DE102012207789B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regeln/Steuern des Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regeln/Steuern des Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems (12), wobei das Brennstoffzellensystem (12) umfasst:eine Brennstoffzelle (40), die einen Katalysator aufweist, zum Durchführen von Leistungserzeugung durch Induzieren einer Reaktion von Sauerstoff oder Wasserstoff an dem Katalysator;Gaszufuhrmittel (44, 60, 66) zum Zuführen von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff zu der Brennstoffzelle (40);ein Spannungssteuerungsmittel (22) zum Steuern einer Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle (40);einen Verbraucher (30), der durch von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird; undeine elektronische Steuerungseinheit (24), dafür eingerichtet, das Spannungssteuerungsmittel (22) zu steuern,wobei in einem Normalbetrieb, in dem die Temperatur (Tw) der Brennstoffzelle (40) die vorbestimmte Temperatur (THTw1) überschreitet, in einem ersten Normalmodus die Sollsauerstoffkonzentration (Cotgt) festgesetzt und die Sollspannung (Vfctgt) zum Steuern des Stroms (Ifc) eingestellt wird, und in einem zweiten Normalmodus die Spannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine erste festgesetzte Spannung (V2xZellanzahl) festgesetzt wird während ein Strom (Ifc) der Brennstoffzelle (40) variabel ist, undwobei in einem Aufwärmbetrieb, in dem die Temperatur (Tw) der Brennstoffzelle (40) die vorbestimmte Temperatur (THTw1) oder ein geringerer Wert ist, die Spannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine zweite festgesetzte Spannung (Vlim1×Zellanzahl) festgesetzt wird,wobei die elektronische Steuerungseinheit (24) im zweiten Normalmodus das Spannungssteuerungsmittel (22) zum Festsetzen einer Istspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine vorbestimmte Spannung außerhalb eines ersten Spannungsbereichs (R3) steuert, in dem eine Oxidationsreduktion des Katalysators fortschreitet,wobei die elektronische Steuerungseinheit (24) in einem Zustand, in dem die Istspannung (Vfc) auf diese Weise festgesetzt ist, dafür eingerichtet ist, die Gaszufuhrmittel (44, 60, 66) derart zu steuern, dass eine Konzentration von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff entsprechend von dem Verbraucher (30) benötigter elektrischer Leistung eingestellt wird,wobei, falls die elektronische Steuerungseinheit (24) bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle (40) eine vorbestimmte Temperatur oder weniger ist, die elektronische Steuerungseinheit (24) den Aufwärmmodus durchführt und dabei die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einen Spannungswert innerhalb eines zweiten Spannungsbereichs (R2), welcher ein Reduktionsbereich ist, festsetzt, in welchem eine Degradation kleiner ist als im ersten Spannungsbereich (R3), wobei der zweite Spannungsbereich (R2) unterhalb des ersten Spannungsbereichs (R3) ist, in dem eine Oxidationsreduktion fortschreitet, und eine Menge eines der Brennstoffzelle (40) zugeführten Gases entsprechend einer von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung verändert.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Verbraucher, der durch von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird, ebenso bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln/Steuern des Brennstoffzellensystems.
  • Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • Herkömmlicherweise wurden Techniken zum Aufwärmen einer in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen verwendeten Brennstoffzelle vorgeschlagen (US Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010/0047630 (nachfolgend als „ US 2010/0047630 A1 “ bezeichnet)). In US 2010/0047630 A1 wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (FC) festgelegt, dass sie gleich oder größer als die minimale Antriebsspannung einer Leistungsabgabeleistungsquelle ist (siehe „Zusammenfassung“ darin). Genauer wird basierend auf der Temperatur der FC (S2 der 4 darin) bestimmt, ob ein Aufwärmen erforderlich ist oder nicht. Falls ein Aufwärmen erforderlich ist (S2: JA), wird bestätigt, ob es einen Bedarf an der Motorausgabe besteht oder nicht (S3). Falls es keinen Bedarf an der Motorausgabe gibt (S3: NEIN), wird ein erster Niedrig-Wirkungsgradbetrieb durchgeführt (S4 der 3). In dem ersten Niedrig-Wirkungsgradbetrieb ist die Ausgangsspannung der FC relativ niedrig. Falls es irgendeinen Bedarf an der Motorausgabe gibt (S3: JA), wird ein zweiter Niedrig-Wirkungsgradbetrieb durchgeführt (S5 der 3). In dem zweiten Niedrig-Wirkungsgradbetrieb ist die Ausgangsspannung der FC relativ hoch.
  • Der erste Niedrig-Wirkungsgradbetrieb wird in dem Fall verwendet, in dem es keinen Bedarf an einer Ausgabe von einem Fahrmotor (M3) gibt, und der zweite Niedrig-Wirkungsgradbetrieb wird in dem Fall verwendet, in dem es den Ausgabebedarf von dem Fahrmotor gibt (Absatz [0044] darin). In dem ersten Niedrig-Wirkungsgradbetrieb wird die Ausgangsspannung der FC festgelegt, dass sie niedriger als die minimale Antriebsspannung (Vlim) des Fahrmotors ist (Absatz [0045] darin). In dem zweiten Niedrig-Wirkungsgradbetrieb wird der FC-Strom in Abhängigkeit von der FC-Bedarfsausgabe berechnet und das stöchiometrische Luftverhältnis wird in Abhängigkeit von dem berechneten FC-Strom verändert. Zu diesem Zeitpunkt wird die FC-Ausgangsspannung auf die minimale Antriebsspannung festgesetzt (5, Absatz [0046] darin).
  • Die Dokumente DE 11 2006 003 141 T5 , DE 11 2006 003 289 T5 und DE 11 2008 002 094 T5 zeigen ein Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, die einen Katalysator aufweist, zum Durchführen von Leistungserzeugung durch Induzieren einer Reaktion von Sauerstoff oder Wasserstoff an dem Katalysator; ein Gaszufuhrmittel zum Zuführen von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff zu der Brennstoffzelle; ein Spannungssteuerungsmittel zum Steuern einer Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle; einen Verbraucher, der durch von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird; und eine elektronische Steuerungseinheit, dafür eingerichtet, das Spannungssteuerungsmittel zu steuern, wobei in einem Normalbetrieb, wo die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur überschreitet, die Spannung der Brennstoffzelle auf eine erste Spannung festgesetzt wird, und wobei in einem Aufwärmbetrieb, wo die Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur oder ein geringerer Wert ist, die Spannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Spannung festgesetzt wird, wobei in dem Aufwärmbetrieb der DE 11 2008 002 094 T5 die Spannung der Brennstoffzelle auf eine zweite festgesetzte Spannung festgesetzt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Obwohl die US 2010/0047630 A1 darauf abzielt, ein schnelles Aufwärmen der FC zu erreichen, werden dort keine Techniken zum Unterbinden einer Degradation der FC in Betracht gezogen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des Problems dieser Art gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das es ermöglicht, eine Degradation einer Brennstoffzelle zu unterbinden, ein effektives Aufwärmen der Brennstoffzelle zu erleichtern und eine überschüssige Erzeugung von elektrischer Leistung und einen Mangel an erzeugter elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle zu unterbinden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Ein Brennstoffzellensystem, welches gemäß der vorliegenden Erfindung geregelt/gesteuert wird, umfasst eine Brennstoffzelle, die einen Katalysator aufweist, zum Durchführen einer Leistungserzeugung durch Induzieren einer Reaktion von Sauerstoff oder Wasserstoff an dem Katalysator, ein Gaszufuhrmittel zum Zuführen von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff zu der Brennstoffzelle, ein Spannungssteuerungsmittel zum Steuern einer Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle, einen Verbraucher, der durch von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird, und ein Gaszufuhrsteuerungsmittel zum Steuern des Spannungssteuerungsmittels zum Festsetzen einer Istspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung außerhalb eines Spannungsbereichs, in dem eine Oxidationsreduktion des Katalysators fortschreitet, und in einem Zustand, in dem die Istspannung auf diese Weise festgesetzt ist, zum Steuern des Gaszufuhrmittels derart, dass eine Konzentration von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff entsprechend der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung eingestellt wird. Falls das Gaszufuhrsteuerungsmittel bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Temperatur oder weniger ist, setzt das Gaszufuhrsteuerungsmittel die Spannung der Brennstoffzelle auf einen Spannungswert innerhalb eines Spannungsbereichs fest, in dem eine Degradation relativ klein ist, wobei der Spannungsbereich unterhalb des Spannungsbereichs ist, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet, und ändert eine Menge des der Brennstoffzelle entsprechend der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung zugeführten Gases.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird, da die Istspannung der Brennstoffzelle auf die vorbestimmte Spannung außerhalb des Spannungsbereichs festgesetzt ist, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet, verhindert, dass eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion des Katalysators wiederholt häufig in dem gleichen Zeitraum auftreten, und somit kann eine Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden. Insbesondere da die Istspannung der Brennstoffzelle auf den Spannungswert innerhalb eines Spannungsbereichs festgesetzt ist, in dem eine Degradation der Brennstoffzelle relativ klein ist, ist es möglich, eine Degradation der Brennstoffzelle weiter zu verringern. Da zusätzlich zumindest die Sauerstoffkonzentration oder die Wasserstoffkonzentration entsprechend der von dem Verbraucher benötigten elektrischen Leistung gesteuert wird und die Brennstoffzelle die von dem Verbraucher benötigte elektrische Leistung ausgibt, ist es möglich, eine überschüssige Erzeugung von elektrischer Leistung und einen Mangel an erzeugter elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle zu unterbinden.
  • In dem Fall, in dem die Stabilität der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle beeinträchtigt ist, kann die Spannung der Brennstoffzelle innerhalb eines Spannungsbereichs unterhalb des Spannungsbereichs erhöht werden, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet. Somit ist es in dem Fall, in dem die Stabilität der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle beeinträchtigt ist, durch Erhöhen der Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle möglich, den Leistungserzeugungsstrom zu verringern. Da das stöchiometrische Verhältnis von zumindest Sauerstoff oder Wasserstoff erhöht wird, wird es möglich, die Stabilität der Leistungserzeugung gewünscht beizubehalten.
  • Das Brennstoffzellensystem führt einem Motor elektrische Leistung zu und zum Zeitpunkt eines Durchführens eines Aufwärmbetriebs an der Brennstoffzelle in einem Fall, in dem die vorbestimmte Spannung auf eine minimale Motorantriebsspannung oder weniger festgelegt ist, bis es möglich wird, einen normalen Betrieb der Brennstoffzelle durchzuführen, kann der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden, während die Leistungserzeugungsspannung auf die vorbestimmte Spannung festgesetzt ist, und wenn es möglich wird, einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle durchzuführen, kann der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden, wobei die Leistungserzeugungsspannung auf einen Wert eingestellt wird, der die minimale Motorantriebsspannung oder mehr und unterhalb eines Spannungsbereichs ist, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet. Auf diese Weise kann sowohl ein schnelles Aufwärmen als auch ein schneller Betrieb der Brennstoffzelle erreicht werden.
  • Das Brennstoffzellensystem kann z.B. in einem Fahrzeug montiert sein. Somit kann eine hohe Langlebigkeit des Fahrzeugs und eine hohe Anfahrleistung des Fahrzeugs geeignet erreicht werden.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels eines erläuternden Beispiels gezeigt sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Darstellung, die schematisch eine gesamte Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, welches gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geregelt/gesteuert wird;
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Leistungssystem des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
    • 3 ist eine Darstellung, die schematisch eine Struktur einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der Ausführungsform zeigt;
    • 4 ist eine Darstellung, die Details eines DC/DC-Wandlers gemäß der Ausführungsform zeigt;
    • 5 ist ein Fließdiagramm, das die Basissteuerung in einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU - electronic control unit) zeigt;
    • 6 ist ein Fließdiagramm des Berechnens einer System leistungsabgabe;
    • 7 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der momentanen Drehzahl eines Motors und der von dem Motor verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung zeigt;
    • 8 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem SOC einer Batterie, dem Lade- / Entladekoeffizienten und der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung zeigt;
    • 9 ist eine Kurve, die ein Beispiel der Beziehung zwischen dem elektrischen Potenzial einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels und einer Degradation der Brennstoffzelle zeigt;
    • 10 ist eine zyklisches Voltametriediagramm, das ein Beispiel des Fortschritts der Oxidation und des Fortschritts der Reduktion in den Fällen verschiedener schwankender Geschwindigkeiten in dem elektrischen Potenzial der Brennstoffzelle zeigt;
    • 11 ist eine Kurve, die eine Mehrzahl von Leistungszufuhrmodi bei der Ausführungsform zeigt;
    • 12 ist ein Fließdiagramm, bei dem die ECU ein Energiemanagement des Brennstoffzellensystems durchführt;
    • 13 ist ein Fließdiagramm eines Aufwärmmodus;
    • 14 ist eine Kurve, die ein Beispiel einer Weise zeigt, bei der die Temperatur von Kühlwasser durch einen Aufwärmbetrieb angehoben wird;
    • 15 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem stöchiometrischen Luftverhältnis und dem Zellstrom zeigt;
    • 16 ist ein Fließdiagramm eines zweiten Normalmodus;
    • 17 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom und der Sollsauerstoffkonzentration zeigt;
    • 18 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Sollsauerstoffkonzentration und dem Soll-FC-Strom und der Sollluftpumpendrehzahl und der Sollwasserpumpendrehzahl zeigt;
    • 19 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Sollsauerstoffkonzentration und dem Soll-FC-Strom und dem Sollöffnungsgrad eines Rückschlagventils zeigt;
    • 20 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom und der Durchflussmenge von Luft zeigt;
    • 21 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad eines Zirkulationsventils und der Durchflussmenge eines Zirkulationsgases zeigt;
    • 22 ist ein Fließdiagramm, das eine Drehmomentsteuerung des Motors zeigt;
    • 23 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagrams in dem Fall, in dem verschiedene Steuerungen gemäß der Ausführungsform verwendet werden;
    • 24 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines ersten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform zeigt;
    • 25 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines zweiten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform zeigt;
    • 26 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines dritten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform zeigt; und
    • 27 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Struktur eines vierten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Beschreibung im Hinblick auf die gesamte Struktur
  • [ Gesamte Struktur]
  • 1 ist eine Darstellung, die schematisch die gesamte Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 (nachfolgend als das „FC-Fahrzeug 10“ bezeichnet) darstellt, das mit einem Brennstoffzellensystem 12 (nachfolgend als das „FC-System 12“ bezeichnet) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Leistungssystem des FC-Fahrzeugs 10 zeigt. Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst das FC-Fahrzeug 10 einen Fahrmotor 14 und einen Wechselrichter (Hilfseinrichtung) 16 zusätzlich zu dem FC-System 12.
  • Das FC-System 12 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 18 (nachfolgend als die „FC-Einheit 18“ bezeichnet), eine Hochspannungsbatterie (nachfolgend als die „Batterie 20“ bezeichnet) (Energiespeichereinrichtung), einen DC/DC-Wandler (Spannungssteuerungsmittel, Spannungssteuerung) 22 und eine elektronische Steuerungseinheit (Gaszufuhrsteuerungsmittel, Gaszufuhrsteuerung) 24 (nachfolgend als die „ECU 24“ bezeichnet).
  • [Antriebssystem]
  • Der Motor 14 erzeugt eine Antriebskraft basierend auf der von der FC-Einheit 18 und der Batterie 20 gelieferten elektrischen Leistung und dreht Räder 28 unter Verwendung der Antriebskraft durch ein Getriebe 26. Ferner gibt der Motor 14 durch Regeneration erzeugte elektrische Leistung (regenerative elektrische Leistung Preg) [W] an die Batterie 20 oder dergleichen aus (siehe 2).
  • Der Wechselrichter 16 weist eine Drehstrombrückenschaltungsstruktur auf und führt eine DC/AC-Wandlung zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom in drei Phasen aus. Der Wechselrichter 16 führt den Wechselstrom dem Motor 14 zu und führt den Gleichstrom nach AC/DC-Wandlung als ein Ergebnis der Regeneration der Batterie 20 oder dergleichen durch einen DC/DC-Wandler 22 zu.
  • Man sollte beachten, dass der Motor 14 und der Wechselrichter 16 gemeinsam als ein Verbraucher 30 bezeichnet werden. Der Verbraucher 30 kann Bauteile (Hilfseinrichtung) umfassen, wie beispielsweise eine Luftpumpe (Reaktantgaszufuhrvorrichtung) 60, eine Wasserpumpe 80 und eine Klimaanlage 90, wie später beschrieben wird.
  • [FC-System]
  • (Gesamte Struktur)
  • 3 ist eine Darstellung, die schematisch eine Struktur der FC-Einheit 18 zeigt. Die FC-Einheit 18 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 40 (nachfolgend als der „FC-Stapel 40“ oder die „FC 40“ bezeichnet), ein Anodensystem zum Zuführen von Wasserstoff (Brenngas) zu und zum Abgeben des Wasserstoffs (Brenngas) von Anoden des FC-Stapels 40, ein Kathodensystem zum Zuführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) zu und zum Abgeben der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) von Kathoden des FC-Stapels 40, ein Kühlmittelsystem zum Zirkulieren von Kühlwasser (Kühlmittel) zum Kühlen des FC-Stapels 40 und einen Zellspannungsmonitor 42.
  • (FC-Stapel 40)
  • Zum Beispiel wird der FC-Stapel 40 durch Stapeln von Brennstoffzellen (nachfolgend als die „FC-Zellen“ bezeichnet) gebildet, von denen jede eine Anode, eine Kathode und eine feste Polymerelektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst.
  • (Anodensystem)
  • Das Anodensystem umfasst einen Wasserstofftank 44 (Gaszufuhrmittel, Gaszufuhreinheit), ein Regelventil 46, einen Ejektor 48 und ein normalerweise geschlossenes Entleerventil 50. Der Wasserstofftank 44 enthält Wasserstoff als das Brenngas. Der Wasserstofftank 44 ist mit dem Einlass eines Anodenkanals 52 durch eine Leitung 44a, ein Regelventil 46, eine Leitung 46a, einen Ejektor 48 und eine Leitung 48a verbunden. Somit kann der Wasserstoff in dem Wasserstofftank 44 dem Anodenkanal 52 durch die Leitung 44a oder dergleichen zugeführt werden. Ein Absperrventil (nicht gezeigt) ist in der Leitung 44a vorgesehen. Zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung des FC-Stapels 40 wird das Absperrventil von der ECU 24 geöffnet.
  • Das Regelventil 46 regelt den Druck des zugeführten Wasserstoffs auf einen vorbestimmten Wert und gibt den Wasserstoff ab. Das heißt, das Regelventil 46 regelt den Druck auf der stromabwärtigen Seite (Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite) in Abhängigkeit von dem Druck (Vorsteuerdruck) der Luft auf der Kathodenseite, die durch eine Leitung 46b zugeführt wird. Daher ist der Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite mit dem Druck der Luft auf der Kathodenseite verbunden. Wie später beschrieben, ändert sich durch Ändern der Drehzahl oder dergleichen der Luftpumpe 60 so, dass die Sauerstoffkonzentration geändert wird, ebenso der Druck des Wasserstoffs auf der Anodenseite.
  • Der Ejektor 48 erzeugt einen Unterdruck durch Ausstoßen von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 44 durch eine Düse. Durch diesen Unterdruck kann das Anodenabgas aus einer Leitung 48a gesaugt werden.
  • Der Auslass des Anodenkanals 52 ist durch die Leitung 48b mit einer Ansaugöffnung des Ejektors 48 verbunden. Das aus dem Anodenkanal 52 abgegebene Anodenabgas strömt durch die Leitung 48b und wieder in den Ejektor 48 zum Erlauben einer Zirkulation des Anodenabgases (Wasserstoff).
  • Das Anodenabgas enthält Wasserstoff, der nicht in der Elektrodenreaktion an den Anoden verbraucht wurde, und Wasserdampf. Ferner ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider (nicht gezeigt) an der Leitung 48b zum Abscheiden / Rückgewinnen von Wasserbestandteilen (kondensiertes Wasser (Flüssigkeit) und Wasserdampf (Gas)) in dem Anodenabgas vorgesehen.
  • Ein Teil der Leitung 48b ist mit einer Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt), die in einer Leitung 64b vorgesehen ist, wie später beschrieben wird, durch eine Leitung 50a, ein Entleerventil 50 und eine Leitung 50b verbunden. Wenn bestimmt wird, dass eine Leistungserzeugung des FC-Stapels 40 nicht stabil durchgeführt wird, wird das Entleerventil 50 für einen vorbestimmten Zeitraum entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 geöffnet. In der Verdünnungseinrichtung wird der Wasserstoff in dem Anodenabgas aus dem Entleerventil 50 durch das Kathodenabgas verdünnt.
  • (Kathodensystem)
  • Das Kathodensystem umfasst die Luftpumpe 60, einen Befeuchter 62, ein normalerweise geöffnetes Rückschlagventil (Reaktantgaszufuhrvorrichtung) 64, ein normalerweise geöffnetes Zirkulationsventil (Gaszufuhrmittel, Gaszufuhreinheit) 66, Durchflussmengensensoren 68, 70 und einen Temperatursensor 72.
  • Die Luftpumpe 60 verdichtet die Außenluft (Luft) und führt die verdichtete Luft der Kathode zu. Eine Ansaugöffnung der Luftpumpe 60 ist durch eine Leitung 60a mit der Umgebung (Umgebung des Fahrzeugs) verbunden und eine Ausstoßöffnung der Luftpumpe 60 ist durch eine Leitung 60b, den Befeuchter 62 und eine Leitung 62a mit dem Einlass eines Kathodenkanals 74 verbunden. Wenn die Luftpumpe 60 entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 betrieben wird, saugt die Luftpumpe 60 die Luft außerhalb des Fahrzeugs durch die Leitung 60a an, verdichtet die angesaugte Luft und führt die verdichtete Luft dem Kathodenkanal 74 durch die Leitung 60b oder dergleichen unter Druck zu.
  • Der Befeuchter 62 weist eine Mehrzahl von hohlen Fasermembranen 62e mit Wasserpermeabilität auf. Der Befeuchter 62 befeuchtet die in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 durch die hohlen Fasermembranen 62e strömende Luft durch Austauschen von Wasserbestandteilen zwischen der in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Luft und dem aus dem Kathodenkanal 74 abgegebenen stark befeuchteten Kathodenabgas.
  • Eine Leitung 62b, der Befeuchter 62, eine Leitung 64a, das Rückschlagventil 64 und die Leitung 64b sind an dem Auslass des Kathodenkanals 74 vorgesehen. Das aus dem Kathodenkanal 74 abgegebene Kathodenabgas (sauerstoffhaltiges Abgas) wird an die Umgebung des Fahrzeugs durch die Leitung 62b oder dergleichen abgegeben. Die Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt) ist an der Leitung 64b vorgesehen.
  • Zum Beispiel ist das Rückschlagventil 64 eine Absperrklappe und der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 wird von der ECU 24 zum Regeln des Drucks der Luft in dem Kathodenkanal 74 gesteuert. Genauer wird, falls der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 klein wird, der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 erhöht und die Sauerstoffkonzentration pro Volumenstrom (Volumenkonzentration) wird hoch. Im Gegensatz dazu wird, falls der Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 groß wird, der Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 verringert und die Sauerstoffkonzentration pro Volumenstrom (Volumenkonzentration) wird niedrig.
  • Die Leitung 64b an einer stromabwärtigen Seite der Verdünnungseinrichtung ist durch eine Leitung 66a, das Zirkulationsventil 66 und eine Leitung 66b mit der Leitung 60a verbunden. Somit wird ein Teil von dem Abgas (Kathodenabgas) als ein Zirkulationsgas der Leitung 60a durch die Leitung 66a, das Zirkulationsventil 66 und die Leitung 66b zugeführt. Das Zirkulationsgas wird mit der Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeugs gemischt und in die Luftpumpe 60 gesaugt.
  • Zum Beispiel ist das Zirkulationsventil 66 eine Absperrklappe und der Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 wird von der ECU 24 zum Regeln der Durchflussmenge des Zirkulationsgases gesteuert.
  • Ein Durchflussmengensensor 6,8 ist mit der Leitung 60b verbunden. Der Durchflussmengensensor 68 erfasst die Durchflussmenge [g/s] der in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Luft und gibt die erfasste Durchflussmenge an die ECU 24 aus. Ein Durchflussmengensensor 70 ist mit der Leitung 66b verbunden. Der Durchflussmengensensor 70 erfasst die Durchflussmenge QC [g/s] des in Richtung zu der Leitung 60a strömenden Zirkulationsgases und gibt die erfasste Durchflussmenge an die ECU 24 aus.
  • Ein Temperatursensor 72 ist mit der Leitung 64a verbunden. Der Temperatursensor 72 erfasst die Temperatur des Kathodenabgases und der Temperatursensor 72 gibt die erfasste Temperatur an die ECU 24 aus. Da die Temperatur des Zirkulationsgases im Wesentlichen gleich der Temperatur des Kathodenabgases ist, kann die Temperatur des Zirkulationsgases basierend auf der von dem Temperatursensor 72 erfassten Temperatur des Kathodenabgases erfasst werden.
  • (Kühlsystem)
  • Das Kühlsystem umfasst eine Wasserpumpe 80, einen Kühler (Wärmestrahler) 82 und einen Temperatursensor 86. Die Wasserpumpe 80 zirkuliert das Kühlwasser (Kühlmittel) und eine Ausstoßöffnung der Wasserpumpe 80 ist durch eine Leitung 80a, einen Kühlkanal 84, eine Leitung 82a, den Kühler 82 und eine Leitung 82 in der angegebenen Reihenfolge mit einer Ansaugöffnung der Wasserpumpe 80 verbunden. Wenn die Wasserpumpe 80 entsprechend einer Anweisung von der ECU 24 betrieben wird, wird das Kühlwasser zwischen dem Kühlkanal 84 und dem Kühler 82 zum Kühlen des FC-Stapels 40 zirkuliert. Der Temperatursensor 86 erfasst die Temperatur Tw [°C] des Kühlwassers und gibt das erfasste Ergebnis an die ECU 24 aus.
  • (Zellspannungsmonitor)
  • Der Zellspannungsmonitor 42 ist eine Einrichtung zum Erfassen der Zellspannung Vcell von jeder Einheitszelle des FC-Stapels 40. Der Zellspannungsmonitor 42 umfasst einen Monitorkörper und einen den Monitorkörper mit jeder Einheitszelle verbindenden Kabelbaum. Der Monitorkörper scannt alle Einheitszellen in vorbestimmten Intervallen zum Erfassen der Zellspannung Vcell jeder Zelle und berechnet die Durchschnittszellspannung und die niedrigste Zellspannung. Dann gibt der Monitorkörper die Durchschnittszellspannung und die niedrigste Zellspannung an die ECU 24 aus.
  • (Leistungssystem)
  • Wie in 2 gezeigt, wird elektrische Leistung von der FC 40 (nachfolgend als die „elektrische FC-Leistung Pfc“ bezeichnet“) der Luftpumpe 60, der Wasserpumpe 80, einer Klimaanlage 90, einem Abwärtswandler 92, einer Niederspannungsbatterie 94, einem Zubehörteil 96 und der ECU 24 zusätzlich zu dem Wechselrichter 16 und dem Motor 14 (während des Leistungslaufs), dem DC/DC-Wandler 22 und der Hochspannungsbatterie 20 (während des Ladens) zugeführt. Wie in 1 gezeigt, ist eine Rückflussverhinderungsdiode 98 zwischen der FC-Einheit 18 (FC 40) und dem Wechselrichter 16 und dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet. Ferner wird die Leistungserzeugungsspannung der FC 40 (nachfolgend als die „FC-Spannung Vfc“ bezeichnet) von einem Spannungssensor 100 (4) erfasst und der Leistungserzeugungsstrom der FC 40 (nachfolgend als der „FC-Strom Ifc“ bezeichnet) wird von einem Stromsensor 102 erfasst. Die FC-Spannung Vfc und der FC-Strom Ifc werden an die ECU 24 ausgegeben.
  • [Hochspannungsbatterie 20]
  • Die Batterie 20 ist eine Energiespeichereinrichtung (Energiespeicher), die eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält. Zum Beispiel können eine Lithiumionensekundärbatterie, eine Nickelwasserstoffsekundärbatterie oder ein Kondensator als die Batterie 20 verwendet werden. Bei der Ausführungsform wird die Lithiumionensekundärbatterie verwendet. Die Ausgangsspannung [V] der Batterie 20 (nachfolgend als die „Batteriespannung Vbat“ bezeichnet) wird von einem nicht dargestellten Spannungssensor erfasst und der Ausgangsstrom [A] der Batterie 20 (nachfolgend als der „Batteriestrom Ibat“ bezeichnet) wird von einem nicht dargestellten Stromsensor erfasst. Die Batteriespannung Vbat und der Batteriestrom Ibat werden an die ECU 24 ausgegeben. Das verbleibende Batterielevel (Ladezustand) (nachfolgend als der „SOC“ - state of charge bezeichnet) [%] der Batterie 20 wird von einem SOC-Sensor 104 (2) erfasst und an die ECU 24 ausgegeben.
  • [DC/DC-Wandler 22]
  • Der DC/DC-Wandler 22 steuert Ziele, denen die elektrische FC-Leistung Pfc von der FC-Einheit 18, die von der Batterie 20 zugeführte elektrische Leistung [W] (nachfolgend als die „elektrische Batterieleistung Pbat“ bezeichnet) und die regenerative elektrische Leistung Preg von dem Motor 14 zugeführt werden.
  • 4 zeigt Details des DC/DC-Wandlers 22 bei der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 4 gezeigt, ist eine Seite des DC/DC-Wandlers 22 mit der Primärseite 1S verbunden, wo die Batterie 20 vorgesehen ist, und ist die andere Seite des DC/DC-Wandlers 22 mit der Sekundärseite 2S verbunden, die Verbindungsstellen zwischen dem Verbraucher 30 und der FC 40 ist.
  • Der DC/DC-Wandler 22 ist ein Aufwärts- / Abwärtsgleichspannungssteller zum Erhöhen der Spannung auf der Primärseite 1S (Primärspannung V1) [V] auf die Spannung auf der Sekundärseite 2S (Sekundärspannung V2) [V] (V1 ≤ V2) und zum Absenken der Sekundärspannung V2 auf die Primärspannung V1.
  • Wie in 4 gezeigt, umfasst der DC/DC-Wandler 22 einen Phasenarm UA, der zwischen der Primärseite 1S und der Sekundärseite 2S angeordnet ist, und einen Reaktor 110.
  • Der Phasenarm UA umfasst ein oberes Armelement (ein oberes Schaltelement 112 und eine Diode 114) und ein unteres Armelement (ein unteres Schaltelement 116 und eine Diode 118). Zum Beispiel wird ein MOSFET, IGBT oder dergleichen in sowohl dem oberen Armschaltelement 112 als auch in dem unteren Armschaltelement 116 eingesetzt.
  • Der Reaktor 110 ist zwischen dem Mittelpunkt (gemeinsamen Verbindungspunkt) des Phasenarms UA und der positiven Elektrode der Batterie 20 angeordnet. Der Reaktor 110 wird zum Abgeben und Sammeln von Energie während einer Spannungswandlung zwischen der Primärspannung V1 und der Sekundärspannung V2 durch den DC/DC-Wandler 22 betrieben.
  • Das obere Armschaltelement 112 wird angeschaltet, wenn ein hohes Level eines Gateantriebssignals (Antriebsspannung) UH von der ECU 24 ausgegeben wird, und das untere Armschaltelement 116 wird angeschaltet, wenn ein hohes Level eines Gateantriebssignals (Antriebsspannung) UL von der ECU 24 ausgegeben wird.
  • Die ECU 24 erfasst die Primärspannung V1 durch einen Spannungssensor 120, der parallel zu einem Glättungskondensator 122 auf der Primärseite vorgesehen ist, und erfasst einen elektrischen Strom auf der Primärseite (Primärstrom 11) [A] durch einen Stromsensor 124. Ferner erfasst die ECU 24 die Sekundärspannung V2 durch einen Spannungssensor 126, der parallel zu dem Glättungskondensator 128 auf der Sekundärseite vorgesehen ist, und erfasst einen elektrischen Strom auf der Sekundärseite (Sekundärstrom 12) [A] durch einen Stromsensor 130.
  • [ECU 24]
  • Die ECU 24 steuert den Motor 14, den Wechselrichter 16, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22 durch eine Kommunikationsleitung 140 (siehe z.B. 1). Zum Implementieren der Steuerung werden in einem Speicher (ROM) gespeicherte Programme ausgeführt und werden Erfassungswerte verwendet, die von verschiedenen Sensoren erhalten werden, wie beispielsweise dem Zellspannungsmonitor 42, den Durchflussmengensensoren 68, 70, dem Temperatursensor 72, 86, den Spannungssensoren 100, 120, 126 und dem Stromsensoren 102, 124, 130 und dem SOC-Sensor 104.
  • Zusätzlich zu den obigen Sensoren umfassen die verschiedenen Sensoren hier einen Öffnungsgradsensor 150, einen Motordrehzahlsensor 152 und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154 (1). Der Öffnungsgradsensor 150 erfasst den Öffnungsgrad Θp [Grad] eines Beschleunigungspedals 156 und der Drehzahlsensor 152 erfasst die Drehzahl Nm [Upm] des Motors 14. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit V [km/h] des FC-Fahrzeugs 10. Ferner ist ein Hauptschalter 158 (nachfolgend als der „Haupt-SW 158“ bezeichnet) mit der ECU 24 verbunden. Der Haupt-SW 158 schaltet zwischen Zufuhr und Nicht-Zufuhr der elektrischen Leistung von der FC-Einheit 18 und der Batterie 20 zu dem Motor 14. Dieser Haupt-SW 158 kann von einem Bediener betätigt werden.
  • Die ECU 24 umfasst einen Mikrocomputer. Ferner weist die ECU 24, sofern erforderlich, einen Taktgeber und Eingabe- / Ausgabe- (I/O)-Schnittstellen auf, wie beispielsweise einen A/D-Wandler und einen D/A-Wandler. Die ECU 24 kann lediglich eine einzige ECU aufweisen. Alternativ kann die ECU 24 eine Mehrzahl von ECUs für sowohl den Motor 14, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 als auch den DC/DC-Wandler 22 aufweisen.
  • Nachdem die von dem FC-System 12 benötigte Leistungsabgabe, d.h. die von dem FC-Fahrzeug 10 insgesamt benötigte Leistungsabgabe, basierend auf dem Zustand des FC-Stapels 40, dem Zustand der Batterie 20 und dem Zustand des Motors 14 und auch basierend auf Eingaben (Leistungsabgabeanforderungen) von verschiedenen Schaltern und verschiedenen Sensoren bestimmt wird, bestimmt die ECU 24 eine Bereitstellung (Anteile) von Leistungsabgaben durch Einstellung und bestimmt genauer einen guten Ausgleich zwischen einer Leistungsabgabe, die dem FC-Stapel 40 zugeordnet werden sollte, einer Leistungsabgabe, die der Batterie 20 zugeordnet werden sollte, und einer Leistungsabgabe, die der regenerativen Leistungszufuhr (Motor 14) zugeordnet werden sollte und sendet an den Motor 14, den Wechselrichter 16, die FC-Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22 Anweisungen.
  • Steuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
  • Als nächstes wird die Steuerung in der ECU 24 beschrieben.
  • [Basissteuerung]
  • 5 ist ein Fließdiagramm, das die Basissteuerung in der ECU 24 zeigt. In Schritt S1 bestimmt die ECU 24, ob der Haupt-SW 158 in einem AN-Zustand ist oder nicht. Falls der Haupt-SW 158 nicht in dem AN-Zustand ist (S1: NEIN), wird Schritt S1 wiederholt. Falls der Haupt-SW 158 in dem AN-Zustand ist (S1: JA), geht die Steuerung zu Schritt S2 weiter. In Schritt S2 berechnet die ECU 24 die von dem FC-System 12 benötigte Leistungsabgabe (Systemleistungsabgabe Psys) [W].
  • In Schritt S3 führt die ECU 24 ein Energiemanagement des FC-Systems 12 durch. Das Energiemanagement soll hier eine Degradation des FC-Stapels 40 unterbinden und den Wirkungsgrad der Ausgabe des gesamten FC-Systems 12 erhöhen.
  • In Schritt S4 implementiert die ECU 24 eine Steuerung für Peripherieeinrichtungen des FC-Stapels 40, d.h. die Luftpumpe 60, das Rückschlagventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80 (FC-Leistungserzeugungssteuerung). In Schritt S5 implementiert die ECU 24 eine Drehmomentsteuerung des Motors 14.
  • In Schritt S6 bestimmt die ECU 24, ob der Haupt-SW 158 in einem AUS-Zustand ist oder nicht. Falls der Haupt-SW 158 nicht in dem AUS-Zustand ist (S6: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S2 zurück. Falls der Haupt-SW 158 in dem AN-Zustand ist (S6: JA), wird der momentane Prozess beendet.
  • [Berechnung der Systemleistungsabgabe Psys]
  • 6 ist ein Fließdiagramm zum Berechnen der Systemleistungsabgabe Psys. In Schritt S11 liest die ECU 24 den Öffnungsgrad Θp des Beschleunigungspedals 156 aus dem Öffnungsgradsensor 150. In Schritt S12 liest die ECU 24 die Drehzahl Nm [Upm] des Motors 14 aus dem Drehzahlsensor 152.
  • In Schritt S13 berechnet die ECU 24 die von dem Motor 14 verbrauchte geschätzte elektrische Leistung Pm [W] basierend auf dem Öffnungsgrad Θp und der Drehzahl Nm. Insbesondere ist in einem Kennfeld, das in 7 gezeigt ist, die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der geschätzten verbrauchten Energie Pm für jeden Öffnungsgrad Θp gespeichert. Zum Beispiel wird in dem Fall, in dem der Öffnungsgrad Θp Θp1 ist, eine Kennlinie 160 verwendet. Ähnlich werden in den Fällen, in denen der Öffnungsgrad Θp Θp2, Θp3, Θp4, Θp5 und Θp6 ist, jeweils die Kennlinien 162, 164, 166, 168 und 170 verwendet. Nachdem die Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der verbrauchten elektrischen Leistung Pm angibt, basierend auf dem Öffnungsgrad Θp bestimmt ist, wird basierend auf der bestimmten Kennlinie die geschätzte verbrauchte Energie Pm entsprechend der Drehzahl Nm bestimmt.
  • In Schritt S14 liest die ECU 24 Daten der momentanen Betriebszustände aus Hilfseinrichtungen. Zum Beispiel umfassen die Hilfseinrichtungen hier Hilfseinrichtungen, die mit Hochspannung betrieben werden, wie beispielsweise die Luftpumpe 60, die Wasserpumpe 80 und die Klimaanlage 90, und Hilfseinrichtungen, die mit Niederspannung betrieben werden, wie beispielsweise die Niederspannungsbatterie 94, das Zubehörteil 96 und die ECU 24. Zum Beispiel wird in Bezug auf den Betriebszustand der Luftpumpe 60 die Drehzahl der Luftpumpe 60 (nachfolgend als die „Luftpumpendrehzahl Nap“ oder die „Drehzahl Nap“ bezeichnet) [Upm] ausgelesen. In Bezug auf den Betriebszustand der Wasserpumpe 80 wird die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (nachfolgend als die „Wasserpumpendrehzahl Nwp“ oder die „Drehzahl Nwp“ bezeichnet) [Upm] ausgelesen. In Bezug auf den Betriebszustand der Klimaanlage 90 werden Ausgabeeinstellungen der Klimaanlage 90 ausgelesen.
  • In Schritt 15 berechnet die ECU 24 die von den Hilfseinrichtungen verbrauchte elektrische Leistung Pa [W] in Abhängigkeit von den momentanen Betriebszuständen der Hilfseinrichtungen. In Schritt S16 berechnet die ECU 24 den Lade- / Entladekoeffizienten α. Der Lade- / Entladekoeffizienten α ist ein Koeffizient, mit dem die Summe (vorläufige Systemleistungsabgabe) der von dem Motor 14 verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung Pm und der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa multipliziert wird. Der Lade- / Entladekoeffizienten α wird in Abhängigkeit von dem SOC der Batterie 20 und einem Durchschnittswert der regenerativen elektrischen Leistung Preg des Motors 14 (nachfolgend als die „durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave“ bezeichnet) bestimmt. Die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave ist ein Durchschnittswert der regenerativen Leistung Preg, der innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums erhalten wird.
  • 8 ist ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem SOC, dem Lade- / Entladekoeffizienten α und der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung Pregave zeigt. In einem Beispiel der 8 ist der Soll-SOC 50 %. Wenn der SOC 50 % übersteigt (wenn die Batterie 20 in einem ausreichend geladenen Zustand ist), wird der Lade- / Entladekoeffizienten α festgelegt, dass er kleiner als 1 ist. Somit wird durch Multiplizieren der vorläufigen Systemleistungsabgabe mit einem Multiplikationsfaktor kleiner als 1 die Systemleistungsabgabe Psys klein gemacht und dann wird es möglich, die überschüssige elektrische Leistung der Batterie 20 zu verbrauchen. Wenn ferner der SOC weniger als 50 % ist (wenn ein Aufladen erforderlich ist), wird der Lade- / Entladekoeffizient α festgelegt, dass er größer als 1 ist. Somit wird durch Multiplizieren der vorläufigen Systemleistungsabgabe mit einem Multiplikationsfaktor größer als 1 die Systemleistungsabgabe Psys groß gemacht und dann wird es möglich, den Mangel des SOC zu kompensieren.
  • Ferner wird in dem Beispiel der 8 die Beziehung zwischen dem SOC und dem Lade- / Entladekoeffizienten α in Abhängigkeit von der durchschnittlichen regenerativen elektrischen Leistung Pregave umgeschaltet. Das heißt, wie in 8 gezeigt, falls die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave niedrig ist (d. h., in einem Umfeld, in dem es schwierig ist, die regenerative elektrische Leistung Preg zu erhalten), da es wahrscheinlich ist, dass die regenerative elektrische Leistung Preg nicht ausreichend ist, wird in einem Bereich, in dem der SOC 50% übersteigt, der Lade- / Entladekoeffizient α erhöht und in einem Bereich, in dem der SOC weniger als 50% ist, wird der Lade- / Entladekoeffizient α auf einen Wert geändert, der nahe bei 1 liegt. Falls die durchschnittliche regenerative elektrische Leistung Pregave hoch ist (d. h., in einer Umgebung, in der es leicht ist, die regenerative elektrische Leistung Preg zu erhalten), da es wahrscheinlich ist, dass die größere regenerative elektrische Leistung Preg verfügbar ist, wird in einem Bereich, in dem der SOC 50% übersteigt, der Lade- / Entladekoeffizient α verringert, und in einem Bereich, in dem der SOC weniger als 50% ist, wird der Lade- / Entladekoeffizient α auf einen Wert geändert, der weit weg von 1 liegt. Der Soll-SOC kann auf einen anderen Wert als 50% festgelegt werden. Ferner können gemessene Werte oder simulierte Werte in dem Kennfeld der 8 verwendet werden.
  • Mit Rückbezug auf 6 multipliziert in Schritt S17 die ECU 24 die Summe (vorläufige Systemleistungsausgabe) der von dem Motor 14 verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung Pm und der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa mit dem Lade- / Entladekoeffizienten α, um die geschätzte verbrauchte elektrische Leistung in dem gesamten FC-Fahrzeug 10 zu berechnen (d. h. die Systemleistungsabgabe Psys).
  • [Energiemanagement]
  • Wie oben beschrieben, soll das Energiemanagement bei der vorliegenden Ausführungsform den Wirkungsgrad bei der Ausgabe des gesamten FC-Systems 12 verbessern, während eine Degradation des FC-Stapels 40 unterbunden wird.
  • (Voraussetzung)
  • 9 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Spannung der FC-Zelle des FC-Stapels 40 (Zellspannung Vcell) [V] und der Degradation D der Zelle. Das heißt, eine Kurve 180 in 9 zeigt die Beziehung zwischen der Zellspannung Vcell und der Degradation D.
  • In 9 schreitet in einem Bereich unterhalb des elektrischen Potenzials v1 (z.B. 0,5 V) eine Reduktionsreaktion von Platin (oxidiertes Platin) in der FC-Zelle stark fort und eine Aggregation von Platin tritt übermäßig auf (nachfolgend als der „Platinaggregationszunahmebereich R1“ oder der „Aggregationszunahmebereich R1“ bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v1 bis zu dem elektrischen Potenzial v2 (z.B. 0,8 V) schreitet eine Reduktionsreaktion stabil fort (nachfolgend als der „Platinreduktionsbereich R2“ oder der „Reduktionsbereich R2“ bezeichnet).
  • In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v2 bis zu dem elektrischen Potenzial v3 (z.B. 0,9 V) schreitet eine Redoxreaktion fort (nachfolgend als der „Platinoxidationsreduktionsbereich R3“ oder der „Oxidationsreduktionsbereich R3“ bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v3 bis zu dem elektrischen Potenzial v4 (z.B. 0,95 V) schreitet eine Oxidationsreaktion von Platin stabil fort (nachfolgend als der „stabile Platinoxidationsbereich R4“ oder der „Oxidationsbereich R4“ bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potenzial v4 bis zu OCV (Leerlaufspannung - open circuit voltage) schreitet eine Oxidation von Kohlenstoff in der Zelle fort (nachfolgend als der „Kohlenstoffoxidationsbereich R5“ bezeichnet).
  • Wie oben beschrieben, tritt in 9, falls die Zellspannung Vcell in dem Platinreduktionsbereich R2 oder in dem stabilen Platinoxidationsbereich R4 ist, eine Degradation der FC-Zelle in einem geringeren Umfang im Vergleich zu den Nachbarbereichen auf. Im Gegensatz dazu tritt, falls die Zellspannung Vcell in dem Platinaggregationserhöhungsbereich R1, dem Platinoxidationsreduktionsfortschrittbereich R3 oder dem Kohlenstoffoxidationsbereich R5 ist, eine Degradation der FC-Zelle in einem größeren Umfang im Vergleich zu den Nachbarbereichen auf.
  • In 9 wird auf den ersten Blick eine Kurve 180 einmalig bestimmt. In der Praxis jedoch schwankt die Kurve 180 in Abhängigkeit von der Schwankung der Zellspannung Vcell (schwankende Geschwindigkeit Acell) [V/sec] pro Zeiteinheit.
  • 10 ist ein zyklisches Voltametriediagramm, das ein Beispiel des Fortschritts der Oxidation und des Fortschritts der Reduktion in den Fällen verschiedener schwankender Geschwindigkeiten Acell zeigt. In 10 zeigt eine Kurve 190 einen Fall, in dem die schwankende Geschwindigkeit Acell hoch ist, und eine Kurve 192 zeigt einen Fall, in dem die schwankende Geschwindigkeit Acell niedrig ist. Wie aus 10 gesehen werden kann, können, da das Ausmaß des Fortschritts der Oxidation und der Reduktion in Abhängigkeit von der schwankenden Geschwindigkeit Acell schwankt, die elektrischen Potenziale v1 bis v4 nicht zwangsläufig einmalig bestimmt werden. Ferner können sich die elektrischen Potenziale v1 bis v4 in Abhängigkeit von der individuellen Differenz in der FC-Zelle ändern. Daher sollten bevorzugt die elektrischen Potenziale v1 bis v4 auf die theoretischen Werte, Simulationswerte oder gemessene Werte festgelegt werden, wobei die Fehler berücksichtigt werden.
  • Ferner wird in der Strom-Spannungs-(IV)-Kennlinie der FC-Zelle wie in dem Fall normaler Brennstoffzellen, wenn die Zellspannung Vcell abnimmt, der Zellstrom Icell [A] erhöht (siehe 11). Zusätzlich wird die Leistungserzeugungsspannung (FC-Spannung Vfc) des FC-Stapels 40 durch Multiplizieren der Zellspannung Vcell mit der Reihenverbindungsanzahl Nfc in dem FC-Stapel 40 erhalten. Die Reihenverbindungsanzahl Nfc gibt die Anzahl der FC-Zellen an, die in Reihe in dem FC-Stapel 40 verbunden sind. Die Reihenverbindungsanzahl Nfc wird auch einfach als die „Zellanzahl“ bezeichnet.
  • Angesichts des obigen wird bei der vorliegenden Ausführungsform während eines Spannungswandlungsbetriebs des DC/DC-Wandlers 22 die Sollspannung (Soll-FC-Spannung Vfctgt) des FC-Stapels 40 hauptsächlich innerhalb des Platinreduktionsbereichs R2 festgelegt und, falls erforderlich, innerhalb des stabilen Platinoxidationsbereichs R4 (bestimmte Beispiele werden mit Bezugnahme auf z.B. 12 beschrieben). Durch Umschalten der Soll-FC-Spannung Vfctgt auf diese Weise kann die Zeit, in der die FC-Spannung Vfc in den Bereichen R1, R3 und R5 (und insbesondere in dem Platinoxidationsreduktionsfortschrittbereich R3) ist, so weit wie möglich reduziert werden, wodurch eine Degradation des FC-Stapels 40 verhindert werden kann.
  • In dem obigen Prozess kann die von dem FC-Stapel 40 gelieferte elektrische Leistung (elektrische FC-Leistung Pfc) nicht gleich der Systemleistungsabgabe Psys sein. In dieser Hinsicht wird, falls die elektrische FC-Leistung Pfc weniger als die Systemleistungsabgabe Psys ist, die elektrische Leistung für den Mangel von der Batterie 20 geliefert. Falls ferner die elektrische FC-Leistung Pfc die Systemleistungsabgabe Psys überschreitet, wird die Batterie 20 mit der überschüssigen elektrischen Leistung der elektrischen FC-Leistung Pfc geladen.
  • In 9 sind die elektrischen Potenziale v1 bis v4 als bestimmte numerische Werte zum Implementieren der Steuerung angegeben, wie später beschrieben wird. Die numerischen Werte werden lediglich zur Vereinfachung der Steuerung bestimmt. Anders ausgedrückt, wie aus der Kurve 180 gesehen werden kann, da sich eine Degradation D kontinuierlich ändert, können die elektrischen Potenziale v1 bis v4 geeignet in Abhängigkeit von der Spezifikation der Steuerung bestimmt werden.
  • Der Platinreduktionsbereich R2 umfasst einen Minimalwert der Kurve 180 (erster Minimalwert Vlmi1). Der erste Minimalwert Vlmi1 ist z.B. 0,65 V. Der Platinoxidationsreduktionsfortschrittbereich R3 umfasst einen Maximalwert der Kurve 180 (Maximalwert Vlmx). Der stabile Platinoxidationsbereich R4 umfasst einen anderen Minimalwert (zweiter Minimalwert Vlmi2) der Kurve 180.
  • (Leistungszufuhrmodi; die bei dem Energiemanagement verwendet werden)
  • 11 ist eine Kurve, die eine Mehrzahl von Leistungszufuhrmodi bei der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden grundsätzlich zwei Steuerungsverfahren (Leistungssteuerungsmodi) zum Steuern der Leistungszufuhr (Zufuhr von elektrischer Leistung) bei dem Energiemanagement verwendet. Insbesondere wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zum Aufwärmen der FC 40 verwendeter Aufwärmmodus und ein in einem Normalbetrieb (ein anderer als der Aufwärmbetrieb) verwendeter Normalmodus vorgesehen. Ferner weist der Normalmodus zwei Arten auf, d. h. einen ersten Normalmodus und einen zweiten Normalmodus. In dem ersten Normalmodus wird eine Steuerung mit variabler Spannung / variablem Strom durchgeführt, bei der sowohl die Soll-FC-Spannung Vfctgt als auch der FC-Strom Ifc variabel sind. In dem zweiten Normalmodus wird eine Steuerung mit festgesetzter Spannung / variablem Strom durchgeführt, bei der die Soll-FC-Spannung Vfctgt festgesetzt (konstant) ist und der FC-Strom Ifc variabel ist.
  • Wie oben beschrieben, wird der Aufwärmmodus während des Aufwärmbetriebs der FC 40 verwendet. In dem Aufwärmmodus wird der Aufwärmbetrieb durchgeführt, während die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf einen ersten Minimalwert Vlmi1 des Reduktionsbereichs R2 festgelegt wird. Auf diese Weise kann der Aufwärmbetrieb mit kleiner Degradation D der FC 40 durchgeführt werden. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die minimale Antriebsspannung des Motors 14 (nachfolgend als die „minimale Motorantriebsspannung Vmotmin“ bezeichnet) höher als der erste Minimalwert Vlmi1. Die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin kann jedoch niedriger als der erste Minimalwert Vlmi1 sein. Auch in diesem Fall wird in dem Aufwärmmodus die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf den ersten Minimalwert Vlmi1 festgelegt.
  • Der erste Normalmodus (Steuerung mit variabler Spannung / variablem Strom) wird hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, in dem die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt (stöchiometrisches Luftverhältnis) festgesetzt ist (oder Sauerstoff in einem fetten Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt zum Steuern des FC-Stroms Ifc eingestellt. Auf diese Weise kann grundsätzlich die Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen Leistung der FC Pfc abgedeckt werden.
  • Der zweite Normalmodus (Steuerung mit festgesetzter Spannung / variablem Strom) wird hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt / Zellanzahl) wird auf ein elektrisches Bezugspotenzial festgesetzt (bei der vorliegenden Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)), das gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt (stöchiometrisches Luftverhältnis) ist variabel, wodurch der elektrische FC-Strom Ifc variable gemacht wird. Auf diese Weise wird es grundsätzlich möglich, die Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abzudecken (wie später ausführlich beschrieben wird). Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt.
  • (Übersicht über das Energiemanagement)
  • 12 ist ein Fließdiagramm, in dem die ECU 24 das Energiemanagement (S3 der 5) des FC-Systems 12 durchführt. In Schritt S21 bestimmt die ECU 24, ob die FC 40 aufgewärmt werden muss oder nicht. Insbesondere bestimmt die ECU 24, ob die von dem Temperatursensor 86 erfasste Temperatur Tw des Kühlwassers gleich oder weniger als ein Schwellwert THTw1 ist, zum Bestimmen, ob ein Aufwärmen erforderlich ist oder nicht. In dem Fall, in dem die Temperatur Tw der Schwellwert THTw1 oder weniger ist und ein Aufwärmen erforderlich ist (S21: JA), führt die ECU 24 in Schritt S22 den Aufwärmmodus durch. Falls die Temperatur Tw mehr als der Schwellwert THTw1 ist und ein Aufwärmen nicht erforderlich ist (S21: NEIN), führt die ECU 24 in Schritt S23 den Normalmodus durch.
  • (Erster Normalmodus)
  • 13 ist ein Fließdiagramm des Aufwärmmodus. In Schritt S31 bestimmt die ECU 24, ob die FC 40 ausreichend erwärmt wurde, um ein Fahren des Fahrzeugs 10 zu erlauben. Insbesondere bestimmt die ECU 24, ob die Temperatur Tw des Kühlwassers der Schwellwert THTw2 oder mehr ist. In Wirklichkeit gibt die Temperatur Tw die Temperatur der FC 40 an. Falls die Temperatur Tw der Schwellwert THTw2 oder mehr ist und das Fahrzeug 10 fahren kann (S31: JA), dann schreitet der Prozess zu Schritt S32 fort.
  • In Schritt S32 lässt die ECU 24 ein Fahren des Fahrzeugs 10 (Antreiben des Motors 14) zu. Das heißt, in Abhängigkeit von dem Öffnungsgrad Θp des Beschleunigungspedals 156 wird die Ausgabe des Motors 14 gesteuert. In Schritt S33 bestimmt die ECU 24, ob es das erste Mal ist oder nicht, den Schritt S33 durchzuführen, nachdem der Aufwärmmodus gestartet wurde. Falls es nicht das erste Mal ist, den Schritt S33 durchzuführen (S33: NEIN), schreitet der Prozess zu Schritt S38 fort. Falls es das erste Mal ist, den Schritt S33 durchzuführen (S33: JA), legt die ECU 24 in Schritt S34 die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin als die Soll-FC-Spannung Vfctgt fest. Nach Schritt S34 schreitet der Prozess zu Schritt S38 fort.
  • Falls in Schritt S31 die Temperatur Tw weniger als der Schwellwert THTw2 ist und das Fahrzeug 10 nicht fahren kann (S31: NEIN), dann schreitet der Prozess zu Schritt S35 fort.
  • In Schritt S35 lässt die ECU 24 nicht das Fahren des Fahrzeugs (Antreiben des Motors 14) zu. Das heißt, selbst dann, wenn das Beschleunigungspedal 156 betätigt wird, wird der Motor 14 nicht aktiviert. In Schritt S36 bestimmt die ECU 24, ob es das erste Mal oder nicht ist, diesen Schritt S36 durchzuführen, nachdem der Aufwärmmodus gestartet wurde. Falls es nicht das erste Mal ist, den Schritt S36 durchzuführen (S36: NEIN), schreitet der Prozess zu Schritt S38 fort. Falls es das erste Mal ist, den Schritt S36 durchzuführen (S36: JA), legt die ECU 24 in Schritt S37 das Produkt aus dem ersten Minimalwert Vlmi1 und der Zellanzahl als die Soll-FC-Spannung Vfctgt fest. Nach Schritt S37 schreitet der Prozess zu Schritt S38 fort.
  • In Schritt S38 berechnet die ECU 24 den Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der in Schritt S17 der 6 berechneten Systemleistungsabgabe Psys. In Schritt S39 stellt die ECU 24 das stöchiometrische Luftverhältnis Rs (bei der Ausführungsform Sollsauerstoffkonzentration Cotgt) in Abhängigkeit von der Soll-FC-Spannung Vfctgt und dem Soll-FC-Strom Ifctgt ein. Das heißt, in dem Zustand, in dem die Soll-FC-Spannung Vfctgt bei dem ersten Minimalwert Vlmi1 x Zellanzahl festgesetzt ist, berechnet die ECU 24 das stöchiometrische Luftverhältnis Rs, das den Soll-FC-Strom Ifctgt realisiert. Bei dieser Berechnung wird ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Soll-FC-Spannung Vfctgt und dem Soll-FC-Strom Ifctgt und dem stöchiometrischen Luftverhältnis Rs zeigt, zuvor vorbereitet und dieses Kennfeld wird zum Bestimmen des stöchiometrischen Luftverhältnisses verwendet, das den Soll-FC-Strom Ifctgt realisiert.
  • In Schritt S40 bestimmt die ECU 24, ob der von dem Stromsensor 102 erfasste FC-Strom Ifc der Soll-FC-Strom Ifctgt oder mehr ist. Falls der FC-Strom Ifc weniger als der Soll-FC-Strom Ifctgt ist (S40: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S39 zurück und das stöchiometrische Luftverhältnis Rs wird weiter erhöht. Falls der FC-Strom Ifc gleich oder mehr als der Soll-FC-Strom Ifctgt (S40: JA) ist, bestimmt die ECU 24 in Schritt S41, ob eine Leistungserzeugung von der FC 40 stabil durchgeführt wird oder nicht. Falls die von dem von dem Zellspannungsmonitor 42 eingegebene niedrigste Zellspannung niedriger als die durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von der Durchschnittszellspannung (niedrigste Zellspannung < (Durchschnittszellspannung - vorbestimmte Spannung)) erhaltene Spannung ist, bestimmt die ECU 24, dass die Leistungserzeugung der FC 40 nicht stabil ist. Zum Beispiel können experimentelle Werte, Simulationswerte oder dergleichen als die vorbestimmte Spannung verwendet werden.
  • Falls eine Leistungserzeugung stabil ist (S41: JA), bestimmt die ECU 24 in Schritt S42, ob das Aufwärmen der FC 40 beendet wurde oder nicht. Insbesondere wird bestimmt, ob die Temperatur Tw des Kühlwassers den Schwellwert THTw1 überschreitet oder nicht. Falls die Temperatur Tw der Schwellwert THTw1 oder weniger ist und ein Aufwärmen nicht beendet wurde (S42: NEIN), dann kehrt der Prozess zu Schritt S31 zurück. Falls die Temperatur Tw den Schwellwert THTw1 überschreitet und ein Aufwärmen beendet wurde (S42: JA), wird der momentane Prozess beendet.
  • Falls in Schritt S41 die Leistungserzeugung der FC 40 nicht stabil ist (S41: NEIN), dann bestimmt die ECU 24 in Schritt S43, ob die Soll-FC-Spannung Vfctgt gleich oder mehr als maximal zulässige Wert Vfctgtmax in dem Aufwärmmodus ist oder nicht. Falls die Soll-FC-Spannung weniger als der maximal zulässige Wert Vfctgt ist (S43: NEIN), erhöht die ECU 24 in Schritt S44 die Soll-FC-Spannung Vfctgt um eine Stufe und dann kehrt der Prozess zu Schritt S38 zurück. Falls die Soll-FC-Spannung Vfctgt der maximal zulässige Wert Vfctgtmax oder mehr ist (S43: JA), stoppt die ECU 24 in Schritt S45 eine Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu der FC 40, wodurch die Leistungserzeugung der FC 40 gestoppt wird. Dann schaltet die ECU 24 eine Alarmleuchte (nicht gezeigt) ein, um den Bediener zu benachrichtigen, dass es einen Fehler in der FC 40 gibt. Man sollte beachten, dass die ECU 24 elektrische Leistung von der Batterie 20 zu dem Motor 14 zuführt, um zu erlauben, dass das FC-Fahrzeug 10 weiter fährt.
  • Gemäß dem Fließdiagramm der 13 wird die Temperatur Tw des Kühlwassers angehoben, wie z.B. in 14 gezeigt ist. Insbesondere wird, falls die Temperatur Tw weniger als der Schwellwert THTw2 ist, dann das Aufwärmen der FC 40 durchgeführt, wobei der erste Minimalwert Vlmi1 x Zellanzahl auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt festgelegt wird (Falls eine Leistungserzeugung nicht stabil ist, wird ein höherer Spannungswert auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt festgelegt.). Falls die Temperatur Tw in einem Bereich zwischen dem Schwellwert THTw2 und dem Schwellwert THTw1 ist, dann wird das Aufwärmen der FC 40 durchgeführt, wobei die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin auf die Soll-FC-Spannung festgelegt wird (Falls eine Leistungserzeugung nicht stabil ist, wird ein höherer Spannungswert auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt festgelegt.). Falls die Temperatur Tw den Schwellwert THTw1 überschreitet, wird das Aufwärmen beendet.
  • (Normalmodus)
  • Ein Fließdiagramm des Normalmodus ist in Schritt S23 der 12 gezeigt. In Schritt S51 bestimmt die ECU 24, ob die in Schritt S2 berechnete Systemleistungsabgabe Psys gleich oder mehr als ein Schwellwert THPSys1 ist oder nicht, zum Bestimmen, ob die Systemleistungsabgabe Psys hoch ist oder nicht. Falls die Systemleistungsabgabe Psys gleich oder mehr als der Schwellwert THPsys1 ist (S51: JA), führt die ECU 24 in Schritt S52 den ersten Normalmodus durch (implementiert Steuerung mit variabler Spannung / variablem Strom).
  • In dem Fall, in dem in Schritt S51 die Systemleistungsabgabe Psys weniger als der Schwellwert THPsys1 ist (S51: NEIN), führt die ECU 24 in Schritt S53 den zweiten Normalmodus durch (implementiert Steuerung mit festgesetzter Spannung / variablem Strom).
  • (Erster Normalmodus)
  • Wie oben beschrieben, wird der erste Normalmodus hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, in dem die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt (stöchiometrisches Luftverhältnis Rs) festgesetzt ist (oder Sauerstoff in einem fetten Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt zum Steuern des FC-Stroms Ifc eingestellt.
  • Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem ersten Normalmodus wird eine normale Strom-Spannungs-Kennlinie einer FC 40 (I-V-Kennlinie, die durch eine durchgezogene Linie in 11 angegeben ist) verwendet. Wie in dem Fall der normalen Brennstoffzelle wird in der I-V-Kennlinie der FC 40, wenn die Zellspannung Vcell (FC-Spannung Vfc) abnimmt, der Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) erhöht. Somit wird in dem ersten Normalmodus der Soll-FC-Strom Ifctgt in Abhängigkeit von der Systemleistungsabgabe Psys berechnet und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt berechnet. Die ECU 24 steuert den DC/DC-Wandler 22 derart, dass die FC-Spannung Vfc auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt wird. Das heißt, die Primärspannung V1 wird von dem DC/DC-Wandler 22 derart angehoben, dass die Sekundärspannung V2 auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt wird, wodurch die FC-Spannung Vfc gesteuert wird und der FC-Strom Ifc gesteuert wird.
  • Der Ausdruck „Sauerstoff ist in einem fetten Zustand“ bedeutet, dass Sauerstoff in einem Zustand ist, in dem, wie zum Beispiel in 15 gezeigt, der Zellstrom Icell auf einem konstanten Level selbst dann gehalten wird, falls das stöchiometrische Verhältnis der Kathode erhöht wird. In diesem Zustand liegt Sauerstoff in dem normalen stöchiometrischen Verhältnis oder mehr vor, in dem Sauerstoff im Wesentlichen gesättigt ist. Die Bedeutung des Ausdrucks „Wasserstoff ist in einem fetten Zustand“ kann in der gleichen Weise verstanden werden. Das stöchiometrische Luftverhältnis Rs wird z.B. durch Steuern der Sauerstoffkonzentration eingestellt.
  • In dem ersten Normalmodus kann, wie oben beschrieben, selbst dann, wenn die Systemleistungsabgabe Psys hoch ist, grundsätzlich die gesamte Systemleistungsabgabe mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt werden.
  • (Zweiter Normalmodus)
  • Wie oben beschrieben, wird der zweite Normalmodus hauptsächlich verwendet, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist. Die Sollzellspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt / Zellanzahl) ist auf ein elektrisches Bezugspotenzial (bei der vorliegenden Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)) festgesetzt, das gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel. Somit ist der FC-Strom variabel.
  • Das heißt, wie in 11 gezeigt, in dem zweiten Normalmodus wird, während die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, die Sauerstoffkonzentration Co durch Verringern der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt (stöchiometrisches Luftverhältnis Rs) verringert. Wie in 15 gezeigt, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis Rs (Sauerstoffkonzentration Co) verringert wird, wird der Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) entsprechend verringert. Daher wird es in dem Zustand, in dem die Zellspannung Vcell auf einem konstanten Level gehalten wird, durch Erhöhen oder Verringern der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt möglich, den Zellstrom Icell (FC-Strom Ifc) und die elektrische FC-Leistung Pfc zu steuern. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird mit Hilfe der Batterie 20 ergänzt.
  • 16 ist ein Fließdiagramm, das den zweiten Normalmodus zeigt. In Schritt S61 setzt die ECU 24 die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf ein elektrisches Bezugspotenzial (bei der vorliegenden Ausführungsform das elektrische Potenzial v2 (= 0,8 V)) durch Einstellen der Spannungsanhebungsgeschwindigkeit des DC/DC-Wandlers 22 fest, wobei das elektrische Bezugspotenzial festgelegt wird, dass es gleich oder weniger als ein elektrisches Potenzial unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 ist. In Schritt S62 berechnet die ECU 24 den Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys.
  • In Schritt S63 berechnet die ECU 24 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt unter der Voraussetzung, dass die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf dem elektrischen Bezugspotenzial ist (siehe 11 und 17). 17 zeigt die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom Ifctgt und der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt, wenn die FC-Spannung Vfc bei dem elektrischen Bezugspotenzial ist.
  • In Schritt S64 berechnet und sendet die ECU 24 in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt Anweisungswerte an die jeweiligen Bauteile. Die Anweisungswerte umfassen hier die Drehzahl der Luftpumpe 60 (Luftpumpendrehzahl Nap), die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (Wasserpumpendrehzahl Nwp), den Öffnungsgrad des Rückschlagventils 64 (nachfolgend als der „Rückschlagventilöffnungsgrad Obp“ oder der „Öffnungsgrad Obp“ bezeichnet) und den Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 (nachfolgend als der „Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc“ oder der „Öffnungsgrad Θc“ bezeichnet).
  • Das heißt, wie in 18 und 19 gezeigt, die Sollluftpumpendrehzahl Naptgt, die Sollwasserpumpendrehzahl Nwptgt und der Sollrückschlagventilöffnungsgrad Obptgt werden in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt bestimmt. Ferner wird der Sollöffnungsgrad Θctgt des Zirkulationsventils 66 auf einen Anfangswert festgelegt (Öffnungsgrad, bei dem kein Zirkulationsgas vorliegt).
  • In Schritt S65 bestimmt die ECU 24, ob die Leistungserzeugung durch die FC 40 stabil durchgeführt wird oder nicht. Bei der Bestimmung bestimmt, falls die von dem Zellspannungsmonitor 42 eingegebene niedrigste Zellspannung niedriger als die durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von der Durchschnittszellspannung (niedrigste Zellspannung < (Durchschnittszellspannung - vorbestimmte Spannung)) erhaltene Spannung ist, die ECU 24, dass die Leistungserzeugung der FC 40 nicht stabil ist. Zum Beispiel können experimentelle Werte, Simulationswerte oder dergleichen als die vorbestimmte Spannung verwendet werden.
  • Falls die Leistungserzeugung stabil ist (S65: JA), wird der momentane Prozess beendet. Falls die Leistungserzeugung nicht stabil ist (S65: NEIN), überwacht die ECU 24 in Schritt S66 die Durchflussmenge Qc [g/s] des Zirkulationsgases durch den Durchflussmengensensor 70, erhöht den Öffnungsgrad Oc des Zirkulationsventils 66 und erhöht die Durchflussmenge Qc um eine Stufe (siehe 20). 20 zeigt einen Fall, in dem, wenn das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist, die Durchflussmenge Qc auf die vierte Stufe auf die maximale Durchflussmenge erhöht wird.
  • Wenn der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 erhöht wird, wird in dem Ansauggas, das in die Luftpumpe 60 gesaugt wird, der Anteil des Zirkulationsgases erhöht. Das heißt, in dem Ansauggas wird der Anteil des Zirkulationsgases in dem Verhältnis zwischen der Frischluft (aus der Umgebung des Fahrzeugs angesaugte Luft) und dem Zirkulationsgas erhöht. Daher wird eine Verbesserung bei der Fähigkeit zum Verteilen von Sauerstoff auf alle Einheitszellen erreicht. Die Sauerstoffkonzentration des Zirkulationsgases (Kathodenabgas) ist niedrig im Vergleich zu der Sauerstoffkonzentration der Frischluft. Falls daher die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und der Öffnungsgrad Obp des Rückschlagventils 64 die gleichen vor und nach der Steuerung des Öffnungsgrads Θc des Zirkulationsventils 66 sind, wird die Sauerstoffkonzentration des durch den Kathodenkanal 74 strömenden Gases verringert.
  • Somit wird in Schritt S66 vorzugsweise zumindest die Steuerung zum Erhöhen der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 oder die Steuerung zum Verringern des Öffnungsgrads Θbp des Rückschlagventils 64 in Verbindung mit der Erhöhung der Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases derart implementiert, dass die in Schritt S63 berechnete Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird.
  • Zum Beispiel wird es in dem Fall bevorzugt, in dem die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases erhöht wird, die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 zu erhöhen, wodurch die Durchflussmenge der Frischluft erhöht wird. Durch diesen Betrieb wird, da die Durchflussmenge des in Richtung zu dem Kathodenkanal 74 strömenden Gases (gemischtes Gas aus der Frischluft und dem Zirkulationsgas) insgesamt erhöht wird, eine weitere Verbesserung der Fähigkeit zum Verteilen von Sauerstoff auf alle Einheitszellen erreicht und die Leistungserzeugungsleistung der FC 40 kann leicht wieder hergestellt werden.
  • Auf diese Weise wird, da das Zirkulationsgas mit der Frischluft gemischt wird, während die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird, der Volumenstrom (L/s) des durch den Kathodenkanal 74 strömenden Gases erhöht. Somit kann, da der Volumenstrom des Gases erhöht wird, während die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird, das Gas sanft auf den gesamten Kathodenkanal 74 verteilt werden, der in der FC 40 in einer komplizierten Weise ausgebildet ist. Das Gas kann auch leicht jeder Einheitszelle zugeführt werden und eine instabile Leistungserzeugung der FC 40 kann leicht vermieden werden. Ferner können Wassertropfen (z.B. kondensiertes Wasser), das an Oberflächen von MEAs (Membran-Elektroden-Anordnungen - membrane electrode assemblies) oder Wandflächen, die den Kathodenkanal 74 umgeben, anhaften, leicht entfernt werden.
  • In schritt S67 bestimmt die ECU 24, ob die von dem Durchflussmengensensor 70 erfasste Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases gleich oder mehr als der obere Grenzwert ist. Der obere Grenzwert, der als das Bestimmungskriterium dient, wird auf einen Wert festgelegt, bei dem der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 vollständig geöffnet ist.
  • In diesem Fall wird selbst dann, wenn in einem Fall, in dem sich der Öffnungsgrad Θc des Zirkulationsventils 66 nicht ändert, falls die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 erhöht wird, die von dem Durchflussmengensensor 70 erfasste Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases erhöht. Daher steht vorzugsweise der obere Grenzwert in Verbindung mit der Luftpumpendrehzahl Nap, das heißt, falls die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 hoch wird, wird der obere Grenzwert erhöht.
  • Falls bestimmt wird, dass die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases weniger ist als die obere Grenze (S67: NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt S65 zurück. Falls bestimmt wird, dass die Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases gleich oder mehr ist als die obere Grenze (S37: JA), schreitet der Prozess zu Schritt S68 fort.
  • In den Schritten S66 und S67 wird der Prozess basierend auf der direkt von dem Durchflussmengensensor 70 erfassten Durchflussmenge Qc des Zirkulationsgases ausgeführt. Alternativ kann der Prozess basierend auf dem Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc ausgeführt werden. Das heißt, in Schritt S66 kann der Zirkulationsventilöffnungsgrad Θc in Schrittgrößen einer Stufe (z.B. 30 °) erhöht werden und in Schritt S67 kann, falls das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist (S67: JA), der Prozess zu Schritt S68 weitergehen.
  • Ferner kann in diesem Fall die Durchflussmenge Qc [g/s] des Zirkulationsgases basierend auf dem Öffnungsgrad Oc des Zirkulationsventils 66, der Temperatur des Zirkulationsgases und dem Kennfeld in 21 berechnet werden. In der in 21 gezeigten Beziehung wird, wenn die Temperatur des Zirkulationsgases ansteigt, die Dichte des Zirkulationsgases niedrig und somit wird die Durchflussmenge Qc [g/s] niedrig.
  • In Schritt S68 bestimmt die ECU 24 in der gleichen Weise wie Schritt S65, ob die Leistungserzeugung stabil durchgeführt wird oder nicht. Falls die Leistungserzeugung stabil durchgeführt wird (S68: JA), wird der momentane Prozess beendet. Falls die Leistungserzeugung nicht stabil durchgeführt wird (S68: NEIN), erhöht die ECU 24 in Schritt S69 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt um eine Stufe (näher an die normale Konzentration). Genauer wird zumindest ein Erhöhen der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 oder ein Verringern des Öffnungsgrads Obp des Rückschlagventils 64 um eine Stufe durchgeführt.
  • In Schritt S70 bestimmt die ECU 24, ob die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder weniger als die Sollsauerstoffkonzentration der normalen I-V-Kennlinie ist (normale Sauerstoffkonzentration Conml). Falls die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder weniger als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S70: JA), kehrt der Prozess zu Schritt S68 zurück. Falls die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt mehr als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S70: NEIN), stoppt die ECU 24 in Schritt S71 den Betrieb der FC-Einheit 18. Das heißt, die ECU 24 stoppt die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu der FC 40, wodurch die Leistungserzeugung der FC 40 gestoppt wird. Dann schaltet die ECU 24 eine Alarmleuchte (nicht gezeigt) ein, um den Bediener zu benachrichtigen, dass es einen Fehler in der FC 40 gibt. Man sollte beachten, dass die ECU 24 elektrische Leistung von der Batterie 20 zu dem Motor 14 zuführt, um dem FC-Fahrzeug 10 zu erlauben, weiter zu fahren.
  • In dem zweiten Normalmodus wird wie oben beschrieben, wenn die Systemleistungsabgabe Psys relativ niedrig ist, die Zellspannung Vcell von dem elektrischen Potenzial v2 verringert. Auf diese Weise kann grundsätzlich die gesamte Systemleistungsabgabe Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt werden.
  • [FC-Leistungserzeugungssteuerung]
  • Wie oben beschrieben, steuert die ECU 24 als FC-Leistungserzeugungssteuerung (S4 der 5) Peripherieeinrichtungen des FC-Stapels 40, d. h. die Luftpumpe 60, das Rückschlagventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80. Insbesondere steuert die ECU 24 diese Einrichtungen unter Verwendung von in dem Energiemanagement (S3 der 5) berechneten Anweisungswerten (z.B. S64 der 16).
  • [Drehmomentsteuerung des Motors 14]
  • 22 ist ein Fließdiagramm einer Drehmomentsteuerung des Motors 14. In Schritt S81 liest die ECU 24 die Fahrzeuggeschwindigkeit V aus dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154 aus. In Schritt S82 liest die ECU 24 den Öffnungsgrad Op des Beschleunigungspedals 156 aus dem Öffnungsgradsensor 150 aus.
  • In Schritt S83 berechnet die ECU 24 das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p [Nm] des Motors 14 basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Öffnungsgrad Θp. Insbesondere ist ein Kennfeld von Daten, die eine Zuordnung der Fahrzeuggeschwindigkeit V und des Öffnungsgrads Op zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p angeben, in einem Speichermittel (nicht gezeigt) gespeichert und das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p wird basierend auf dem Kennfeld, der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Öffnungsgrad Op berechnet.
  • In Schritt S84 berechnet die ECU 24 eine Grenzausgabe (Motorgrenzausgabe Pm_lim) [W] des Motors 14, die gleich dem Grenzwert (elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim) [W] der elektrischen Leistung ist, die von dem FC-System 12 dem Motor 14 zugeführt werden kann. Insbesondere können die elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim und die Motorgrenzausgabe Pm_lim durch Subtrahieren der von den Hilfseinrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa von der Summe der elektrischen FC-Leistung Pfc von dem FC-Stapel 40 und dem Grenzwert (Grenzausgabe Pbat_lim) [W] der elektrischen Leistung, die von der Batterie 20 geliefert werden kann, berechnet werden (Pm_lim = Ps_lim ← Pfc + Pbt_lim - Pa).
  • In Schritt S85 berechnet die ECU 24 den Drehmomentgrenzwert Tlim [Nm] des Motors 14. Insbesondere wird ein Wert, der durch Teilen des Motorgrenzausgabe Pm_lim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V berechnet wird, als der Drehmomentgrenzwert Tlim verwendet (Tlim ← Pm_lim / V).
  • In Schritt S86 berechnet die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt [Nm]. Insbesondere bestimmt die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt durch Addieren einer Begrenzung basierend auf dem Drehmomentgrenzwert Tlim zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p. Falls zum Beispiel das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p gleich oder weniger als der Drehmomentgrenzwert Tlim ist (Ttgt_p ≤ Tlim), wird das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p direkt als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Ttgt_p). Falls das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p den Drehmomentgrenzwert Tlim übersteigt (Ttgt_p > Tlim), wird der Drehmomentgrenzwert Tlim als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Tlim).
  • Dann wird der Motor 14 unter Verwendung des berechneten Solldrehmoments Ttgt gesteuert.
  • Beispiele verschiedener Steuerungen
  • 23 zeigt ein Beispiel eines Ablaufdiagramms in einem Fall, in dem verschiedene Steuerungen gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden. Vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t5 wird, da die Temperatur Tw des Kühlwassers der Schwellwert THTw1 oder weniger ist, der Aufwärmmodus ausgewählt. Von einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t5 bis zum Zeitpunkt t6 wird, da die Temperatur Tw des Kühlwassers den Schwellwert THTw1 überschreitet, der Normalmodus ausgewählt.
  • Vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t3 wird, da die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 40 nicht stabilisiert wurde (S41 der 13: NEIN), die Soll-FC-Spannung Vfctgt schrittweise erhöht (S44). Von einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 ist eine Leistungserzeugung der FC 40 stabil (S41 der 13: JA) und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird festgesetzt.
  • Zum Zeitpunkt t4 erreicht die Temperatur Tw des Kühlwassers den Schwellwert THTw2 und dann wird ein Fahren des Fahrzeugs 10 möglich (S31: JA). Anschließend wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin festgelegt (S34).
  • Zum Zeitpunkt t5 erreicht die Temperatur Tw des Kühlwassers den Schwellwert THTw1. Dann wird das Aufwärmen der FC 40 beendet (S42: JA) und das FC-System 12 geht in den Normalmodus über.
  • Vorteile der vorliegenden Ausführungsform
  • Wie oben beschrieben, wird bei der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Aufwärmmodus und in dem zweiten Normalmodus, da die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf den ersten Minimalwert Vlmi1 oder dergleichen außerhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 festgelegt wird, verhindert, dass eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion des Katalysators häufig wiederholt in dem gleichen Zeitraum auftreten. Somit kann eine Degradation der FC 40 verhindert werden. Da insbesondere die FC-Spannung Vfc auf das elektrische Potenzial Vlmi1 innerhalb des Reduktionsbereichs R2 festgesetzt ist, in dem eine Degradation D relativ klein ist (und anschließend auf einen in Schritt S44 der 13 festgelegten Wert festgesetzt wird), wird es möglich, eine Degradation D weiter zu verringern. Zusätzlich wird es in dem Aufwärmmodus und in dem zweiten Normalmodus, da das stöchiometrische Luftverhältnis Rs (Sollsauerstoffkonzentration Cotgt) entsprechend der Systemleistungsabgabe Psys gesteuert wird, wodurch die FC 40 die von der Systemleistungsabgabe Psys benötigte Leistungsabgabe ausgibt, möglich, eine überschüssige Erzeugung von elektrischer Leistung und einen Mangel an erzeugter elektrischer Leistung in der FC 40 zu unterbinden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Fall, in dem eine Stabilität der Leistungserzeugung der FC 40 beeinträchtigt wird (S41 der 13: NEIN), die Soll-FC-Spannung Vfctgt (FC-Spannung Vfc) innerhalb eines Bereichs (Reduktionsbereich R2) unterhalb des Oxidationsreduktionsbereichs R3 erhöht (S44). In dem Fall, in dem eine Stabilität der Leistungserzeugung der FC 40 beeinträchtigt wird, kann durch Anheben der FC-Spannung Vfc der FC-Strom Ifc verringert werden. Da ferner das stöchiometrische Luftverhältnis Rs erhöht wird, wird es möglich, die Stabilität der Leistungserzeugung gewünscht beizubehalten.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der erste Minimalwert Vlmi auf die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin oder weniger festgelegt und das Aufwärmen wird durchgeführt, wobei die FC-Spannung Vfc auf den ersten Minimalwert Vlmi (oder eine Spannung, die die FC 40 stabilisiert) festgesetzt wird bis ein Normalbetrieb des FC-Systems 12 (FC 40) ermöglicht wird. Dann, wenn der Normalbetrieb des FC-Systems 12 (FC 40) ermöglicht ist, wird die FC-Spannung Vfc auf die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin eingestellt und dann wird das Aufwärmen durchgeführt. Somit können sowohl das schnelle Aufwärmen als auch der schnelle Betrieb des FC-Systems 12 erreicht werden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das FC-System 12 an dem Fahrzeug 10 montiert. Somit können eine hohe Haltbarkeit des FC-Fahrzeugs 10 und eine hohe Anlaufleistung des Fahrzeugs 10 geeignet erreicht werden.
  • Modifizierte Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann verschiedene Strukturen basierend auf der Beschreibung hierin einsetzen. Zum Beispiel kann die folgende Struktur eingesetzt werden.
  • [Anwendung des FC-Systems]
  • Obwohl das FC-System 12 in dem FC-Fahrzeug 10 bei der oben beschriebenen Ausführungsform montiert ist, ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Das FC-System 12 kann in anderen Gegenständen montiert sein. Zum Beispiel kann das FC-System 12 in beweglichen Gegenständen verwendet werden, wie beispielsweise Schiffen oder Flugzeugen. Alternativ kann das FC-System 12 bei Haushaltsstromversorgungsnetzen eingesetzt werden.
  • [Struktur des FC-Systems 12]
  • Bei der obigen Ausführungsform sind die FC 40 und die Hochspannungsbatterie 20 parallel angeordnet und der DC/DC-Wandler 22 ist auf der nahen Seite der Batterie 20 vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Zum Beispiel können, wie in 24 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein und ein Aufwärts-, Abwärts- oder Aufwärts- / Abwärts-DC/DC-Wandler 22 kann auf der nahen Seite der FC 40 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 25 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein und ein Aufwärts-, Abwärts- oder Aufwärts- / Abwärts-DC/DC-Wandler 200 kann auf der nahen Seite der FC 40 vorgesehen sein und der DC/DC-Wandler 22 kann auf der nahen Seite der Batterie 20 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 26 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 in Reihe vorgesehen sein und der DC/DC-Wandler 22 kann zwischen der Batterie 20 und dem Motor 14 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 27 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein, der DC/DC-Wandler 200 kann auf der nahen Seite des Motors 14 vorgesehen sein und der DC/DC-Wandler 22 kann auf der nahen Seite der Batterie 20 vorgesehen sein. Bei der Struktur der 27 steuert der DC/DC-Wandler 22 auf der nahen Seite der Batterie 20 die Ausgabe der FC 40 und der DC/DC-Wandler 200 auf der nahen Seite des Motors 14 steuert die an den Motor 14 angelegte Eingangsspannung. Somit kann selbst dann, wenn das Fahrzeug 10 in dem Aufwärmmodus fährt, die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf einen Wert kleiner als die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin festgelegt werden.
  • [Stöchiometrisches Verhältnis]
  • Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Mittel oder ein Verfahren zum Einstellen des stöchiometrischen Verhältnisses durch Einstellen der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt durchgeführt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Alternativ kann die Sollwasserstoffkonzentration eingestellt werden. Ferner kann anstelle der Sollkonzentration die Solldurchflussmenge oder sowohl die Sollkonzentration als auch die Solldurchflussmenge eingestellt werden.
  • Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist eine Struktur dargestellt, die die Luftpumpe 60 zum Zuführen von sauerstoffhaltiger Luft umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann eine Struktur eingesetzt werden, die eine Wasserstoffpumpe zum Zuführen von Wasserstoff umfasst.
  • Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist eine Struktur dargestellt, die einen Mischkanal (Leitungen 66a, 66b) zum Mischen des Kathodenabgases mit der Frischluft und das Zirkulationsventil 66 umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Anodenseite die gleiche Struktur aufweisen. Zum Beispiel kann ein Zirkulationsventil in der Leitung 48b zum Steuern der Durchflussmenge des mit dem frischen Wasserstoff gemischten Anodenabgases durch das Zirkulationsventil vorgesehen sein.
  • [Leistungsversorgungsmodus]
  • Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Temperatur Tw des Kühlwassers als ein Kriterium zum Bestimmen verwendet, ob der Aufwärmmodus durchgeführt werden sollte oder nicht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Jedes Kriterium zum Ermöglichen, die Temperatur der FC 40 zu schätzen, kann verwendet werden. Zum Beispiel kann zusätzlich zu oder anstelle der Temperatur Tw des Kühlwassers zumindest die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs 10, die Temperatur des Brenngases oder die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases verwendet werden.
  • Die obige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde in Verbindung mit dem Fall beschrieben, in dem der erste Minimalwert Vlmi1 niedriger als die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin ist (siehe 9). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Fall anwendbar, bei dem die minimale Motorantriebsspannung Vmotmin niedriger als der erste Minimalwert Vlmi ist. In diesem Fall wird zum Beispiel in dem Aufwärmmodus ungeachtet dessen, ob das Fahren des Fahrzeugs 10 erlaubt ist oder nicht, zuerst der erste Minimalwert Vlmi1 als die Soll-FC-Spannung Vfctgt festgelegt und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird erhöht bis eine Stabilität der FC 40 erhalten werden kann.
  • Bei der obigen Ausführungsform wird die anfängliche Soll-FC-Spannung Vfctgt zum Zeitpunkt des Aufwärmbetriebs auf den ersten Minimalwert Vlmi1 festgelegt. Alternativ kann jeder Wert in dem Nachbarbereich (z.B. 0,6 bis 0,7 V) als die anfängliche Soll-FC-Spannung Vfctgt festgelegt werden.
  • Bei der obigen Ausführungsform wird in dem Fall, in dem die Temperatur Tw des Kühlwassers in dem Aufwärmmodus weniger als der Schwellwert THTw2 ist, die anfängliche Soll-FC-Spannung Vfctgt auf den ersten Minimalwert Vlmi1 × Zellanzahl festgelegt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Zum Beispiel kann die anfängliche Soll-FC-Spannung Vfctgt auf jedes andere elektrische Potenzial in der Nähe des ersten Minimalwerts Vlmi1 innerhalb des Reduktionsbereichs R2 × Zellanzahl festgelegt werden.
  • [Sonstiges]
  • Bei der obigen Ausführungsform wird der Prozess des Aufwärmens während des Aufwärmbetriebs der FC 40 verwendet. Alternativ kann der Prozess des Aufwärmmodus während des Normalbetriebs verwendet werden. Das heißt, während eines normalen Fahrens kann die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf den ersten Minimalwert Vlmi1 (oder eine höhere Spannung, die die Leistungserzeugung der FC 40 stabilisiert) festgesetzt werden und das stöchiometrische Luftverhältnis Rs (Sollsauerstoffkonzentration Cotgt) kann in Abhängigkeit von der Systemleistungsabgabe Psys eingestellt werden.
  • In einem Fall, in dem ein Gaszufuhrsteuerungsmittel (24) eines FC-Systems (12) bestimmt, dass die Temperatur einer FC (40) eine vorbestimmte Temperatur oder weniger ist, setzt das Gaszufuhrsteuerungsmittel (24) die FC-Spannung Vfc auf einen Spannungswert innerhalb eines Spannungsbereichs fest, in dem eine Degradation relativ klein ist, wobei der Spannungswert unterhalb eines Spannungsbereichs ist, in dem eine Oxidationsreduktion fortschreitet. Ferner wird die Menge eines der FC (40) zugeführten Gases entsprechend einer von einem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung verändert.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems (12), wobei das Brennstoffzellensystem (12) umfasst: eine Brennstoffzelle (40), die einen Katalysator aufweist, zum Durchführen von Leistungserzeugung durch Induzieren einer Reaktion von Sauerstoff oder Wasserstoff an dem Katalysator; Gaszufuhrmittel (44, 60, 66) zum Zuführen von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff zu der Brennstoffzelle (40); ein Spannungssteuerungsmittel (22) zum Steuern einer Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle (40); einen Verbraucher (30), der durch von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird; und eine elektronische Steuerungseinheit (24), dafür eingerichtet, das Spannungssteuerungsmittel (22) zu steuern, wobei in einem Normalbetrieb, in dem die Temperatur (Tw) der Brennstoffzelle (40) die vorbestimmte Temperatur (THTw1) überschreitet, in einem ersten Normalmodus die Sollsauerstoffkonzentration (Cotgt) festgesetzt und die Sollspannung (Vfctgt) zum Steuern des Stroms (Ifc) eingestellt wird, und in einem zweiten Normalmodus die Spannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine erste festgesetzte Spannung (V2xZellanzahl) festgesetzt wird während ein Strom (Ifc) der Brennstoffzelle (40) variabel ist, und wobei in einem Aufwärmbetrieb, in dem die Temperatur (Tw) der Brennstoffzelle (40) die vorbestimmte Temperatur (THTw1) oder ein geringerer Wert ist, die Spannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine zweite festgesetzte Spannung (Vlim1×Zellanzahl) festgesetzt wird, wobei die elektronische Steuerungseinheit (24) im zweiten Normalmodus das Spannungssteuerungsmittel (22) zum Festsetzen einer Istspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (40) auf eine vorbestimmte Spannung außerhalb eines ersten Spannungsbereichs (R3) steuert, in dem eine Oxidationsreduktion des Katalysators fortschreitet, wobei die elektronische Steuerungseinheit (24) in einem Zustand, in dem die Istspannung (Vfc) auf diese Weise festgesetzt ist, dafür eingerichtet ist, die Gaszufuhrmittel (44, 60, 66) derart zu steuern, dass eine Konzentration von zumindest dem Sauerstoff oder dem Wasserstoff entsprechend von dem Verbraucher (30) benötigter elektrischer Leistung eingestellt wird, wobei, falls die elektronische Steuerungseinheit (24) bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle (40) eine vorbestimmte Temperatur oder weniger ist, die elektronische Steuerungseinheit (24) den Aufwärmmodus durchführt und dabei die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einen Spannungswert innerhalb eines zweiten Spannungsbereichs (R2), welcher ein Reduktionsbereich ist, festsetzt, in welchem eine Degradation kleiner ist als im ersten Spannungsbereich (R3), wobei der zweite Spannungsbereich (R2) unterhalb des ersten Spannungsbereichs (R3) ist, in dem eine Oxidationsreduktion fortschreitet, und eine Menge eines der Brennstoffzelle (40) zugeführten Gases entsprechend einer von dem Verbraucher (30) benötigten elektrischen Leistung verändert.
  2. Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems (12) nach Anspruch 1, wobei in einem Fall, in dem eine Stabilität der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (40) beeinträchtigt ist, basierend auf einer Bestimmung ob die niedrigste Zellspannung niedriger ist als die Differenz der Durchschnittszellspannung und einer vorbestimmten Spannung, die Spannung der Brennstoffzelle (40) innerhalb eines Spannungsbereichs unterhalb des Spannungsbereichs erhöht wird, in dem die Oxidationsreduktion fortschreitet.
  3. Verfahren zum Regeln/Steuern eines Brennstoffzellensystems (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Brennstoffzellensystem (12) in einem Fahrzeug (10) montiert ist.
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