DE102015115733B4 - Brennstoffzellensystem mit elektronischer Steuereinheit zum Regeln einer Betriebsgröße einer Zirkulationspumpe - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit elektronischer Steuereinheit zum Regeln einer Betriebsgröße einer Zirkulationspumpe Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend:eine Brennstoffzelle (20), die in einem Fahrzeug vorgesehen ist; undeine elektronische Steuereinheit, die konfiguriert ist, um festzustellen, ob eine Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich einer vordefinierten Menge ist, und, um eine Trockenheit der Brennstoffzelle (20) zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) erhöht wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist, wobeidas Brennstoffzellensystem (10) weiter aufweist:eine Brenngasleitung (43), durch die Brenngas der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird;eine Zirkulationsleitung (44), durch die von der Brennstoffzelle (20) ausgegebenes Brennabgas zu dem Brenngasdurchlass (43) zurückgeführt wird; undeine Zirkulationspumpe (45), die das Brennabgas in der Zirkulationsleitung (44) unter Druck zu der Brenngasleitung (43) fördert,wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um eine Betriebsgröße der Zirkulationspumpe (45) größer als eine normale Betriebsgröße zu machen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Betrag ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer elektronischen Steuereinheit zum Regeln einer Betriebsgröße einer Zirkulationspumpe.
  • 2. Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle, die mit Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird und elektrische Leistung generiert, wurde in die praktische Anwendung gebracht. In der Brennstoffzelle wird der Brennstoff durch einen elektrochemischen Prozess oxidiert und bei der Oxidationsreaktion freigesetzten Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die Brennstoffzelle enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung, in der paarweise Elektroden (eine Anode und eine Kathode) auf jeweiligen Seitenoberflächen einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind, durch die Wasserstoffionen selektiv transportiert werden. Jede der Elektroden ist aus einem durchlässigen Material ausgebildet. Jede der Elektroden enthält eine Katalysatorschicht, die die elektrochemische Reaktion unterstützt. Die Katalysatorschicht enthält einen Katalysator tragenden Kohlenstoff, d. h. Kohlenstoff, der einen Metallkatalysator, beispielsweise Platin, trägt, und ein Ionomer (eine Polymerelektrolyt), der Protonen und Sauerstoff überträgt.
  • Es ist bekannt, dass die Leistung der Leistungserzeugung bzw. Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle mit der oben beschriebenen Konfiguration aus folgendem Grund abnimmt, wenn die Brennstoffzelle ausgetrocknet ist. Die Konzentration von Wasserstoffperoxid steigt aufgrund der Trockenheit der Brennstoffzelle an und daher werden OH-Radikale generiert. Folglich werden die Ionomere, die in der Katalysatorschicht in jeder der Elektroden enthalten sind, und Fluorkomponenten der Elektrolytmembran zerlegt. Daher sinkt die Protonenleitfähigkeit der Ionomere und die Löslichkeit von Sauerstoff in den Ionomeren sinkt und als Ergebnis sinkt die Überspannung. Daher wurden kürzlich Technologien vorgeschlagen, um eine Trockenheit der Brennstoffzellen zu verhindern (siehe beispielsweise die JP 2008- 262 824 A ). In einem in der JP 2008- 262 824 A beschriebenen Brennstoffzellensystem wird, in einem Niedrig-Last Bereich, in dem eine Brennstoffzelle wahrscheinlich austrocknet, eine Wasserstoffpumpe betrieben, um Anodengas zu zirkulieren und dadurch eine Trockenheit einer Anode zu verhindern.
  • In dem in der JP 2008- 262 824 A beschriebenen Brennstoffzellensystem wird die Wasserstoffpumpe, wie oben beschrieben, betrieben, um Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern. In einem Fall jedoch, in dem ein solches Brennstoffzellensystem beispielsweise in einem Fahrzeug vorgesehen ist, wird das Betriebsgeräusch der Wasserstoffpumpe größer als ein externer Ton oder generiertes Geräusch, wenn das Fahrzeug bei niedriger Geschwindigkeit fährt (beispielsweise ein Geräusch der Reifen des Fahrzeugs und/oder ein Windgeräusch). Folglich kann sich ein Insasse des Fahrzeugs unbehaglich fühlen. Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme mit Zirkulationspumpe sind zudem aus der DE 196 48 995 A1 sowie der EP 2 202 835 A1 bekannt. Weitere Brennstoffzellensysteme werden in der DE 11 2008 003 019 T5 und der JP 2013- 239 350 A offenbart.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, in dem ein Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb zu einem angemessenen Zeitpunkt ausgeführt wird, ohne dass sich ein Insasse unbehaglich fühlt.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer in einem Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzelle; und einer elektronischen Steuereinheit, die konfiguriert ist, um festzustellen, ob eine Menge an Wasser in der Brennstoffzelle kleiner als oder gleich einer vordefinierten Menge ist, und um eine Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle erhöht wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration wird die Trockenheit der Brennstoffzelle nur verhindert, wenn i) die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (die Brennstoffelle in dem trockenen Zustand ist) und ii) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle vorgesehen ist, höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist (d.h., nur, wenn beide Bedingungen i) und ii) erfüllt sind). Folglich kann das Betriebsgeräusch einer Vorrichtung (beispielsweise einer Hilfseinrichtung), die verwendet wird, um eine Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern, durch ein Geräusch übertönt werden, das durch das Fahren des Fahrzeugs verursacht wird (beispielsweise Windgeräusche). Daher ist es möglich, eine Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern ohne einen Insassen unbehaglich fühlen zu lassen.
  • Das Brennstoffzellensystem hat ferner eine Brenngasleitung, durch die Brenngas der Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Zirkulationsleitung, durch die von der Brennstoffzelle ausgegebenes Brennabgas zu der Brenngasleitung zurückgeführt wird; und eine Zirkulationspumpe, welche das Brennabgas in der Zirkulationsleitung unter Druck zu der Brenngasleitung fördert. Die elektronische Steuereinheit ist konfiguriert, um eine Betriebsgröße der Zirkulationspumpe größer als eine normale Betriebsgröße zu machen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert in dem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration kann, wenn i) die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist (oder der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist) und ii) die Geschwindigkeit des bewegten Körpers, in dem die Brennstoffzelle vorgesehen ist, höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist (d.h., wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind), die Menge an Wasser in dem zu der Brennstoffzelle gelieferten Brenngas kann durch eine Vergrößerung der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe größer als die normale Betriebsgröße erhöht werden, so dass der Betrag des Brenngasabgases erhöht wird, das unter Druck zu der Brenngasleitung gefördert wird. D.h. der Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe kann als „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ eingesetzt werden. Da die von der Zirkulationspumpe verbrauchte elektrische Leistung viel geringer ist als die von dem Luftkompressor verbrauchte elektrische Leistung, ist es möglich, die Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern, während Brennstoff gespart wird. Wenn die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe erhöht wird, kann das Betriebsgeräusch der Zirkulationspumpe von dem durch die Bewegung des bewegten Körpers verursachtem Geräusch übertönt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Aspekt kann die elektronische Steuereinheit konfiguriert sein, um einen Referenzwert auf einen Durchschnitt von Impedanzen einzustellen, die in einem Zustand gemessen wurden, in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle größer als die vordefinierte Menge ist, und, um festzustellen, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist, wenn eine Differenz zwischen dem Referenzwert und einer aktuell gemessenen Impedanz größer als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration wird der Referenzwert auf den Durchschnitt der Impedanzen eingestellt, die in einem Zustand gemessen wurden, in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle größer als die vordefinierte Menge ist (beispielsweise ein vordefinierter, nicht trockener Leistungserzeugungszustand (d.h., ein Zustand, in dem elektrische Leistung unter einer vordefinierten Bedingung erzeugt wird, unter der die Brennstoffzelle nicht trocknen ist) während einer unmittelbar vorausgehenden Fahrt oder während einer aktuellen Fahrt). Die Trockenheitsfeststellung kann durchgeführt werden (d.h., es ist möglich, festzustellen, ob die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist), indem der Referenzwert und die aktuell gemessene Impedanz verglichen werden. D.h., die Impedanz in dem vordefinierten nicht-trockenen Leistungserzeugungszustand wird als der Referenzwert verwendet und die Trockenheitsfeststellung kann unter Verwendung des Referenzwertes durchgeführt werden. Auch wenn der Referenzwert aufgrund eines Alterungsprozesses der Brennstoffzelle verändert wird, kann die Trockenheitsfeststellung daher akkurat durchgeführt werden (d.h., es ist möglich, akkurat festzustellen, ob die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist).
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer in einem Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzelle, und einer elektronischen Steuereinheit, die konfiguriert ist, um festzustellen, ob ein Betriebszustand der Brennstoffzelle ein eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, in dem eine Menge an Wasser in der Brennstoffzelle absinkt und die Trockenheit der Brennstoffzelle verursacht wird, und um einen Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb auszuführen, um die Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle erhöht wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration wird der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb nur durchgeführt, wenn i) der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist (d.h., der Betriebszustand, in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle gesunken ist und die Trockenheit der Brennstoffzelle verursacht wird) und ii) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle vorgesehen ist, höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist (d.h., nur wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind). Folglich kann das Betriebsgeräusch einer Vorrichtung (beispielsweise einer Hilfseinrichtung), die verwendet wird, um den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb auszuführen, durch das Geräusch übertönt werden, das durch das Fahren des Fahrzeugs verursacht wird (beispielsweise ein Windgeräusch). Daher ist es möglich den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb auszuführen ohne einen Insassen unbehaglich fühlen zu lassen. Anstatt direkt festzustellen, ob die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist, wird der Betriebszustand der Brennstoffzelle festgestellt, und wenn der Betriebszustand der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, wird der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb ausgeführt. Daher ist es möglich das Auftreten der Trockenheit der Brennstoffzelle im Voraus zu verhindern.
  • Das Brennstoffzellensystem hat ferner eine Brenngasleitung, durch die Brenngas der Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Zirkulationsleitung, durch die von der Brennstoffzelle ausgegebenes Brennabgas zu der Brenngasleitung zurückgeführt wird; und eine Zirkulationspumpe, welche das Brennabgas in der Zirkulationsleitung unter Druck zu der Brenngasleitung fördert. Die elektronische Steuereinheit ist konfiguriert, um eine Betriebsgröße der Zirkulationspumpe größer als eine normale Betriebsgröße zu machen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert in dem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration kann, wenn i) die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist (oder der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist) und ii) die Geschwindigkeit des bewegten Körpers, in dem die Brennstoffzelle vorgesehen ist, höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenz¬wert ist (d.h., wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind), die Menge an Wasser in dem zu der Brennstoffzelle gelieferten Brenngas kann durch eine Vergrößerung der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe größer als die normale Betriebsgröße erhöht wer¬den, so dass der Betrag des Brenngasabgases erhöht wird, das unter Druck zu der Brenn¬gasleitung gefördert wird. D.h. der Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulations¬pumpe kann als „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ eingesetzt werden. Da die von der Zirkulationspumpe verbrauchte elektrische Leistung viel geringer ist als die von dem Luftkompressor verbrauchte elektrische Leistung, ist es möglich, die Trockenheit der Brennstoffzelle zu verhindern, während Brennstoff gespart wird. Wenn die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe erhöht wird, kann das Betriebsgeräusch der Zirkulationspumpe von dem durch die Bewegung des bewegten Körpers verursachtem Geräusch übertönt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem nach dem zweiten Aspekt kann die elektronische Steuereinheit konfiguriert sein, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, wenn ein von der Brennstoffzelle generierter Strom kleiner als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist und der generierte Strom für eine vordefinierte Zeitdauer oder länger fortdauernd fließt.
  • Mit der oben genannten Konfiguration kann, wenn i) der durch die Brennstoffzelle generierte Strom in dem Niedrig-Last Bereich ist (d.h., der generierte Strom kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist) und ii) der generierte Strom für eine vordefinierte Zeitspanne oder länger fortdauernd fließt, festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist. D.h., dass es möglich ist, die Auftretenswahrscheinlichkeit (Möglichkeit) einer Trockenheit festzustellen, anstatt direkt auf Basis beispielsweise der gemessenen Impedanz festzustellen, ob die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist. Folglich ist es sogar in dem Niedrig-Last Bereich, in dem die Veränderung der Impedanz gering ist, möglich, im Voraus ein Auftreten der Trockenheit zu verhindern.
  • In dem Brennstoffzellensystem nach dem zweiten Aspekt kann die elektronische Steuereinheit konfiguriert sein, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle in dem eine Trockenheit verursachenden Betriebszustand ist, wenn eine Sinkrate einer Last der Brennstoffzelle oder eine Sinkrate einer Ausgabe der Brennstoffzelle größer als ein vordefinierter Grenzwert ist.
  • In einem Fall, in dem die Last der Brennstoffzelle (benötigte elektrische Leistung) von einer hohen Last zu einer niedrigen Last stark absinkt, wird eine große Menge des Reaktionsgases (insbesondere Luft als das Oxidationsgas) der Brennstoffzelle zugeführt, wenn die Last hoch ist, und es gibt einen Überschuss des Reaktionsgases, wenn die Last niedrig wird. Daher wird geschätzt, dass die Brennstoffzelle in den trockenen Zustand aufgrund des Überschusses des Reaktionsgases gebracht wird. Daher wird die Sinkrate der Last der Brennstoffzelle (ein Abnahmebetrag der Last auf der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit) oder die Sinkrate der Ausgabe der Brennstoffzelle (ein Abnahmebetrag der Ausgabe der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit) berechnet, und wenn die berechnete Sinkrate der Last (Ausgabe) größer als der vordefinierte Grenzwert ist, kann festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist.
  • In dem Brennstoffzellensystem nach dem zweiten Aspekt kann die elektronische Steuereinheit konfiguriert sein, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist.
  • Mit der oben genannten Konfiguration kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ hoch ist (die Temperatur höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist), festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle der Trockenheit-Verhinderungs-Betriebszustand ist. D.h., es ist möglich die Auftretenswahrscheinlichkeit (Möglichkeit) einer Trockenheit auf Basis der Temperatur der Brennstoffzelle festzustellen, anstatt direkt beispielsweise auf Basis der gemessenen Impedanz festzustellen, ob die Brennstoffzelle in dem trockenen Zustand ist. Folglich ist es auch in dem Niedrig-LastBereich, in dem die Änderung der Impedanz gering ist, möglich, ein Auftreten der Trockenheit im Voraus zu verhindern.
  • Nach dem oben genannten ersten und zweiten Aspekt der Erfindung ist es möglich, das Brennstoffzellensystem, in dem der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb zu einem angemessenen Zeitpunkt durchgeführt wird, vorzusehen, ohne dass sich der Insasse unbehaglich fühlt.
  • Figurenliste
  • Merkmale, Vorteile und technische sowie wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen und wobei:
    • 1 ein erklärendes Diagramm ist, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
    • 2 ein Flussdiagramm ist, das ein Betriebsverfahren für das Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung erklärt;
    • 3 ein Flussdiagramm ist, das einen eine Trockenheit feststehenden Prozess in dem in 2 gezeigten Betriebsverfahren erklärt;
    • 4 ein Flussdiagramm ist, das ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erklärt;
    • 5 ein Flussdiagramm ist, das einen Betrieb feststellenden Prozess in dem in 4 gezeigten Betriebsverfahren erklärt; und
    • 6 ein Zeitdiagramm ist, das einen Zeitverlauf eines Befehlswerts und eines gemessenen Wertes eines der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibungen betreffend Positionsbeziehungen in einer Oben-Unten-Richtung, einer Rechts-Links-Richtung, und ähnlichem basieren auf den in den Zeichnungen gezeigten Positionsbeziehungen, wenn nicht anders spezifiziert. Die dimensionalen Verhältnisse sind nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten dimensionalen Verhältnisse begrenzt. Weiter ist jede der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eine beispielhafte Ausführungsform, um die Erfindung zu beschreiben, und daher ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen begrenzt. Weiter können verschiedene Modifizierungen der Ausführungsformen vorgenommen werden ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • (Erste Ausführungsform) Zuerst werden ein Brennstoffzellensystem 10 und ein Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die 1 und 3 beschrieben.
  • Eine Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 nach der Ausführungsform wird mit Bezug zu 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 fungiert als ein im Fahrzeug vorgesehenes Leistungs-Versorgungs-System das beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug als ein bewegter Körper vorgesehen ist. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält eine Brennstoffzelle 20, die mit Reaktionsgas (Brenngas oder Oxidationsgas) versorgt wird und elektrische Leistung generiert; ein OxidationsgasversorgungsSystem 30, das Luft als das Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle 20 fördert; ein Brenngasversorgungs-System 40, das Wasserstoffgas als Brenngas zu der Brennstoffzelle 20 liefert; ein elektrisches Leistungs-System 50, das ein Aufladen/Entladen der elektrischen Leistung steuert; und einen Kontroller 60, der das gesamte Brennstoffzellensystem 10 steuert.
  • Die Brennstoffzelle 20 ist ein Fest-Polymer-Elektrolyt Zellenstapel, in dem eine Vielzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle 20 läuft eine Oxidationsreaktion, die durch einen nachfolgend beschriebenen Ausdruck (1) dargestellt ist, an einer Anode ab, und eine Reduktionsreaktion, die durch einen nachfolgend beschriebenen Ausdruck (2) dargestellt ist, läuft an der Kathode ab. In der gesamten Brennstoffzelle (20) läuft eine elektrogene (elektrochemische) Reaktion durch einen nachfolgend beschriebenen Ausdruck (3) ab. H2 → 2H+ + 2e- (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O (2) H2 + (1/2) O2 → H2O (3)
  • Jede der die Brennstoffzelle 20 bildenden Zelle enthält eine Polymer-Elektrolyt-Membran, eine Anode bzw. Anodenelektrode, eine Kathode bzw. Kathodenelektrode und Separatoren. Die Polymer-Elektrolyt-Membran ist zwischen der Anode und der Kathode eingeklemmt, d.h. die Anode und die Kathode sind an jeweiligen Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran vorgesehen. Daher ist eine Sandwichstruktur ausgebildet. Jeder der Separatoren ist durch ein gasundurchlässiges leitfähiges Element gebildet. Die Anode und Kathode sind zwischen den Separatoren eingeklemmt, d.h., die Separatoren sind an jeweiligen Seiten der Anode und Kathode vorgesehen. Eine Brenngasleitung ist zwischen dem Separator und der Anode vorgesehen und eine Oxidationsgasleitung ist zwischen dem Separator und der Kathode vorgesehen.
  • Jede der Anode und Kathode enthält eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Die Katalysatorschicht enthält einen den Katalysator tragenden Kohlenstoff, d.h. Kohlenstoff, der Edelmetallteilchen trägt, die als Katalysator fungieren, wie beispielsweise Platin basierte Edelmetallteilchen, und ein Polymerelektrolyt. Als das Platin basierte Material, aus dem die Edelmetallteilchen bestehen, kann beispielsweise ein Metallkatalysator (beispielsweise Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni oder Pt-Ru) verwendet werden. Als der den Katalysator tragenden Kohlenstoff kann beispielsweise Ruß verwendet werden. Als der Polymerelektrolyt kann beispielsweise ein Protonen leitendes Ionenaustauschharz verwendet werden, das ein Perfluorcarbon Schwefelsäurepolymer enthält, das ein fluoriertes Harz ist, ein sulfoniertes Poly (Arylethersulfon) Copolymer (BPSH), das ein nichtfluoriertes Harz ist, oder ähnliches. Jedes der Perfluorcarbon Schwefelsäurepolymer und BPSH enthält eine Sulfonsäuregruppe. D.h., diese Harze haben ionische Eigenschaften und daher werden diese Harze „Ionomere (Ion + Polymer)“ genannt. Die Gasdiffusionsschicht ist auf der Oberfläche der Katalysatorschicht vorgesehen und ist luftdurchlässig und elektrisch leitfähig. Die Gasdiffusionsschicht ist aus Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz, der aus aus Kohlenstofffasern gewonnen Fäden gewebt ist.
  • Die Polymer-Elektrolyt-Membran ist eine Protonen leitende Ionenaustausch-Membran aus einem festen Polymermaterial, beispielsweise fluoriertes Harz, gebildet. Die Polymer-Elektrolyt-Membran weist gute elektrische Leitfähigkeit in einem feuchten Zustand auf. Die Polymer-Elektrolyt-Membran, die Anode und die Kathode bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung.
  • Wie in 1 gezeigt, sind ein Spannungssensor 71, der die von der Brennstoffzelle 20 ausgegebene Spannung (die Brennstoffzellenspannung (FC-Spannung)) erfasst, und ein Stromsensor 72, der den von der Brennstoffzelle 20 ausgegeben Strom erfasst (den Brennstoffzellenstrom (FC Strom)), mit der Brennstoffzelle 20 verbunden.
  • Das Oxidationsgaszuführungssystem 30 enthält eine Oxidationsgasleitung 33 und eine Oxidationsabgasleitung 34. Das Oxidationsgas, das zu der Kathode der Brennstoffzelle 20 geliefert wird, fließt durch die Oxidationsgasleitung 33. Das Oxidationsabgas, das von der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wird, fließt durch die Oxidationsabgasleitung 34. In der Oxidationsgasleitung 33 sind ein Luftkompressor 32 (eine Oxidationsgaslieferquelle) und ein Sperrventil A1 vorgesehen. Der Luftkompressor 32 nimmt das Oxidationsgas aus der Luft auf und das Sperrventil A1 sperrt die Versorgung des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle 20. In der Oxidationsabgasleitung 34 sind ein Sperrventil A2 und ein Gegendruck-Einstell-Ventil A3 vorgesehen. Das Sperrventil A2 sperrt die Ausgabe von Oxidationsabgas von der Brennstoffzelle 20. Das Gegendruck-Einstell-Ventil A3 stellt den für die Versorgung des Oxidationsgases benötigten Druck ein.
  • Das Brenngasversorgungssystem 40 enthält eine Brenngasversorgungsquelle 41, eine Brenngasleitung 43, eine Zirkulationsleitung 44, eine Zirkulationspumpe 45 und eine Ausgabeleitung 46. Das Brenngas, das von der Brenngasversorgungsquelle 41 der Anode der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, fließt durch die Brenngasleitung 43. Das Brennabgas, das von der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wird, wird zu der Brenngasleitung 43 durch die Zirkulationsleitung 44 zurückgeführt. Die Zirkulationspumpe 45 fördert unter Druck das Brennabgas in der Zirkulationsleitung 44 zu der Brenngasleitung 43. Die Ausgabeleitung 46 ist mit der Zirkulationsleitung 44 verbunden, so dass er von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt.
  • Die Brenngasversorgungsquelle 41 enthält beispielsweise einen Hochdruck-Wasserstofftank oder eine wasserstoffspeichernde Legierung. Die Brenngasversorgungsquelle 41 speichert Wasserstoffgas bei hohem Druck (beispielsweise 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt das Brenngas von der Brenngasversorgungsquelle 41 und fließt zu der Brenngasleitung 43. Der Druck des Brenngases wird auf beispielsweise 200 kPa durch einen Regler H2 und einen Injektor 42 reduziert und dann wird das Brenngas der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
  • Ein Sperrventil H4 und die Ausgabeleitung 46 sind mit der Zirkulationsleitung 44 verbunden. Das Sperrventil H4 sperrt die Ausgabe des Brennabgases von der Brennstoffzelle 20. Die Ausgabeleitung 46 verzweigt sich von der Zirkulationsleitung 44. In der Ausgabeleitung 46 ist ein Ausgabeventil H5 vorgesehen. Das Ausgabeventil H5 wird in Abhängigkeit von einem Befehl des Kontrollers 60 betrieben, so dass das Brenngasabgas und das Wasser (Feuchtigkeit) in der Zirkulationsleitung 44 zu der Außenseite ausgegeben (gespült) werden, wobei das Brennabgas Verunreinigungen enthält.
  • Das über das Ausgabeventil H5 ausgegebene Brennabgas wird mit dem Oxidationsabgas vermischt, das durch die Oxidationsabgasleitung 34 fließt und das vermischte Abgas wird durch einen Verdünner (nicht dargestellt) verdünnt. Die Zirkulationspumpe 45 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brennabgas in einem Zirkulationssystem zu zirkulieren, so dass das Brennabgas zirkuliert wird und der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird.
  • Das elektrische Leistungssystem 50 enthält einen DC-DC-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebsumrichter 53, einen Antriebsmotor 54 und Hilfseinrichtungen 55. Der DC-DC-Wandler 51 hat die Funktion, die DC-Spannung (Gleichstromspannung), die von der Batterie 52 geliefert wird, zu erhöhen und die erhöhte DC-Spannung an den Antriebsumrichter 53 auszugeben, und hat die Funktion, die Spannung der DC-Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 generiert wird, oder die Spannung der Regenerativen-Leistung, die durch den Antriebsmotor 54 über regeneratives Bremsen generiert wird, herunterzusetzen und die Batterie 52 mit der DC-Leistung oder der Regenerativen-Leistung zu laden.
  • Die Batterie 52 fungiert beispielsweise als eine Speicherquelle, die einen Überschuss an elektrischer Leistung speichert und als eine Speicherquelle, die regenerative Energie während des regenerativen Bremsens speichert. Die Batterie 52 fungiert auch als ein Energiepuffer, wenn eine Last aufgrund einer Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs variiert. Als die Batterie 52 kann eine Sekundärbatterie, wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithium-Sekundärbatterie verwendet werden. Ein SOC Sensor 73 ist mit der Batterie 52 verbunden. Der SOC Sensor 73 erfasst den Ladezustand (SOC = State of Charge) der Batterie 52, d.h., die verbleibende Kapazität der Batterie 52.
  • Der Antriebsumrichter 53 ist beispielsweise ein Pulsweitenmodulation-(PWM)-Wandler, der in der Pulsweitenmodulation betrieben wird. Der Antriebsumrichter 53 wandelt die DC-Spannung, die von der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, in Abhängigkeit eines Steuerbefehls von dem Kontroller 60 in eine 3-Phasen-AC-Spannung (Drei-Phasen-Wechselspannung) um und daher steuert der Antriebsumrichter 53 das Rotationsmoment des Antriebsmotors 54. Der Antriebsmotor 54 ist beispielsweise ein 3-Phasen-AC-Motor und bildet eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • Die Hilfseinrichtungen 55 enthalten Motoren, die in Abschnitten in dem Brennstoffzellensystem 10 angeordnet sind, Umrichter, die den Motor antreiben, und verschiedene Fahrzeuggestützte Hilfseinrichtungen (beispielsweise den Luftkompressor 32, den Injektor 42, die Zirkulationspumpe 45, einen Radiator und eine Kühlmittelzirkulationspumpe).
  • Der Kontroller 60 ist ein Computersystem (d.h.: eine elektronische Steuereinheit (ECU)), das eine zentrale Recheneinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM) und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle enthält. Der Kontroller 60 steuert Abschnitte des Brennstoffzellensystems 10. Wenn der Kontroller 60 beispielsweise ein von einem Zündschalter ausgegebenes Startsignal IG erhält, startet der Kontroller 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und ermittelt die in dem gesamten Brennstoffzellensystem 10 benötigte elektrische Leistung, beispielsweise auf der Basis eines Beschleunigerbetätigungsbetragssignals ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, und eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird. Die in dem gesamten Brennstoffzellensystem 10 benötigte elektrische Leistung ist die Summe aus der elektrischen Leistung des fahrenden Fahrzeugs, d.h. die benötigte elektrische Leistung, um das Fahrzeug fahren zu lassen, und die elektrische Leistung für die Hilfseinrichtungen.
  • Die elektrische Leistung für die Hilfseinrichtungen enthält beispielsweise die elektrische Leistung, die durch die Fahrzeuggestützte Hilfseinrichtungen verbraucht wird (beispielsweise den Luftkompressor 32, die Zirkulationspumpe 45 und die Kühlmittelzirkulationspumpe), die elektrische Leistung, die durch für das Fahren des Fahrzeugs benötigte Vorrichtungen (beispielsweise ein Getriebe, eine Radkontrollvorrichtung, eine Lenkvorrichtung und eine Aufhängung) verbraucht wird und die elektrische Leistung, die durch in einer Fahrgastzelle angeordnete Vorrichtungen verbraucht wird (beispielsweise eine Klimatisierungsvorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Audiovorrichtung).
  • Der Kontroller 60 ordnet die benötigte elektrische Leistung der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52 zu, d.h. der Kontroller 60 legt die von der Brennstoffzelle 20 auszugebende elektrische Leistung und die von der Batterie 52 auszugebende elektrische Leistung fest. Dann steuert der Kontroller 60 das Oxidationsgasversorgungssystem 30 und das Brenngasversorgungssystem 40, so dass die elektrische Leistung (elektrische Energie), die von der Brennstoffzelle 20 generiert wird, mit dem Zielwert übereinstimmt, und steuert den DC-DC Wandler 51, um die von der Brennstoffzelle 20 ausgegebene Spannung anzupassen, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgabespannung, der Ausgabestrom) der Brennstoffzelle 20 gesteuert wird.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 10 betrieben wird, durchqueren Wasserstoffionen, die an der Anode, wie in dem Ausdruck (1) dargestellt, generiert werden, die Elektrolytmembran und bewegen sich zu der Kathode, und die Wasserstoffionen, welche die Kathode erreicht haben, reagieren, wie in dem Ausdruck (2) dargestellt, elektrochemisch mit Sauerstoff in dem Oxidationsgas, das der Kathode zugeführt wird und folglich tritt die Reaktion ein, um Sauerstoff zu reduzieren, um Wasser zu generieren.
  • Der Kontroller 60 stellt fest, ob die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich einer vordefinierten Menge ist (d.h., ob die Brennstoffzelle 20 in einem trockenen Zustand ist). D.h., der Kontroller fungiert als eine Feststellungseinheit nach der Erfindung. Wenn der Kontroller 60, als Ergebnis der Durchführung der Trockenheitsfeststellung, feststellt, dass die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist, erfasst (stellt fest) der Kontroller 60 die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 20 vorgesehen ist, unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors. Wenn die erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist, erhöht der Kontroller 60 die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20, um eine Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern. D.h., der Kontroller 60 fungiert auch als eine Trockenheit-Verhinderungs-Einheit nach der Erfindung. In der Ausführungsform wird, wie später beschrieben, ein Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 als ein „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ eingesetzt.
  • Wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (d.h., die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist), erfasst und legt der Kontroller 60 in der Ausführungsform die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors fest. Jedoch ist die Art und Weise, mit der die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs festgestellt wird, nicht auf die oben genannte Art und Weise beschränkt. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs konstant unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfasst werden, und wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (d.h., die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist), kann der Kontroller 60 die Geschwindigkeit feststellen, indem die erfasste Geschwindigkeit ausgelesen wird.
  • Nachfolgend wird ein Betriebsverfahren zur Verhinderung der Trockenheit in dem Brennstoffzellensystem 10 nach der Ausführungsform bezugnehmend auf die Flussdiagramme in 2 und 3 beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt, stellt der Kontroller 60 des Brennstoffzellensystems 10 während dem Betrieb zuerst fest, ob die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (d.h. ob die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist) (ein Feststellungsprozess: S10). Der Feststellungsprozess S10 wird im Detail bezugnehmend auf 3 beschrieben.
  • In dem Feststellungsprozess S10 wird zuerst ein Referenzwert auf einen Durchschnitt von in einem Zustand gemessenen Impedanzen eingestellt, in der die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 größer als die vordefinierte Menge ist, beispielsweise in einem vordefinierten nicht-trockenen leistungsgenerierenden Zustand (d.h., einem Zustand, in dem elektrische Leistung unter vordefinierten Bedingungen, unter denen die Brennstoffzelle 20 nicht trocken ist, generiert wird) während einer vorhergehenden Fahrt (einer unmittelbar vorausgehenden Fahrt) (ein Referenzwert-Einstellungsprozess: S.11). In der Ausführungsform wird der Leistung generierende Zustand (d.h., der Zustand, in dem elektrische Leistung generiert wird) zu dem Zeitpunkt, wenn i) der von der Brennstoffzelle 20 generierte Strom in einem vordefinierten Bereich (IA bis IB) ist und ii) die Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einem vordefinierten Bereich (Tc bis TD) ist, nachdem die Brennstoffzelle 20 gestartet wurde (d.h., nachdem der Zündschalter eingeschalten wurde), als der „nicht-trockene leistungserzeugende Zustand“ betrachtet. D.h., der leistungserzeugende Zustand zu dem Zeitpunkt, wenn die Bedingungen i) und ii) erfüllt sind, nachdem die Brennstoffzelle 20 gestartet wurde, wird als der „nicht-trockene leistungserzeugende Zustand“ bezeichnet. In dem Referenzwert-Einstellungsprozess S11, zeichnet der Kontroller 60 einen Referenzwert (Zbase) auf, der auf den Durchschnitt aus einer Vielzahl von in einem nicht-trockene leistungsgenerierenden Zustand gemessenen Impedanzen in einer vordefinierten Zeitspanne (td), während der vorherigen Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs, eingestellt wird.
  • In der Ausführungsform wird der Referenzwert auf den Durchschnitt der während der „vorherigen (unmittelbar vorausgehenden)“ Fahrt gemessenen Impedanzen eingestellt. Jedoch kann der Referenzwert auch auf den Durchschnitt der in „einer Vielzahl von vorherigen Fahrten (beispielsweise fünf vorherigen Fahrten)“ gemessenen Impedanzen eingestellt werden, oder kann auf den Durchschnitt der in einer vordefinierten Zeitspanne (beispielsweise fünf Minuten) in einem früheren Abschnitt der „aktuellen“ Fahrt gemessenen Impedanzen eingestellt werden, wenn die aktuelle Fahrt relativ lang ist.
  • Nach dem Referenzwert-Einstellprozess S11 stellt der Kontroller 60 fest, ob eine Differenz (ΔZ) zwischen dem Referenzwert (Zbase) und einer aktuell gemessenen Impedanz (Znow) größer als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert (ΔZth) ist (ein Impedanz-Feststellprozess: S12). Wenn die Differenz (ΔZ) kleiner als der vordefinierte Grenzwert (ΔZth) ist, stellt der Kontroller 60 fest, dass die Brennstoffzelle 20 in dem nicht trockenen Zustand ist und behält den Betrieb bei, der durchgeführt wurde (ein Nicht-Trockenheit-Ausgabeprozess: S14). Im Gegensatz dazu stellt der Kontroller fest, wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die Differenz (ΔZ) größer als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert (ΔZth) ist, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (d.h., die Brennstoffzelle 20 in dem trockenem Zustand ist) (ein Trockenheit-Ausgabeprozess S13).
  • Wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist (d.h., die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist), erfasst (stellt fest) der Kontroller 60 die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 20 vorgesehen ist, unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors, wie in 2 dargestellt (ein Geschwindigkeit-Erfassungsprozess: S20). Dann stellt der Kontroller 60 fest, ob die im Geschwindigkeit-Erfassungsprozess S20 erfasste Geschwindigkeit größer als oder gleich dem vordefinierten Grenzwert ist (ein Geschwindigkeit-Feststellprozess S30). Wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die erfasste Geschwindigkeit kleiner als der vordefinierte Grenzwert ist, führt der Kontroller 60 nicht den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb aus und hält den Betrieb bei, der ausgeführt wurde. Wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die in dem Geschwindigkeit-Erfassungsprozess S20 erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, führt der Kontroller 60 dagegen den Trockenheit-Verhinderungs-Prozess durch, um die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern (zu eliminieren) (ein Trockenheit-Verhinderungs-Prozess: S40).
  • Noch genauer: Wenn die unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefinierten Grenzwert ist, erhöht der Kontroller 60 in dem Trockenheit-Verhinderungs-Prozess S40 die Menge an Wasser, die in dem der Brennstoffzelle 20 zugeführtem Brenngas enthalten ist, indem die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 größer als eine normale Betriebsgröße gemacht wird (die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 zu einem normalen Zeitpunkt), so dass der Betrag von Brennabgas vergrößert wird, das unter Druck zu der Brenngasleitung 43 gefördert wird.
  • Die „normale“ Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 (d.h., die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 zu einem „normalen Zeitpunkt“) kennzeichnet die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45, um das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff (beispielsweise etwa 1,2 bis 2,0), das benötigt wird, um die normale Leistungsgenerierung durchzuführen. Wenn der Kontroller 60 feststellt, dass die unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, erhöht der Kontroller 60 die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45, so dass der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff ein Wert (beispielsweise etwa 2,5 bis 4,0) größer als das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff zu einem normalen Zeitpunkt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff entsprechend der Differenz (ΔZ) zwischen dem Referenzwert (Zbase) der Impedanz und der aktuell gemessenen Impedanz (Znow) verändert werden. Wenn beispielsweise die Differenz (ΔZ) relativ groß ist, kann das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff auf einen relativ großen Wert (beispielsweise etwa 4,0) eingestellt werden, und wenn die Differenz (ΔZ) relativ klein ist, kann das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff auf einen relativ kleinen Wert (beispielsweise etwa 2,5) eingestellt werden. Indem das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff in der oben genannten Art und Weise verändert wird, kann der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb entsprechend dem Grad der Trockenheit durchgeführt werden.
  • Wenn eine vordefinierte Endbedingung erfüllt ist, beendet der Kontroller 60 dann den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb. Als die Endbedingung kann beispielsweise 1) eine Bedingung verwendet werden, bei der die Differenz (ΔZ) zwischen dem Referenzwert (Zbase) und der aktuell gemessenen Impedanz (Znow) kleiner als der vordefinierte Grenzwert (ΔZth) wird oder 2) eine Bedingung, bei der die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs kleiner als der vordefinierte Grenzwert ist.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10 nach der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb nur durchgeführt, wenn i) die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist und ii) die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist (d.h., nur wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind). Entsprechend kann das Betriebsgeräusch der für die Durchführung des Trockenheit-Verhinderungs-Betriebes verwendeten Vorrichtung (die Zirkulationspumpe 45) durch den Ton oder das Geräusch übertönt werden, das durch das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs verursacht wird (beispielsweise ein Geräusch von Rädern oder ein Windgeräusch). Daher ist es möglich, den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb durchzuführen, ohne, dass sich ein Insasse des Brennstoffzellenfahrzeugs unbehaglich fühlt.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10 nach der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Referenzwert auf den Durchschnitt der in dem Zustand gemessenen Impedanzen eingestellt, in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 größer als die vordefinierte Menge ist (d.h., in dem vordefinierten nicht-trockenen leistungsgenerierenden Zustand der vorhergehenden Fahrt (der unmittelbar vorausgehenden Fahrt)), und die Feststellung der Trockenheit kann durchgeführt werden, indem der Referenzwert und die aktuell gemessene Impedanz verglichen werden. D.h., der unmittelbar vorausgehende Wert der Impedanz in dem nicht-trockenen leistungsgenerierenden Zustand kann als der Referenzwert verwendet werden, und die Feststellung der Trockenheit kann unter Verwendung des Referenzwertes durchgeführt werden. Auch wenn sich der Referenzwert aufgrund eines Alterungsprozesses der Brennstoffzelle 20 verändert, ist es daher möglich, die Feststellung der Trockenheit akkurat durchzuführen.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10 der oben beschriebenen Ausführungsform kann, wenn die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist und die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, die in dem der Brennstoffzelle 20 zugeführten Brenngas enthaltene Menge an Wasser erhöht werden, indem die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 größer als die normale Betriebsgröße gemacht wird, um die Menge des Brennabgases, dass unter Druck zu der Brenngasleitung 43 gefördert wird, zu erhöhen. Da die von der Zirkulationspumpe 45 verbrauchte elektrische Leistung viel geringer als die von dem Luftkompressor 32 verbrauchte elektrische Leistung ist, ist es möglich die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern, während der Brennstoff eingespart wird. Wenn die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 erhöht wird, kann, wie oben beschrieben, das Betriebsgeräusch der Zirkulationspumpe 45 durch den durch die Bewegung des Brennstoffzellenfahrzeugs verursachten Ton oder das Geräusch übertönt werden.
  • (Zweite Ausführungsform) Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit Bezug zu 4 und 5 beschrieben. In einem Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführungsform ist die Funktion (Steuerprogramm) eines Kontrollers von dem Kontroller 60 des Brennstoffzellensystems 10 nach der ersten Ausführungsform verschieden. Die Konfiguration der anderen Abschnitte des Brennstoffzellensystems nach der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen die gleiche wie in der Konfiguration der entsprechenden Abschnitte des Brennstoffzellensystems nach der ersten Ausführungsform, und daher wird die Darstellung der Systemkonfiguration nach der zweiten Ausführungsform ausgelassen. Weiter sind die gleichen Abschnitte der zweiten Ausführungsform, die denen der ersten Ausführungsform entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform gekennzeichnet, und die detaillierte Beschreibung dieser wird ausgelassen.
  • Der Kontroller des Brennstoffzellensystems nach der zweiten Ausführungsform (nachfolgend wird der Kontroller in der zweiten Ausführungsform durch das Bezugszeichen 60A gekennzeichnet, um ihn von dem Kontroller 60 in der ersten Ausführungsform zu unterscheiden) ist ein Computersystem (eine elektronische Steuereinheit (ECU)) mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und einer Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle, und der Kontroller 60A steuert Abschnitte des Brennstoffzellensystems wie in der ersten Ausführungsform.
  • Der Kontroller 60A in der Ausführungsform stellt fest, ob der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 ein Betriebszustand ist (ein eine Trockenheit verursachender Betriebszustand), in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 verringert wird und die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 verursacht wird. D.h., der Kontroller 60A fungiert als eine Betriebsfeststelleinheit nach der Erfindung. Wenn der Kontroller 60A als Ergebnis einer Durchführung der Betriebsfeststellung feststellt, dass die Brennstoffzelle 20 in dem eine Trockenheit verursachenden Betriebszustand ist, erfasst (stellt fest) der Kontroller 60A die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 20 angefordert ist unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors. Wenn die erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist (d.h., wenn der Kontroller 60A feststellt, dass die erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist), führt der Kontroller 60A den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb durch, um die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 erhöht wird. D.h., der Kontroller 60A fungiert auch als die Trockenheit-Verhinderungs-Einheit nach der Erfindung. In der Ausführungsform wird der Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ wie in der ersten Ausführungsform verwendet.
  • Nachfolgend wird das Betriebsverfahren, um die Trockenheit des Brennstoffzellensystems zu verhindern, nach der Ausführungsform mit Bezug zu den Flussdiagrammen in 4 und 5 beschrieben.
  • Wie in 4 gezeigt, stellt der Kontroller 60A des Brennstoffzellensystems zuerst fest, ob der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, in dem die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 verursacht wird (ein Betrieb-Feststellprozess: S10A). Der Betrieb-Feststellprozess S10A wird detailliert mit Bezug zu 5 beschrieben.
  • In dem Betrieb-Feststellprozess S10A erfasst der Kontroller 60A zuerst den von der Brennstoffzelle generierten Strom unter Verwendung des Stromsensors 72 (ein Strom-Erfassungsprozess: S 11 A) und stellt fest, ob der erfasste Strom kleiner als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist (beispielsweise 75A) (ein Strom-Feststellprozess: S 12A). Wenn der Kontroller 60A feststellt, dass der unter der Verwendung des Stromsensors 72 erfasste Strom größer als der vordefinierte Grenzwert ist, stellt der Kontroller 60A fest, dass die Brennstoffzelle 20 in einem eine Nicht-Trockenheit verursachenden Betriebszustand ist (d.h., in einem Zustand, in dem Trockenheit nicht verursacht wird) und hält den Betrieb bei, der durchgeführt wurde (einen Nicht-Trockenheit-Ausgabeprozess: S15A). Wenn der Kontroller 60A in dem Strom-Feststellprozess S12A feststellt, dass der erfasste Strom kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, stellt der Kontroller 60A fest, ob der Strom für eine vordefinierte Zeitspanne (beispielsweise 1 Minute) oder länger weiter fließt (ein Weiterführung-Feststellprozess: S13A).
  • Wenn der Kontroller 60A feststellt, dass die anhaltende Zeitspanne, während der der generierte Strom kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert weiter fließt, kleiner als die vordefinierte Zeitspanne des Weiterführung-Feststellprozesses S13A ist, stellt der Kontroller 60A fest, dass die Brennstoffzelle 20 in dem eine Nicht-Trockenheit verursachendem Betriebszustand ist und behält den Betrieb bei, der durchgeführt wurde (den Nicht-Trockenheit-Ausgabeprozess: S15A). Wenn der Kontroller 60A im Gegensatz dazu in dem Weiterführung-Feststellprozess s13A feststellt, dass der generierte Strom kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert für die vordefinierte Zeitspanne oder länger weiter fließt, stellt der Kontroller 60A fest, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist (ein Trockenheit-Ausgabeprozess: S14A).
  • Wenn der Kontroller 60A, wie oben beschrieben, feststellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, erfasst (stellt fest) der Kontroller 60A die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 20 vorgesehen ist, unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors, wie in 4 gezeigt (ein Geschwindigkeit-Erfassungsprozess: S20A).
  • Dann stellt der Kontroller 60 A fest, ob die in dem Geschwindigkeit-Erfassungsprozess S20A erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist (ein Geschwindigkeit-Feststellprozess: S30A). Wenn der Kontroller 60A feststellt, dass die erfasste Geschwindigkeit geringer als der vordefinierte Grenzwert ist, behält der Kontroller 60A den Betrieb bei, der durchgeführt wurde, ohne den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb auszuführen. Im Gegensatz dazu führt der Kontroller 60A, wenn der Kontroller 60 A feststellt, dass die in dem Geschwindigkeit-Erfassungsprozess S20A erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, den Trockenheit-Verhinderungs-Prozess durch, um die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern (ein Trockenheit-Verhinderungsprozess: S40A).
  • Noch genauer erhöht der Kontroller 60A, wenn die unter der Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, die Menge an Wasser in dem der Brennstoffzelle 20 zugeführten Brenngas, indem die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 größer als die normale Betriebsgrüße gemacht wird, so dass der Betrag des unter Druck der Brenngasleitung 43 zugeführten Brennabgases, wie in der ersten Ausführungsform, in dem Trockenheit-Verhinderungsprozess S40A erhöht wird.
  • Die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 zu einem „normalen Zeitpunkt“ kennzeichnet die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45, um das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff (beispielsweise etwa 1,2 oder 2,0) sicherzustellen, das benötigt wird, um die normale Leistungsgenerierung durchzuführen. Wenn der Kontroller 60A feststellt, dass die unter Verwendung des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors erfasste Geschwindigkeit höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist, erhöht der Kontroller 60A die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45, so dass der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff ein Wert (beispielsweise etwa 2,5 bis 4,0) wird, der höher als das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff zu einem normalen Zeitpunkt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff in Abhängigkeit des Wertes des von der Brennstoffzelle 20 generierten Stroms verändert werden. Wenn der unter Verwendung des Stromsensors 72 erfasste Strom beispielsweise relativ gering ist (beispielsweise 25A), kann der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff auf einen relativ großen Wert eingestellt werden (beispielsweise etwa 4,0), und wenn der unter Verwendung des Stromsensors 72 erfasste Strom relativ groß ist (beispielsweise 50A), kann der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses auf einen relativ kleinen Wert eingestellt werden (beispielsweise etwa 2,5). Indem das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff in der oben genannten Art und Weise verändert wird, kann der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb entsprechend nach dem Grad der Trockenheit angemessen durchgeführt werden.
  • Wenn eine vordefinierte Endbedingung erfüllt ist, beendet der Kontroller 60A dann den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb. Als die Endbedingung kann beispielsweise 1) eine Bedingung verwendet werden, dass der unter der Verwendung des Stromsensors 72 erfasste Strom größer als der vordefinierte Grenzwert ist; 2) eine Bedingung, dass der unter der Verwendung des Stromsensors 72 erfasste Strom kleiner als oder gleich dem vordefinierten Grenzwert ist, aber die anhaltende Zeitspanne, während der der Strom weiter fließt, kleiner als die vordefinierte Zeitspanne ist oder 3) eine Bedingung, dass die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs niedriger als der vordefinierte Grenzwert ist.
  • In dem Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen Ausführungsform, wird der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb nur durchgeführt, wenn i) der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist und ii) die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist (d.h., nur wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind. Demzufolge kann das Betriebsgeräusch der Vorrichtung (der Zirkulationspumpe 45), die verwendet wird, um den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb durchzuführen, durch den Ton oder das Geräusch übertönt werden, das durch das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs verursacht wird (beispielsweise das Geräusch von Rädern oder Windgeräusche). Es ist daher möglich, den Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb durchzuführen ohne einen Insassen des Brennstoffzellenfahrzeugs unbehaglich fühlen zu lassen. Anstatt einer direkten Feststellung, ob die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist, wird zudem der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 festgestellt, und wenn der Betriebszustand der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, wird der Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb durchgeführt. Daher ist es möglich, das Auftreten der Trockenheit der Brennstoffzelle 20 im Voraus zu verhindern.
  • In dem Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, wenn i) der durch die Brennstoffzelle 20 generierte Strom in einem Niedrig-Last Bereich ist (d.h., der von der Brennstoffzelle 20 generierte Strom kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert ist) und ii) der Strom für die vordefinierte Zeitspanne oder länger weiter fließt (d.h., wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind). D.h., es ist möglich die Auftretenswahrscheinlichkeit (Möglichkeit) einer Trockenheit auf Basis des durch die Brennstoffzelle 20 generierten Stroms festzustellen, anstatt direkt festzustellen, ob die Brennstoffzelle 20 in dem trockenen Zustand ist, beispielsweise auf Basis der gemessenen Impedanz. Auch in dem Niedrig-Last Bereich, in dem die Veränderung der Impedanz gering ist, ist es folglich möglich, ein Auftreten der Trockenheit im Voraus zu verhindern.
  • In dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform kann, wenn i) der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, und ii) die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs höher als oder gleich dem vordefinierten Grenzwert ist (d.h., wenn beide der Bedingungen i) und ii) erfüllt sind), die Menge an Wasser, die in dem der Brennstoffzelle 20 zugeführten Brenngas enthalten ist, vergrößert werden, indem die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 größer als die normale Betriebsgröße gemacht wird, um die Menge des unter Druck der Brenngasleitung 43 zugeführten Brennabgases zu erhöhen. Da die elektrische Leistung, die von der Zirkulationspumpe 45 verbraucht wird, viel geringer ist als die elektrische Leistung, die von dem Luftkompressor 32 verbraucht wird, ist es möglich, die Trockenheit der Brennstoffzelle 20 zu verhindern, während Brennstoff gespart wird. Wenn die Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 erhöht wird, kann weiter, wie oben beschrieben, das Betriebsgeräusch der Zirkulationspumpe 45 durch den Ton oder das Geräusch, das von der Bewegung des Brennstoffzellenfahrzeugs verursacht wird, übertönt werden.
  • In der zweiten Ausführungsform wird festgestellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist, wenn i) der von der Brennstoffzelle 20 generierte Strom kleiner als oder gleich dem vordefinierten Grenzwert ist und ii) der generierte Strom für die vordefinierte Zeitspanne oder länger beibehalten wird (d.h., wenn die Bedingung i) und ii) erfüllt sind). Jedoch ist das Verfahren zur Durchführung der Feststellung des Betriebs nicht auf das oben genannte Verfahren begrenzt.
  • Wenn die Last der Brennstoffzelle 20 (benötigte elektrische Leistung) beispielsweise stark von einer hohen Last zu einer niedrigen Last absinkt, hängt die Antwort des aktuell der Brennstoffzelle 20 zugeführten Reaktionsgases (ein gemessener Wert) hinter einem Befehlswert, wie in 6 dargestellt ist. Wenn die Last hoch ist, wird daher ein großer Betrag an Reaktionsgas (insbesondere Luft als das Oxidationsgas) der Brennstoffzelle 20 zugeführt, und wenn die Last niedriger wird, gibt es einen Überschuss an Reaktionsgas. Daher wird vermutet, dass die Brennstoffzelle 20 aufgrund des Überschusses an Reaktionsgas in den trockenen Zustand gebracht wird. Daher wird eine Sinkrate der Last der Brennstoffzelle 20 (ein Sinkbetrag der Last pro Zeiteinheit) berechnet, und wenn die berechnete Sinkrate der Last größer als ein vordefinierter Grenzwert ist (beispielsweise ist in einem Fall, in dem eine Änderung von 100A oder weniger pro Sekunde in dem generierten Strom zugelassen wird, der vordefinierte Grenzwert 100 (= 1004)(A/s)), kann festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 in dem eine Trockenheit verursachenden Betriebszustand ist. Anstatt der Berechnung der Sinkrate der Last der Brennstoffzelle 20, kann eine „Sinkrate der Ausgabe der Brennstoffzelle 20 (beispielsweise ein Sinkbetrag des generierten Stroms pro Zeiteinheit)“ berechnet werden, und wenn die berechnete Sinkrate der Ausgabe größer als ein vordefinierter Grenzwert ist, kann festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert ist (beispielsweise 60°C bis 70°C), kann festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist. Weiter kann ein Winter-Modus-Betrieb, beispielsweise ein Betrieb, indem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 erhöht wird, durchgeführt werden, um ein Gefrieren zu verhindern. Wenn der Winter-Modus-Betrieb für eine vordefinierte Zeitphase oder länger weiter durchgeführt wird, kann festgestellt werden, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 der eine Trockenheit verursachende Betriebszustand ist.
  • In jeder der oben genannten Ausführungsformen wird der Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45 als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ verwendet. Jedoch ist das Beispiel für den „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ nicht auf den oben genannten Betrieb begrenzt.
  • Beispielsweise kann der Kontroller 60 (60A) die Zuführ-/Versorgungsmenge des Oxidationsgases absenken, so dass die zu der Außenseite der Brennstoffzelle 20 geförderte Menge an Wasser absinkt, indem das Gegendruck-Einstell-Ventil A3 gesteuert wird, so dass der für die Zuführung des Oxidationsgases benötigte Druck größer als zu einem normalen Zeitpunkt gemacht wird. D.h., der Erhöhungsbetrieb des für die Zuführung des Oxidationsgases benötigten Drucks kann als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ verwendet werden.
  • Der Kontroller 60 (60A) kann die Menge an Wasser, das zu der Außenseite der Brennstoffzelle 20 geführt wird, absenken, indem der Luftkompresser 32 so gesteuert wird, dass der von dem Luftkompressor 32 zugeführte Betrag an Oxidationsgas geringer als zu ein normaler Betrag gemacht wird (d.h., der Betrag an Oxidationsgas, der von dem Luftkompressor 32 zu einem normalen Zeitpunkt zugeführt wird). D.h., der Betrieb eines Absenkens des Betrags des von dem Luftkompressor 32 zugeführten Oxidationsgases kann als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ verwendet werden. Der Betrag des von dem Luftkompressor 32 zugeführten Oxidationsgases zu „einem normalen Zeitpunkt“ kennzeichnet beispielsweise den Betrag des Oxidationsgases, das das stöchiometrische Verhältnis von Luft etwa gleich 1,45 bis 1,6 setzt. Der Kontroller 60 (60A) kann den Betrag des von dem Luftkompressor 32 zugeführten Oxidationsgases absenken, so dass das stöchiometrische Verhältnis von Luft ein Wert (beispielsweise etwa 1,3 bis 1,4) wird, der geringer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu einem normalen Zeitpunkt ist.
  • Weiter kann der Kontroller 60 (60A) ein Absinken der Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 verhindern, indem der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 so gesteuert wird, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 um wenige Grade sinkt. D.h., der Betrieb des Absenkens der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 kann als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ verwendet werden.
  • Als der „Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb“ können zumindest zwei Betriebe aus dem Erhöhungsbetrieb der Betriebsgröße der Zirkulationspumpe 45, dem Erhöhungsbetrieb des für die Zuführung des Oxidationsgases benötigten Drucks durch Steuern des Gegendruck-Einstell-Ventil A3, dem Absenkbetrieb des Betrag des von dem Luftkompressor 32 zugeführten Oxidationsgases und dem Absenkbetrieb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 angemessen kombiniert werden.
  • In jeder der oben genannten Ausführungsformen wird das „Brennstoffzellenfahrzeug“ als der bewegte Körper verwendet. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem nach der Erfindung statt in der Brennstoffzelle in verschiedenen, anderen bewegten Körpern (beispielsweise einem Roboter, einem Schiff oder einem Flugzeug) vorgesehen sein.

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20), die in einem Fahrzeug vorgesehen ist; und eine elektronische Steuereinheit, die konfiguriert ist, um festzustellen, ob eine Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich einer vordefinierten Menge ist, und, um eine Trockenheit der Brennstoffzelle (20) zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) erhöht wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich einem vordefinierten Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter aufweist: eine Brenngasleitung (43), durch die Brenngas der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird; eine Zirkulationsleitung (44), durch die von der Brennstoffzelle (20) ausgegebenes Brennabgas zu dem Brenngasdurchlass (43) zurückgeführt wird; und eine Zirkulationspumpe (45), die das Brennabgas in der Zirkulationsleitung (44) unter Druck zu der Brenngasleitung (43) fördert, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um eine Betriebsgröße der Zirkulationspumpe (45) größer als eine normale Betriebsgröße zu machen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich dem vordefiniertem Betrag ist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um einen Referenzwert auf einen Durchschnitt von Impedanzen einzustellen, die in einem Zustand gemessen wurden, in dem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) größer als die vordefinierte Menge ist, und um festzustellen, dass die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) kleiner als oder gleich der vordefinierten Menge ist, wenn eine Differenz zwischen dem Referenzwert und einer aktuell gemessenen Impedanz größer oder gleich einem vordefiniertem Grenzwert ist.
  3. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20), die in einem Fahrzeug vorgesehen ist; und eine elektronische Steuereinheit, die konfiguriert ist, um festzustellen, ob ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) ein eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, in dem eine Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) verringert wird und Trockenheit der Brennstoffzelle (20) verursacht wird, und, um einen Trockenheit-Verhinderungs-Betrieb auszuführen, um die Trockenheit der Brennstoffzelle (20) zu verhindern, indem die Menge an Wasser in der Brennstoffzelle (20) erhöht wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich einem vordefiniertem Grenzwert in einem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter aufweist: eine Brenngasleitung (43), durch die Brenngas der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird; eine Zirkulationsleitung (44), durch die von der Brennstoffzelle (20) ausgegebenes Brennabgas zu der Brennstoffleitung zurückgeführt wird; und eine Zirkulationspumpe (45), die das Brennabgas unter Druck in der Zirkulationsleitung (44) zu der Brennstoffleitung fördert, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um eine Betriebsgröße der Zirkulationspumpe (45) größer als eine normale Betriebsgröße zu machen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs höher als oder gleich dem vordefiniertem Grenzwert in dem Fall ist, in dem die elektronische Steuereinheit feststellt, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wenn ein von der Brennstoffzelle (20) generierter Strom kleiner oder gleich einem vordefiniertem Grenzwert ist und der generierte Strom für eine vordefinierte Zeitdauer oder länger fortdauernd fließt.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wenn eine Sinkrate einer Last auf die Brennstoffzelle (20) größer als ein vordefinierter Grenzwert ist.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wenn eine Sinkrate einer Ausgabe der Brennstoffzelle (20) größer als ein vordefinierter Grenzwert ist.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die elektronische Steuereinheit konfiguriert ist, um festzustellen, dass der Betriebszustand der Brennstoffzelle (20) der eine Trockenheit verursachender Betriebszustand ist, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle (20) höher als oder gleich einem vordefiniertem Grenzwert ist.
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