprechen auf ein von der Steuereinheit 100 ausgegebenes Steuersignal gespeist wird, so dass das durch den Motor 80 erzeugte Drehmoment eingestellt wird.
  • Genauer gesagt hat der Wechselrichter 70 sechs Schaltelemente (beispielsweise bipolare MOSFETs(IGBT)) als Hauptschaltungselemente. Die Schaltbetätigungen dieser Schaltelemente werden im Ansprechen auf ein von der Steuereinheit 100 ausgegebenes Steuersignal reguliert, um eine durch die Brennstoffzellen 40 oder die Sekundärbatterie 60 angelegte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung mit einer gewünschten Amplitude und einer gewünschten Frequenz zu konvertieren, wobei der Motor 80 mit der konvertierten bzw. umgewandelten dreiphasigen Wechselspannung versorgt wird.
  • Ein Stromsensor 72 misst einen Wert des elektrischen Stroms, der aus den Brennstoffzellen 40 oder der Sekundärbatterie 60 zum Wechselrichter 70 fließt. Stromsensoren 74, 76 sowie 78 messen jeweils Werte des elektrischen Stroms, der durch eine U-Phase, eine V-Phase, sowie eine W-Phase fließt. Diese Stromsensoren übermitteln die Ergebnisse der Messungen zur Steuereinheit 100.
  • Der Motor 80 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Synchronmotor und wird mit der von den Brennstoffzellen 40 oder der Sekundärbatterie 60 über den Wechselrichter 70 gelieferten elektrischen Leistung angetrieben, um ein Drehmoment an einer Antriebswelle 82 zu erzeugen. Das erzeugte Drehmoment wird über ein Getriebe 92 auf eine Achse 90 übertragen, um den Rädern 94 eine Dreh-Antriebskraft zu geben. Infolgedessen erlangt das Elektrofahrzeug die Vorschubkraft, um zu fahren.
  • Ein Drehwinkelsensor 84 misst einen Drehwinkel der Antriebswelle 82 des Motors 80 und übermittelt die Ergebnisse dieser Messung an die Steuereinheit 100.
  • Ein Beschleunigungspedal-Positionssensor 112 misst einen Durchtretungsbetrag eines Beschleunigungs- bzw. Gaspedals 110 und überträgt die Ergebnisse der Messung an die Steuereinheit 100.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst die Steuereinheit 100 eine Steuerung 110 und einen Eingabe-Ausgabe-Anschluss 108. Die Steuerung 110 umfasst eine CPU 102, ein ROM 104 und ein RAM 106. Die CPU 102 führt entsprechend Steuerprogrammen benötigte Arbeitsgänge aus, um Bearbeitungs- und Steuerabläufe umzusetzen. Das ROM 104 ist ein Speicher, in dem die zur Ausführung der Arbeitsgänge verwendeten Steuerprogramme und Steuerdaten im voraus gespeichert werden. Das RAM 106 ist ein Speicher, in dem eine Vielzahl von durch Ausführung der Arbeitsgänge erhaltenen Daten zeitweise gespeichert werden. Der Eingabe-Ausgabe-Anschluss 108 übermittelt die eingegebenen Ergebnisse der Messungen, welche von den verschiedenen Sensoren an die Steuerung 101 übertragen werden und gibt entsprechend den Anweisungen der Steuerung 101 eine Vielzahl von Steuersignalen an die entsprechenden Komponenten aus.
  • Mit Bezugnahme auf 2 werden im Folgenden die Einzelheiten einer zur Startzeit des Elektrofahrzeug ausgeführten Bearbeitungsroutine beschrieben, d. h. zur Zeit der Betätigung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 10.
  • Wenn das Elektrofahrzeug startet, läuft das Programm in die in 2 gezeigte Betätigungsroutine. Zunächst treibt die Steuereinheit 100 den Reformer 30 an (Schritt S20). Gemäß einer konkreten Prozedur treibt die Steuereinheit 100 die Pumpen 23 und 27 an, um die Methanol- und Wasserversorgung des Reformers 30 zu starten, und die Pumpe 24, um die Verbrennung im Brenner 32 zu starten. Die vorhergehend diskutierte Dampfumwandlungsreaktion des Methanols tritt dann im Reformer 30 auf, um die Erzeugung des wasserstoffreichen Gases zu starten.
  • Die Steuereinheit 100 aktiviert dann die Brennstoffzellen 40 (Schritt S22). Gemäß einer konkreten Prozedur treibt die Steuereinheit 100 die Pumpe 34 an, um die Versorgung der Brennstoffzellen 40 mit dem durch den Reformer 30 erzeugten, wasserstoffreichen Gas zu starten, und startet die Oxidiergas-Versorgung der Brennstoffzellen 40 über den nicht dargestellten Mechanismus. Die vorhergehend diskutierten, elektrochemischen Reaktionen laufen anschließend in den Brennstoffzellen 40 ab, sodass das Erzeugen von elektrischer Energie gestartet wird.
  • Die Steuereinheit 100 erhält danach das Ergebnis der Messung des Temperatursensors 42, um die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 zu spezifizieren (Schritt S24), und bestimmt, ob die beobachtete Innentemperatur das stationäre Niveau erreicht oder nicht, d. h. die voreingestellte Temperatur, die es den Brennstoffzellen ermöglicht, eine benötigte Ausgangsleistung zu erzeugen (Schritt S26). Zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen 40 haben die Brennstoffzellen 40 im allgemeinen eine niedrige Innentemperatur, welche das stationäre Niveau noch nicht erreicht hat. Die Steuereinheit 100 fährt dementsprechend mit der Abarbeitung von Schritt S28 fort.
  • Die Steuereinheit 100 treibt den Sekundärbatterie-Verbindungsschalter 64 an, um die Sekundärbatterie 60 vom Wechselrichter 70 zu trennen (Schritt S28). Dieser Arbeitsgang schneidet die Speisung des Motors 80 mit elektrischer Energie aus der Sekundärbatterie 60 ab und lässt nur die Speisung des Motors 80 mit der durch die Brennstoffzellen 40 erzeugten elektrischen Energie über den Wechselrichter 70 zu.
  • Die Steuereinheit 100 steuert anschließend 80 über den Wechelrichter 70 den Motor, um eine untenstehend erläuterte Motor-Betätigungszeit-Steuerung auszuführen (Schritt S30).
  • Gemäß einer konkreten Prozedur steuert die Steuereinheit 100 den Antrieb des Motors 80, um zu bewirken, dass der Motor 80 die von den Brennstoffzellen 40 zugeführte elektrische Energie verbraucht, während der Wechselrichter 70 so gesteuert wird, dass kein Drehmoment an der Antriebswelle 82 des Motors 80 erzeugt wird.
  • 3 zeigt den Motor der 1 als ein d-q-Achsenmodell. Wie vorhergehend erwähnt ist der Motor 80 ein Dreiphasen-Synchronmotor. Im Allgemeinen wird der Motor – wie in 3 gezeigt -äquivalent durch das d-q-Achsenmodell ausgedrückt. Die durch die Mitte des Motors verlaufende und sich entlang des durch einen Rotor 202 erzeugten Magnetfelds erstreckende Achse wird im Allgemeinen als die d-Achse bezeichnet, wohingegen die senkrecht zur d-Achse in einer gedrehten Oberfläche des Rotors 202 liegende Achse im Allgemeinen als die q-Achse bezeichnet wird. D. h. in dem beispielhaften Modell der 3, dass die Statorwicklung entlang der d-Achse eine d-Achsenwicklung 204 genannt wird, wohingegen die Statorwicklung entlang der q-Achse eine q-Achsenwicklung 206 genannt wird.
  • Wie aus 3 deutlich wird, wird ein Drehmoment T des Motors nur durch einen durch die q-Achsenwicklung 206 fließenden, elektrischen q-Achsenstrom iq maßgeblich bestimmt.
  • Das Drehmoment T des Motors ist durch den elektrischen q-Achsen-Strom iq entsprechend der unten stehend angegebenen Gleichung (5) festgelegt:
    Figure 00210001
    worin ϕ0 die Größe des magnetischen Flusses des Felds des Motors und KT die Drehmomentenkonstante bezeichnet.
  • Diese Gleichung zeigt, dass der elektrische q-Achsen-Strom iq gleich Null gesetzt werden sollte, um zu verhindern, dass der Motor ein Drehmoment erzeugt.
  • Die d-Achsenwindung 204 ist an derjenigen spezifischen Position angeordnet, an der der magnetische Fluss vom Rotor gleich Null ist, so dass ein elektrischer d-Achsen-Strom id keinen Beitrag zur Drehmomenterzeugung des Motors leistet, sondern einen ohmschen Verlust in der q-Achsenwindung 206 hervorruft.
  • Das heißt, dass das Einsetzen eines Werts größer Null für den elektrischen d-Achsen-Strom id einen Verbrauch der elektrischen Leistung sicher stellt, ohne dass der Motor zum Erzeugen irgendeines Drehmoments angeregt wird.
  • In dieser Ausführungsform führt die Steuereinheit 100 über den Wechselrichter 70 – wie oben stehend beschrieben – die Motor-Betätigungszeit-Steuerung aus und stellt den elektrischen q-Achsen-Strom Iq des Motors 80 auf Null ein, um zu verhindern, dass irgendein Drehmoment an der Antriebswelle 82 des Motors 80 erzeugt wird. Gleichzeitig stellt die Steuereinheit 100 den elektrischen d-Achsen-Strom id auf größer Null ein, um zu bewirken, dass der Motor 80 die elektrische Leistung durch den ohmschen Verlust in der q-Achsenwindung 206 zwangsweise verbraucht.
  • Als Ergebnis dieses Steuervorgangs verbraucht der Motor 80 die elektrische Leistung der Brennstoffzellen 40, wobei die elektrische Leistung zwangsweise aus den Brennstoffzellen 40 abgezogen wird. Die zwangsweise Abgabe der elektrischen Leistung verbessert die Menge der elektrochemischen Reaktionen, die in den Brennstoffzellen 40 zwecks Kompensation ablaufen. Dadurch wird die in den Brennstoffzellen 40 erzeugte Joule-Wärme erhöht und die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 plötzlich angehoben. Die Innentemperatur der Brennstoffzellen wird infolge dessen in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau angehoben.
  • An der Antriebswelle 82 des Motors 80 wird kein Drehmoment erzeugt. Solange die Ausgabe der Brennstoffzellen 40 nicht ausreicht, um der benötigten Ausgabe des Elektrofahrzeugs zu entsprechen, wird der Motor 80 nicht dazu angetrieben, die Achse 90 zu drehen und das Elektrofahrzeug anzutreiben.
  • Wie oben stehend erwähnt, ist die Stromspeisung des Motors 80 von der Sekundärbatterie 60 abgeschnitten, so dass der Motor 80 nur die durch die Brennstoffzellen 40 erzeugte elektrische Leistung verbraucht. Diese Anordnung ermöglicht es, dass die elektrische Leistung mit einem hohen Nutzungsgrad aus den Brennstoffzellen abgezogen wird.
  • In dieser Ausführungsform legt die Steuereinheit 100 die elektrische Leistung fest, die durch den Motor 80 entsprechend der durch den Temperatursensor 42 gemessenen Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 zu verbrauchen ist, und stellt den elektrischen d-Achsen-Strom id auf einen Wert größer Null ein, welcher der festgelegten elektrischen Leistung entspricht.
  • 4 ist ein Graph, der Spannungs-Strom-Kennlinien bzw. -Charakteristiken bezogen auf die Innentemperatur der in 1 gezeigten Brennstoffzellen 40 als Parameter anzeigt. Im Graph der 4 steigt die Innentemperatur mit der Reihenfolge ta, tb, tc (ta < tb < tc) an.
  • Wie in 4 gezeigt hängt die durch die Brennstoffzellen 40 erzeugbare elektrische Leistung (d. h. Spannung × elektrischer Strom) von der Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 ab. Unter der Bedingung der niedrigen Temperatur (im Fall von ta), haben die Brennstoffzellen 40 nur die kleine erzeugbare elektrische Leistung. Die Menge der erzeugbaren elektrischen Leistung steigt mit einem Ansteigen der Innentemperatur (ta → tb → tc).
  • Unter der Bedingung der niedrigen Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 (beispielsweise im Fall von ta), kann ein für die aus den Brennstoffzellen 40 abgezogene elektrische Leistung (d. h. die durch den Motor 80 verbrauchte elektrische Leistung) gesetzter, übermäßig großer Wert die durch die Brennstoffzellen 40 erzeugbare elektrische Leistung überschreiten, wodurch ein plötzliches Absinken der Ausgangsspannung der Brennstoffzellen 40 hervorgerufen wird.
  • In einem weiteren Beispiel ist die aus den Brennstoffzellen abgezogene elektrische Leistung auf einen bestimmten Wert festgesetzt, der der niedrigen Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 entspricht (beispielsweise ist der bestimmte Wert gleich einer elektrischen Leistung, die kleiner als die unter der Bedingung der niedrigen Innentemperatur erzeugbare elektrische Leistung ist), und zwar unabhängig von einer nachfolgenden Variierung der Innentemperatur. In diesem Fall wird, auch wenn die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 ansteigt, um die erzeugbare elektrische Leistung zu erhöhen, nur die festgesetzte elektrische Leistung aus den Brennstoffzellen 40 abgezogen, welche weit niedriger als das erhöhte, erzeugbare Niveau sein kann. Dies verschlechtert den Anhebungs-Nutzungsgrad der Innentemperatur.
  • Die Technik dieser Ausführungsform reguliert die durch den Motor 80 gemäß der Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 verbrauchte elektrische Leistung so, dass bewirkt wird, dass die aus den Brennstoffzellen 40 abgezogene elektrische Leistung die erzeugbare elektrische Leistung bei jeder Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 nicht überschreitet aber ihr so nah wie möglich kommt. Im Fall der niedrigen Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 wird der Wert des elektrischen d-Achsen-Stroms id so reguliert, dass die durch den Motor 80 verbrauchte elektrische Leistung ein bißchen kleiner als die erzeugbare elektrische Leistung ist. Mit einem Anstieg der Innentemperatur wird der Wert des elektrischen d-Achsen-Stroms id angehoben, um schrittweise die durch den Motor 80 verbrauchte elektrische Leistung zu steigern.
  • Die Steuereinheit 100 greift auf die Ergebnisse der Messungen zurück, die vom Temperatursensor 42 und dem Stromsensor 72, den Stromsensoren 74 bis 78, sowie dem Drehwinkelsensor 84 übermittelt werden, und führt die Motor-Betätigungszeit-Steuerung aus.
  • Die Steuereinheit 100 führt anschließend eine Gasströmungsraten-Betätigungszeit-Regulation aus, wie untenstehend mit Bezug auf die Pumpen 34 und 122 und den weiteren zugehörigen Elementen (Schritt S32) erläutert wird.
  • Gemäß einer konkreten Prozedur regelt die Steuereinheit 100 den Antrieb der Pumpe 34, um die Strömungsrate des vom Reformer 30 den Brennstoffzellen 40 zugeführten wasserstoffreichen Gases anzuheben, so dass sie größer als eine weiter unten erläuterte Standard-Strömungsrate ist.
  • Im allgemeinen ist die Menge des wasserstoffreichen Gases, das für die elektrochemischen Reaktionen zu den Brennstoffzellen gespeist wird, theoretisch gemäß der benötigten Abgabe der Brennstoffzellen vorbestimmt. Im Ist-Zustand ist es jedoch nötig, eine etwas größere Menge des wasserstoffreichen Gases als die theoretisch vorbestimmte Menge zuzuführen, um eine benötigte Abgabe der Brennstoffzellen sicherzustellen.
  • Die Technik der vorliegenden Erfindung setzt die Ist-Strömungsrate des wasserstoffreichen Gases, welches den Brennstoffzellen zuzuführen ist, um eine gewünschte Abgabe der Brennstoffzellen sicherzustellen, auf eine Standard-Strömungsrate bei der gewünschten Abgabe. Die Standard Strömungsrate wird bei jeder Abgabe der Brennstoffzellen gemäß des Aufbaus und der Leistung jedes einzelnen Brennstoffzellensatzes gesetzt.
  • Ein Ansteigen der Menge des durch den Reformer 30 erzeugten, wasserstoffreichen Gases wird benötigt, um die Strömungsrate des wasserstoffreichen Gases anzuheben. Die Steuereinheit 100 steuert dementsprechend den Antrieb der Pumpen 23 und 27, um die Strömungsrate des vom Methanolspeicher 22 zum Reformer 30 gefördereten Methanols und die Strömungsrate des vom Wasserspeicher 26 zum Reformer 30 geförderten Wassers mit einer benötigten Erhöhung der Strömungsrate des wasserstoffreichen Gases.
  • Wie schon weiter vorne beschrieben erzeugt der Brenner 32 die thermische Energie im Reformer 30, so dass die Abgabe an wasserstoffreichem Gas aus dem Reformer 30 eine relativ hohe Temperatur aufweist. Ein Anheben der Durchflussrate des vom Reformer 30 den Brennstoffzellen 40 zugeführten, wasserstoffreichen Gases bewirkt, dass eine große Menge des wasserstoffreichen Gases mit einer relativ hohen Temperatur in die Brennstoffzellen 40 strömt. Diese Strömung trägt auch dazu bei, die Innentemperatur der Brennstoffzellen in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau anzuheben.
  • Ein Anheben der Strömungsrate des vom Reformer 30 den Brennstoffzellen 40 zugeführten, wasserstoffreichen Gases hebt auch die Menge des Gas-Brennstoff-Ausstosses an, d. h. den Ausstoss an aus den Brennstoffzellen 40 abgeführtem, wasserstoffreichen Gas. Wenn die Strömungsrate des den Brennstoffzellen 40 zugeführten, wasserstoffreichen Gases größer als die Standard-Stimmungsrate wird, wird die Menge an Wasserstoff in den Brennstoffzellen 40 übermäßig. Die Menge an nicht in die elektrochemischen Reaktionen einbezogenem Wasserstoff steigt dementsprechend. Dies steigert die Menge an im aus den Brennstoffzellen 40 abgeführten Gas-Brennstoff-Ausstoss verbleibenden Wasserstoffs. Ein Auscheiden des Gas-Brennstoff-Ausstosses führt zur Verschwendung von wertvollen Resourcen.
  • In dieser Ausführungsform steuert die Steuereinheit 100 zusätzlich zur obenstehenden Steuerung den Antrieb der Pumpe 122, um den aus den Brennstoffzellen 40 abgeführten Gas-Brennstoff-Ausstoss dem Brenner 32 im Reformer 30 über die Gas-Brennstoff-Ausstoss-Strömungsleitung 120 zuzuführen.
  • Dies ermöglicht es, dass im Gas-Brennstoff-Ausstoss verbleibender Wasserstoff einer Verbrennung als Brennstoff im Brenner 32 unterzogen wird, wodurch die wirksame Verwendung von Wasserstoff sichergestellt und der verlustreiche Verbrauch der wertvollen Resource verhindert wird.
  • Die Steuereinheit 100 kehrt zum Vorgang des Schritts S24 zurück und spezifiziert die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 basierend auf dem Ergebnis der vom Temperatursensor 42 übermittelten Messung. Die obenstehende Serie von Vorgängen wird wiederholt, bis die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 das stationäre Niveau erreicht.
  • Wenn die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 schießlich das stationäre Niveau erreicht, läuft die Steuereinheit 100 aus der obenstehenden Serie der Bearbeitungsschleife heraus und weiter zum Vorgang bzw. zur Bearbeitung von Schritt S34.
  • An Schritt S34 treibt die Steuereinheit 100 den Sekundärbatterie-Verbindungsschalter 64 an, um die Sekundärbatterie 60 mit dem Wechselrichter 70 zu verbinden. Diese Verbindung ermöglicht es, dass die von der Sekundärbatterie 60 abgegebene elektrische Leistung sowie die durch die Brennstoffzellen 40 erzeugte elektrische Leistung den Motor 80 über den Wechselrichter 70 zugeführt wird.
  • Die Steuereinheit 100 steuert anschließend über den Wechselrichter 70 den Motor 80, um anstatt der vorher diskutierten (Schritt S36) Motor-Betätigungszeit-Steuerung eine Standard-Motorsteuerung auszuführen. Entsprechend einer konkreten Prozedur berechnet die Steuereinheit 100 eine benötigte Abgabe, beispielsweise aus dem Ergebnis der vom Gaspedal-Positionssensor 112 übermittelten Messung, und führt die von den Brennstoffzellen 40 und von der Sekundärbatterie 60 abgegebene elektrische Leistung über den Wechselrichter 70 dem Motor 80 zu, um ein benötigtes Drehmoment an der Antriebswelle 82 zu erzeugen. Das auf diese Weise erzeugte Drehmoment wird auf die Achse 90 übertragen um das Elektrofahrzeug anzutreiben.
  • Die Steuereinheit 100 greift auf die Ergebnisse der vom Gaspedal-Positionssensor 112 und dem Stromsensor 72, den Stromsensoren 74 bis 78, dem Drehwinkelsensor 84 und dem SOC Sensor 62 übermittelten Messungen zurück und steuert an Antrieb des Motors 80.
  • Wenn die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 eimal das stationäre Niveau erreicht, können die Brennstoffzellen 40 eine genügende Ausgabe erzeugen, um die benötigte Ausgabe bzw. Ausgangsleistung des Elektrofahrzeugs zu erfüllen. Dementsprechend entstehen durch das Überwechseln der Antriebssteuerung des Motors auf die Standard-Steuerung zum stationären Zeitpunkt keine Probleme. Ferner entstehen keine Probleme durch den Anschluss der Sekundärbatterie 60, um die Seisung des Motors 80 mit elektrischer Leistung aus der Sekundärbatterie 60 zuzulassen.
  • Die Steuereinheit 100 führt anschließend eine Gasströmungsraten-Betätigungszeit-Regulation bezüglich der Pumpen 34 und den weiteren zugeordneten Elementen aus (Schritt S38). Entsprechend einer konkreten Prozedur steuert die Steuereinheit 100 den Antrieb der Pumpe 34, um die Strömungsrate des vom Reformer 30 den Brennstoffzellen 40 zugeführten, wasserstoffreichen Gases auf die obenstehend erläuterte Standard-Strömungsrate zurückzuführen, und den Antrieb der Pumpen 23 und 27, um die Strömungsraten von dem Reformer 30 zugeführten Methanol und Wasser entsprechend der Strömungsrate des wasserstoffreichen Gases zu regulieren.
  • Nachdem die Antriebssteuerung des Motors 80 und die Strömungsraten-Regulation des wasserstoffreichen Gases auf die Standard-Steuerung und Regulation am stationären Zeitpunkt zurückgeführt sind, verlässt das Programm die Serie der obenstehend erläuterten Betätigungsvorgänge.
  • Wie obenstehend beschrieben bewirkt die Technik dieser Ausführungsform, dass die elektrische Leistung zur Zeit der Aktivierung der Brenntoffzellen 40 zwangsweise aus den Brennstoffzellen 40 abgezogen wird, um die in den Brennstoffzellen 40 erzeugte Joule-Wärme zu erhöhen, und dadurch die Innentemperatur der Brennstoffzellen 40 in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau anzuheben. In diesem Moment wird kein Drehmoment an der Antriebswelle 82 des Motors 80 erzeugt. Solange die Abgabe der Brennstoffzellen 40 nicht ausreicht, um der vom Elektrofahrzeug benötigten Abgabe zu genügen, fängt das Elektrofahrzeug nicht zu fahren an.
  • Zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen 40 bewirkt das Anheben der Strömungsrate des vom Reformer 30 den Brennstoffzellen 40 zugeführten, wasserstoffreichen Gases, dass eine große Menge des wasserstoffreichen Gases mit einer relativ hohen Temperatur in die Brennstoffzellen 40 strömt. Diese Strömung trägt auch dazu bei, die Innentemperatur der Brennstoffzellen in einer kurzen Zeitperiode auf das stationäre Niveau zu anzuheben.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obenstehenden Ausführungsformen oder ihre Abwandlungen beschränkt; es sind vielmehr viele weitere Abwandlungen, Veränderungen und Abänderungen denkbar, ohne den Rahmen der hauptsächlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Prozedur der obenstehend erläuterten Ausführungsform führt sowohl die Motor-Betätigungszeit-Steuerung (Schritt S30) als auch die Gasströmungsraten-Betätigungszeit-Regulation (Schritt S32) zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen 40 aus. Alternativ dazu kann entweder nur die Steuerung oder die Regulation entsprechend den Anforderungen ausgführt werden.
  • Bei der Prozedur der Ausführungsform wird die Sekundärbatterie 60 zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen 40 vom Wechselrichter 70 getrennt. In dem Fall, in dem es wünschenswert ist, die elektrische Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 60 zu verbrauchen, kann die Trennung weggelassen werden.
  • In der obenstehend erläuterten Ausführungsform verbraucht der mit der Achse 90 verbundene Motor 80 des Elektrofahrzeugs die elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzellen 40 zur Zeit der Aktivierung der Brenntoffzellen 40. Die Technik der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Motor beschränkt, sondern auf jeden anderen in das Elektrofahrzeug zu jedem anderen Zweck montierten Motor anwendbar.
  • Der Reformer 30 verwendet Methanol als Roh-Brennstoff zum Erzeugen des wassrstoffreichen Gas. Es kann ein anderer Kohlenwasserstoff als Methanol, beispielsweise Methan oder Benzin, als Rohbrennstoff verwendet und zum Erzeugen des wasserstoffreichen Gases umgewandelt werden. Die im Reformer 30 stattfindende Umwandlungsreaktion kann eine teilweise Oxidationsumwandlungs-Reaktion anstatt oder zustäzlich zur Dampfumwandlungs-Reaktion sein. Der obenstehend erläuterte Aufbau des Umwandelns des Rohbrennstoffs und Erzeugens des gasförmigen Brennstoffs kann durch den Aufbau mit einer Wasserstoffspeichereinheit ersetzt werden, die gasförmigen Wasserstoff als gasförmigen Brennstoff verwendet.
  • Die Brennstoffzellen 40 sind nicht auf die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen beschränkt, sondern können jeder andere Typ von Brennstoffzellen sein, wie beispielsweise Phosphat-Brennstoffzellen und Festkörper-Elektrolyt-Brennstoffzellen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die Technik der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Elektrofahrzeuge mit darin montierten Brennstoffzellensystemen beschränkt, sondern ist bei jedem anderen Verkehrsmittel mit dem darin montierten Brennstoffzellensystem gewerblich anwendbar, beispielsweise Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen, sowie bei jeder kommerziellen Hauselektrikausstattung, bei der das Brennstoffzellensystem eingesetzt wird.

Claims (9)

  1. In ein Elektrofahrzeug montierbares Brennstoffzellensystem, welches Brennstoffzellen (40) aufweist, die eine Versorgung mit gasförmigem Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen, mit: einem Motor (80), welcher mit der von den Brennstoffzellen (40) abgegebenen elektrischen Energie angetrieben wird; und einer Motorsteuereinheit (100), welche den Antrieb des Motors (80) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinheit (100) den Antrieb des Motors (80) derart steuert, dass der Motor (80) veranlasst wird, die von den Brennstoffzellen (40) abgegebene elektrische Energie zu verbrauchen, ohne an einer Antriebswelle (82) des Motors (80) zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen (40) irgendein Drehmoment zu erzeugen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, mit: einer Temperaturerfassungseinheit (42), welche die Innentemperatur der Brennstoffzellen (40) misst, wobei die Motorsteuereinheit (100) den Antrieb des Motors (80) in der Weise steuert, dass die vom Motor (80) verbrauchte elektrische Energie entsprechend der erfassten Innentemperatur variiert.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, mit: einer Sekundärbatterie (60), welche in der Lage ist, den Motor (80) mit elektrischer Energie zu versorgen, um den Motor (80) anzutreiben; und einer Batterie-Versorgungs-Reguliereinheit (100), welche eine Versorgung des Motors (80) mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie (60) reguliert, wobei die Batterie-Versorgungs-Reguliereinheit (100) die Versorgung des Motors mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie (80) zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen (40) abschneidet.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Motorsteuereinheit den Antrieb des Motors, welcher als d-q Achsenmodell ausgedrückt ist, derart steuert, dass ein Wert des durch eine q- Achsenwindung (206) fließenden elektrischen Stroms im Wesentlichen zu Null wird und ein Wert eines durch eine d-Achsenwindung (204) fließenden elektrischen Stroms gleich einem vorbestimmten Wert von nicht kleiner als Null wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, mit: einer Temperaturerfassungseinheit (42), welche eine Innentemperatur der Brennstoffzellen (40) misst, wobei die Motorsteuereinheit den Antrieb des Motors derart steuert, dass der Wert des durch die d-Achsenwindung (204) fließenden elektrischen Stroms entsprechend der beobachteten Innentemperatur variiert.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit: einer Gas-Brennstofferzeugungseinheit (30), welche den gasförmigen Brennstoff aus einer Rohbrennstoff-Versorgung erzeugt und den so erzeugten gasförmigen Brennstoff zu den Brennstoffzellen (40) speist; und einer Strömungsreguliereinheit (100), welche eine Strömungsrate des von der Gas-Brennstofferzeugungseinheit (30) zu den Brennstoffzellen (40) gespeisten gasförmigen Brennstoffs reguliert, wobei die Strömungsreguliereinheit (100) die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs in der Weise anhebt, dass sie zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen größer als eine vorbestimmte Standard-Strömungsrate wird.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, mit: einer Temperaturerfassungseinheit (42) zur Messung der Innentemperatur der Brennstoffzellen (40), wobei die Strömungsreguliereinheit (100) die Strömungsrate des gasförmigen Brennstoffs auf die vorbestimmte Standard-Strömungsrate zurücksetzt, wenn die beobachtete Innentemperatur ein voreingestelltes Niveau erreicht.
  8. Elektrofahrzeug mit einem darin montierten Brennstoffzellensystem, welches entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, wobei das an der Antriebswelle (82) des Motors (80) erzeugte Drehmoment auf eine Achse übertragen wird, um dem Elektrofahrzeug eine Vorschubkraft zu geben.
  9. Verfahren zur Steuerung der Betätigung eines Brennstoffzellensystems, welches Brennstoffzellen (40), die eine Versorgung mit gasförmigen Brennstoff erhalten und elektrische Energie erzeugen, und einen Motor (80) aufweist, welcher mit der abgegebenen elektrischen Energie von den Brennstoffzellen (40) angetrieben ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Steuerung der Aktivierung der Brennstoffzellen (40); und (b) Steuerung des Antriebs des Motors (80), um den Motor (80) zu veranlassen, die von den Brennstoffzellen (40) abgegebene elektrische Energie zu verbrauchen, ohne an der Antriebswelle (82) des Motors (80) zur Zeit der Aktivierung der Brennstoffzellen (40) irgendein Drehmoment zu erzeugen.
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