DE102015118424A1

DE102015118424A1 - Brennstoffzellensystem und Betriebssteuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102015118424A1
Application number: DE102015118424.9A
Authority: DE
Inventors: Tomohiko Kaneko; Yoshiaki Naganuma; Yutaka Tano; Yohei Okamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US10224558B2; US20160141667A1; JP6187774B2; CA2911691A1; CN105609831A; KR101798718B1; CN105609831B; CA2911691C; KR20160057980A; JP2016096041A

Abstract

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Ermittlung eines Betriebspunkts einer Brennstoffzelle, um die Erfüllung eines Betrags einer erforderlichen Leistungserzeugung zu priorisieren, während verschiedene Beschränkungen, wie eine Stromgrenze, in einem Brennstoffzellensystem vermieden werden, welches die Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt. Eine Steuerungsvorrichtung 70 multipliziert einen Spannungs-Befehlswert Vcom, welcher bei Schritt S3 erhalten wird, mit einem Strom-Befehlswert Icom, welcher bei Schritt S1 erhalten wird, anschließend wird dies durch einen bei Schritt S4 erhaltenen finalen Spannungs-Befehlswert Vfcom dividiert, wodurch ein finaler Strom-Befehlswert Ifcom erhalten wird, um einen Betriebspunkt (Ifcom, Vfcom) während eines Aufwärmbetriebs zu ermitteln (Schritt S5), und anschließend endet der Vorgang.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer JP 2014-231815 , welche am 14. November 2014 angemeldet wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt, und auf ein Betriebssteuerverfahren desselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle ist ein Leistungserzeugungssystem, welches Energie, die in Folge einer Oxidationsreaktion zum Oxidieren von Brennstoff über einen elektrochemischen Vorgang freigegeben wird, direkt in elektrische Energie umwandelt, und eine solche Brennstoffzelle besitzt eine Stapelstruktur, bei welcher eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen (Zellen) gestapelt sind, wobei jede Membranelektrodenanordnung aufweist: eine Elektrolytmembran zum selektiven Übertragen von Wasserstoffionen; und ein Paar von Elektroden, die aus einem porösen Material hergestellt sind, welche die Elektrolytmembran auf beiden Oberflächen davon dazwischen aufnehmen.
Bei Brennstoffzellen werden 70°C bis 80°C im Allgemeinen als der optimale Temperaturbereich zum Erzeugen von elektrischer Leistung betrachtet. Da jedoch Umgebungen eines kalten Bereichs eine lange Zeit erfordern können, bis die Brennstoffzelle den optimalen Temperaturbereich erreicht, nachdem diese gestartet wurde, werden verschiedene Aufwärmsysteme betrachtet. Die JP 2002-313388 A offenbart beispielsweise ein Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle, während der Betrag der Selbsterwärmung der in einem Fahrzeug montierten Brennstoffzelle gesteuert wird und das Fahrzeug bei einem Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad gefahren wird, welcher im Vergleich zu einem normalen Betrieb eine niedrigere Leistungserzeugungseffizienz aufweist. Dieses Verfahren stellt eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen Spannungswert ein, welcher niedriger ist als der Spannungswert basierend auf deren Strom- und Spannungscharakteristik (nachfolgend als „IV-Charakteristik” bezeichnet), und erhöht den Wärmeverlust der Brennstoffzelle, um einen Aufwärmvorgang durch eine Selbsterwärmung durchzuführen. Daher besteht keine Notwendigkeit, eine Aufwärmvorrichtung einzubauen und dieses Verfahren ist vorteilhaft.
9 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem zeigt. 9 zeigt eine IV-Kennlinie L_a1 einer Brennstoffzelle, eine Betriebsspannungslinie L_a2 einer Brennstoffzelle, eine Linie L_a3 gleicher elektrischer Leistung einer Brennstoffzelle (nachfolgend als eine „Linie gleicher Leistung” bezeichnet) und eine Linie L_a4 gleicher Wärmeerzeugung einer Brennstoffzelle (nachfolgend als eine „Linie von gleichem Q” bezeichnet).
Wie in 9 gezeigt, falls der Strom aus irgendeinem Grund begrenzt ist (beispielsweise eine Stromgrenze bzw. Strombegrenzung aufgrund einer Abnahme der Spannung einer Zelle, welche die Brennstoffzelle bildet; siehe Strom-Grenzlinie L_a5, welche in 9 durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist), in einem Zustand eines Aufwärmbetriebs bei einem Schnittpunkt, bei welchem sich die Linie L_a3 gleicher Leistung und die Linie L_a4 von gleichem Q der Brennstoffzelle überschneiden, das heißt, einem Betriebspunkt A (I₁, V₁) basierend auf einem Betrag P_req einer erforderlichen Leistungserzeugung und einem Betrag Q_req einer erforderlichen Wärmeerzeugung, bewegt sich der Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf der Betriebs-Spannungslinie L_a2, um sich ausgehend von dem Betriebspunkt A (I₁, V₁) hin zu einem Betriebspunkt B (I₂, V₂) zu verschieben. Auf diese Art und Weise wurde üblicherweise, wenn der Strom aufgrund eines Aufwärmbetriebs einer Brennstoffzelle beschränkt wurde, eine solche Stromgrenze durch Verschieben des Betriebspunkts der Brennstoffzelle auf der eingestellten Betriebs-Spannungslinie L_a2 vermieden (mit anderen Worten, Verschieben des Betriebspunkts, so dass die Betriebsspannung auf einen spezifischen Wert eingestellt ist). Daher kann am Ende der Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle nicht erfüllt werden (das heißt, ein Zustand, bei welchem kein Betriebspunkt der Brennstoffzelle auf der Linie L₃ gleicher Leistung liegt) und es kann lediglich ein Betrag P_mes einer Leistungserzeugung erzeugt werden, welcher kleiner als der Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung ist, wodurch das Problem einer Abnahme des Leistungs-Ansprechverhaltens des Brennstoffzellensystems und einer Abnahme der dynamischen Leistungsfähigkeit hervorgerufen wird.
Kurzfassung
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Lichte der vorstehenden Umstände und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie vorzusehen, die eine Brennstoffzelle derart betreiben kann, um die Erfüllung des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung zu priorisieren, während verschiedene Beschränkungen, wie eine Stromgrenze, bei einem Brennstoffzellensystem vermieden werden, welches die Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems vor, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt, wobei das Verfahren aufweist: einen nullten Schritt zum Ermitteln eines Strom-Zielwerts aus einem Betrag einer erforderlichen Leistungserzeugung und einem Betrag einer erforderlichen Wärmeerzeugung; einen ersten Schritt zum Einstellen des Strom-Zielwerts als einen Strom-Befehlswert, so dass der Strom-Zielwert in einen Bereich eines oberen Grenzstroms und eines unteren Grenzstroms fällt, wenn der Strom-Zielwert außerhalb des Bereichs des oberen Grenzstroms und des unteren Grenzstroms liegt; einen zweiten Schritt zum Erhalten eines Ziel-Spannungswerts entsprechend dem Strom-Befehlswert durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch den Strom-Befehlswert, und zum Einstellen des Ziel-Spannungswerts als einen Spannungs-Befehlswert, so dass der Ziel-Spannungswert in einen Bereich einer oberen Grenzspannung fällt, wenn der Ziel-Spannungswert die obere Grenzspannung überschreitet; einen dritten Schritt zum Einstellen des Spannungs-Befehlswerts als einen finalen Spannungs-Befehlswert, so dass der Spannungs-Befehlswert in einen vorbestimmten Bereich fällt, welcher für einen Spannungs-Messwert der Brennstoffzelle eingestellt ist, wenn der Spannungs-Befehlswert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt; einen vierten Schritt zum Erhalten eines finalen Strom-Befehlswerts durch Dividieren eines Werts, welcher durch Multiplizieren des Spannungs-Befehlswerts mit dem Strom-Befehlswert erhalten wird, durch den finalen Spannungs-Befehlswert; und einen fünften Schritt zum Betreiben der Brennstoffzelle durch bzw. mit dem finalen Strom-Befehlswert und dem finalen Spannungs-Befehlswert.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration ist es vorzuziehen, dass zumindest ein Minimalwert aus den nachfolgenden Werten (A) bis (E) als der obere Grenzstrom eingestellt ist:

(A) ein Stromwert, welcher durch eine Abnahme einer Zellenspannung der Brennstoffzelle begrenzt ist;
(B) ein Stromwert, welcher durch die Brennstoffzelle und Hilfsvorrichtungen begrenzt ist;
(C) ein Stromwert, welcher durch ein maximales Spannungs-Zunahmeverhältnis eines Spannungswandlers begrenzt ist, welcher eine Spannung der Brennstoffzelle steuert;
(D) ein Stromwert, welcher derart begrenzt ist, dass dieser einen Anstieg einer Abgas-Wasserstoffkonzentration aufgrund eines Pumpenwasserstoffs der Brennstoffzelle unterdrückt; und
(E) ein Stromwert, welcher durch einen zulässigen Leistungsbetrag eines gesamten Systems begrenzt ist.

Gemäß der vorstehenden Konfigurationen, ist es vorzuziehen, dass zumindest ein Maximalwert aus den nachfolgenden Werten (F) bis (H) als der untere Grenzstrom eingestellt ist;

(F) ein Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Hochpotenzial-Vermeidungsspannung erhalten wird;
(G) ein Stromwert, welcher basierend auf einer Leistungskurse der Brennstoffzelle gemäß dem Betrag der erforderlichen Leistungserzeugung erhalten wird; und
(H) ein Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung erhalten wird.

Ferner kann gemäß der vorstehenden Konfiguration der kleinere Wert des Spannungswerts, welcher basierend auf der Leistungskurve der Brennstoffzelle gemäß dem Strom-Befehlswert erhalten wird, oder der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung als die obere Grenzspannung eingestellt sein.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht einem Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt, wobei das System aufweist: einen Ermittlungsteil, welcher einen Strom-Zielwert aus einem Betrag einer erforderlichen Leistungserzeugung und einem Betrag einer erforderlichen Wärmeerzeugung ermittelt; einen ersten Einstellteil, welcher den Strom-Zielwert als einen Strom-Befehlswert einstellt, so dass der Strom-Zielwert in einen Bereich eines oberen Grenzstroms und eines unteren Grenzstroms fällt, wenn der Strom-Zielwert außerhalb des Bereichs des oberen Grenzstroms und des unteren Grenzstroms liegt; einen zweiten Einstellteil, welcher einen Ziel-Spannungswert entsprechend dem Strom-Befehlswert durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch den Strom-Befehlswert und Einstellen des Ziel-Spannungswerts als einen Spannungs-Befehlswert erhält, so dass der Ziel-Spannungswert in einen Bereich einer oberen Grenzspannung fällt, wenn der Ziel-Spannungswert die obere Grenzspannung übersteigt; einen dritten Einstellteil, welcher den Spannungs-Befehlswert als einen finalen Spannungs-Befehlswert einstellt, so dass der Spannungs-Befehlswert in einen vorbestimmten Bereich fällt, welcher für einen Spannungs-Messwert der Brennstoffzelle eingestellt ist, wenn der Spannungs-Befehlswert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt; einen Herleitungsteil, welcher einen finalen Strom-Befehlswert durch Dividieren eines Werts, der durch Multiplizieren des Spannungs-Befehlswerts mit dem Strom-Befehlswert erhalten wird, durch den finalen Spannungs-Befehlswert erhält; und einen Steuerungsteil, welcher die Brennstoffzelle durch bzw. mit dem finalen Strom-Befehlswert und dem finalen Spannungs-Befehlswert betreibt.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 ist eine Ansicht, welche eine allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, welches einen Ermittlungsvorgang eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs zeigt.
3 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
4A ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
4B ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
4C ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
5A ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
5B ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
5C ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
6A ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
6B ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
6C ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigt.
7 ist ein konzeptionelles Diagramm zum Beschreiben von Ermittlungsverfahren einer Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl, einer Strom- Untergrenzen-Schwelle I_lol und einer Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl.
8 ist ein konzeptionelles Diagramm zum Beschreiben eines Ermittlungsverfahrens einer Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl.
9 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Veränderung eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem zeigt.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben.
A. Vorliegende Ausführungsform
A-1. Konfiguration
1 zeigt eine allgemeine Konfiguration eines Fahrzeugs, welches mit einem Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführungsform ausgerüstet ist. Obwohl die nachfolgende Beschreibung ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) als ein Beispiel eines Fahrzeugs annimmt, kann das Brennstoffzellensystem ebenso auf verschiedene Typen von beweglichen Körpern (beispielsweise Schiffe, Flugzeuge und Roboter) angewendet werden, welche sich von Fahrzeugen und stationären Leistungsquellen unterscheiden, und dieses kann ebenso auf transportable Brennstoffzellensysteme angewendet werden.
Ein Brennstoffzellensystem 10 ist in der Lage, einen Betriebszustand zwischen einem normalen Betrieb und einem Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad mit einer niedrigeren Leistungserzeugungseffizienz wie dieser bei dem normalen Betrieb umzuschalten bzw. zu wechseln (später detaillierter beschrieben), und das Brennstoffzellensystem 10 dient als ein Leistungs-Zuführungssystem im Fahrzeug, welches in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug eingebaut werden soll. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 20, welcher elektrische Leistung mit zugeführten Reaktionsgasen (einem Brenngas und einem Oxidationsgas) erzeugt, ein Oxidationsgas-Zuführsystem 30 zum Zufüren der Luft als ein Oxidationsgas hin zu dem Brennstoffzellenstapel 20, ein Brenngas-Zuführsystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als ein Brenngas hin zu dem Brennstoffzellenstapel 20, ein elektrisches Leistungssystem 50 zum Steuern eines Ladens und eines Entladens von elektrischer Leistung, ein Kühlsystem 60 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 20 und eine Steuerungsvorrichtung (ECU) 70 zum Steuern des gesamten Systems.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, in welchem eine Mehrzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. In dem Brennstoffzellenstapel 20 tritt bei einer Anodenelektrode eine durch die nachstehende Gleichung (1) dargestellte Oxidationsreaktion auf, und bei einer Kathodenelektrode tritt eine durch die Gleichung (2) dargestellte Reduktionsreaktion auf. Eine elektrogene Reaktion, welche durch die Gleichung (3) dargestellt ist, tritt in dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O2 → H₂O (3)
Ein Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20, ein Stromsensor 72 zum Erfassen eines Leistungs-Erzeugungsstroms und ein Zellen-Spannungssensor 73 zum Erfassen einer Zellenspannung sind an dem Brennstoffzellenstapel 20 angebracht.
Das Oxidationsgas-Zuführsystem 30 umfasst einen Oxidationsgas-Durchlass 34, durch welchen ein hin zu der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 geführtes Oxidationsgas strömt, und einen Oxidations-Abgas-Durchlass 36, durch welchen ein von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführtes Oxidation-Abgas strömt. Der Oxidationsgas-Durchlass 34 ist mit einem Luftkompressor 32 zum Einführen eines Oxidationsgases ausgehend von der Atmosphäre über einen Filter 31, einem Befeuchter 33 zum Befeuchten des hin zu der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 zu führenden Oxidationsgases, und einem Drosselventil 35 zum Anpassen der Zuführung des Oxidationsgases vorgesehen. Der Oxidations-Abgas-Durchlass 36 ist mit einem Gegendruck-Regulierungsventil 37 zum Regulieren des Zuführdrucks des Oxidationsgases und dem Befeuchter 33 für den Austausch von Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidations-Abgas (feuchtes Gas) vorgesehen.
Das Brenngas-Zuführsystem 40 umfasst eine Brenngaszuführung 41, einen Brenngasdurchlass 45, durch welchen das von der Brenngaszuführung 41 hin zu der Anodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 geführte Brenngas strömt, einen Zirkulationsdurchlass 46 zum Zirkulieren eines von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten Brenn-Abgases, um dieses hin zu dem Brenngasdurchlass 45 zurück zu führen, eine Zirkulationspumpe 47, welche das Brenn-Abgas in dem Zirkulationsdurchlass 46 in Richtung hin zu dem Brenngasdurchlass 45 fördern, und einen Ausström/Ablass-Durchlass 48, welcher von dem Zirkulationsdurchlass 46 abzweigt.
Die Brenngaszuführung 41 ist beispielsweise durch einen Hochdruck-Wasserstofftank, eine wasserstoffabsorbierende Legierung usw. aufgebaut und diese speichert ein Wasserstoffgas bei einem hohen Druck (beispielsweise 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Absperrventil 42 geöffnet wird, strömt das Brenngas ausgehend von der Brenngaszuführung 41 in Richtung hin zu dem Brenngasdurchlass 45. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regulierer 43 und einen Injektor 44 beispielsweise auf etwa 200 kPa reduziert und anschließend wird das Brenngas hin zu dem Brennstoffzellenstapel 20 geführt.
Die Brenngaszuführung 41 kann durch einen Reformer, welcher ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem kohlenwasserstoffbasiertem Brennstoff erzeugt, und einen Hochdruck-Gastank, welcher das reformierte Gas aufnimmt bzw. sammelt, welches in dem Reformer erzeugt wurde, nachdem dieses in einen Hochdruckzustand versetzt wird, aufgebaut sein.
Der Regulierer 43 entspricht einer Vorrichtung zum Regulieren eines Drucks (Primärdruck) auf der stromaufwärtigen Seite davon auf einen voreingestellten Sekundärdruck, und ein solcher Regulierer 43 ist beispielsweise durch ein mechanisches Druck-Reduzierungsventil zum Reduzieren des Primärdrucks aufgebaut. Das mechanische Druck-Reduzierungsventil besitzt ein Gehäuse, in welchem eine Gegendruckkammer und eine Druck-Regulierungskammer mit einer Membran zischen diesen ausgebildet sind, und dieses besitzt eine Konfiguration zum Reduzieren des Primärdrucks hin zu einem vorbestimmten Sekundärdruck innerhalb der Druck-Regulierungskammer unter Verwendung des Gegendrucks in der Gegendruckkammer.
Der Injektor 44 ist ein elektromagnetisch angetriebenes An-Aus-Ventil, welches in der Lage ist, eine Gas-Strömungsrate und einen Gasdruck durch direktes Antreiben bzw. Abheben eines Ventilkörpers von einem Ventilsitz bei vorbestimmten Intervallen unter Verwendung einer elektromagnetischen Antriebskraft zu regulieren. Der Injektor 44 umfasst den Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung zum Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffes, wie dem Brenngas, einen Düsenkörper, welcher den gasförmigen Kraftstoff in Richtung hin zu der Einspritzöffnung führt und leitet, und den Ventilkörper, welcher in dem Düsenkörper beweglich aufgenommen und gehalten ist, um zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung relativ zu dem Düsenkörper axial beweglich zu sein (in einer Richtung der Gasströmung).
Der Ausström/Ablass-Durchlass 48 ist mit einem Ausström/Ablass-Ventil 49 vorgesehen. Das Ausström/Ablass-Ventil 49 wird im Ansprechen auf einen Befehl von einer Steuerungsvorrichtung 70 betätigt, um das Brenn-Abgas, welches Verunreinigungen sowie Wasser enthält, in dem Zirkulationsdurchlass 46 nach außen abzuführen. Durch das Öffnen des Ausström/Ablass-Ventils 49 wird die Konzentration von Verunreinigungen in dem Brenn-Abgas in dem Zirkulationsdurchlass 46 reduziert, so dass die Konzentration von Wasserstoff in dem Brenn-Abgas, welches in dem Zirkulationssystem zirkuliert, erhöht werden kann.
Das über das Ausström/Ablass-Ventil 49 abgeführte Brenn-Abgas wird mit dem in dem Oxidations-Abgas-Durchlass 36 strömenden Oxidations-Abgas vermischt und durch einen Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt. Die Zirkulationspumpe 47 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brenn-Abgas in dem Zirkulationssystem zu zirkulieren bzw. umzuwälzen und dieses hin zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zu führen.
Das elektrische Leistungssystem 50 umfasst einen dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Wandler (FDC) 51a, einen einer Batterie zugeordneten Wandler (BDC) 51b, eine Batterie 52, einen Antriebs-Wechselrichter 53, einen Antriebsmotor 54 und Hilfsvorrichtungen 55. Der FDC 51a dient dazu, um eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern, und der FDC 51a ist ein bidirektionaler Spannungswandler, welcher eine Ausgangsspannung, die bei dessen Primärseite (Eingangsseite: die Seite des Brennstoffzellenstapels 20) eingegeben wurde, in einen Spannungswert umwandelt (durch Erhöhen oder Verringern), welcher sich von der Primärseite unterscheidet, und die resultierende Spannung hin zu einer Sekundärseite (Ausgangsseite: die Seite des Wechselrichters 53) ausgibt, oder welcher umgekehrt die bei der Sekundärseite eingegebene Spannung in eine Spannung umwandelt, welche sich von der Sekundärseite unterscheidet, und die resultierende Spannung hin zu der Primärseite ausgibt. Infolge der durch den FDC 51a durchgeführten Spannungs-Wandlungssteuerung wird der Betriebspunkt (I, V) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert.
Der BDC 51b dient dazu, um eine Eingangsspannung des Wechselrichters 53 zu steuern, und dieser besitzt eine Schaltkreiskonfiguration, welche beispielsweise ähnlich zu dieser des FDC 51a ist. Es ist anzumerken, dass die vorstehende Beschreibung nicht dahingehend gedacht ist, dass diese die Schaltkreiskonfiguration des BDC 51b beschränkt, und der BDC 51b kann irgendeine Konfiguration anwenden, welche in der Lage ist, die Eingangsspannung des Wechselrichters 53 zu steuern.
Die Batterie 52 dient als eine Speicherquelle für eine überschüssige elektrische Leistung, als eine Speicherquelle für eine regenerative Energie, welche für ein regeneratives Bremsen verwendet werden soll, und als ein Energiepuffer für Lastvariationen, welche mit dem Beschleunigen oder Verzögern eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs einhergehen. Die Batterie 52 kann vorzugsweise eine Sekundärbatterie, wie eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie und eine Lithium-Sekundärbatterie, verwenden.
Der Antriebs-Wechselrichter 53 kann beispielsweise ein PWM-Wechselrichter sein, welcher durch eine Pulsweitenmodulation angetrieben wird, und der Antriebs-Wechselrichter 53 wandelt eine von dem Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegebene Gleichspannung gemäß einem durch die Steuerungsvorrichtung 70 vorgesehenen Steuerungsbefehl in eine Dreiphasen-Wechselspannung um, und dieser steuert ein Rotationsdrehmoment des Antriebsmotors 54. Der Antriebsmotor 54 entspricht einem Motor (beispielsweise einem Dreiphasen-Wechselstrommotor) zum Antreiben von Rädern 56L und 56R, und dieser bildet eine Leistungsquelle des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs.
Die Hilfsvorrichtungen 55 beziehen sich kollektiv auf Motoren, welche bei entsprechenden Bauteilen des Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen sind (beispielsweise Leistungsquellen für die Pumpen), Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren, verschiedene Typen von Hilfsvorrichtungen in dem Fahrzeug (beispielsweise einen Luftkompressor, einen Injektor, eine Kühlwasser-Zirkulationspumpe, einen Kühler usw.).
Das Kühlsystem 60 umfasst Kühlmitteldurchlässe 61, 62, 63, 64, in denen ein Kühlmittel strömt, welches innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 zirkuliert, eine Zirkulationspumpe 65 zum Pumpen bzw. Fördern des Kühlmittels, einen Kühler 66 zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Außenluft, ein Dreiwegeventil 67 zum Umschalten zwischen Zirkulationspfaden des Kühlmittels, und einen Temperatursensor 74 zum Erfassen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20. Das Dreiwegeventil 67 wird gesteuert, um geöffnet oder geschlossen zu werden, so dass, wenn der normale Betrieb nach dem Abschluss des Aufwärmbetriebs startet, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmende Kühlmittel über die Kühlmitteldurchlässe 61, 64 strömt, um durch den Kühler 66 gekühlt zu werden, anschließend durch den Kühlmitteldurchlass 63 strömt und erneut in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt. Andererseits wird das Dreiwegeventil 67 zu der Zeit des Aufwärmbetriebs unmittelbar nach dem Start des Systems in einer Art und Weise gesteuert, um geöffnet oder geschlossen zu werden, so dass das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 strömende Kühlmittel über die Kühlmitteldurchlässe 61, 62, 63 strömt und erneut in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt.
Die Steuerungsvorrichtung 70 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, Eingangs/Ausgangs-Schnittstellen usw., und die Steuerungsvorrichtung 70 dient als ein Steuerungsmittel zum Steuern von Komponenten (des Oxidationsgas-Zuführsystems 30, des Brenngas-Zuführsystems 40, des elektrischen Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) des Brennstoffzellensystems 10. Wenn beispielsweise ein Startsignal IG empfangen wird, welches von einem Zündschalter ausgegeben wird, startet die Steuerungsvorrichtung 70 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält die erforderliche elektrische Leistung für das gesamte System basierend auf einem Gaspedal-Positionssignal ACC, welches von einem Gaspedalsensor ausgegeben wird, und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, welches von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird.
Die für das gesamte System geforderte elektrische Leistung entspricht der Summe des Betrags von elektrischer Leistung für die Fahrzeugfahrt und des Betrags von elektrischer Leistung für die Hilfsvorrichtungen. Die elektrische Leistung für die Hilfsvorrichtungen umfasst elektrische Leistung, welche durch die Hilfsvorrichtungen in dem Fahrzeug (beispielsweise einen Befeuchter, einen Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe, eine Kühlwasser-Zirkulationspumpe usw.) verbraucht wird, elektrische Leistung, welche durch Vorrichtungen verbraucht wird, die für die Fahrzeugfahrt erforderlich sind (beispielsweise ein Getriebe, eine Rad-Steuerungsvorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Dämpfung usw.), elektrische Leistung, welche durch Vorrichtungen verbraucht wird, welche innerhalb eines Fahrgastraums vorgesehen sind (beispielsweise eine Klimaanlage, eine Beleuchtungseinrichtung, ein Audiosystem usw.), usw.
Die Steuerungsvorrichtung 70 ermittelt das Verteilungsverhältnis der von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenen elektrischen Leistung und der von der Batterie 52 ausgegebenen elektrischen Leistung, berechnet einen Leistungserzeugungs-Befehlswert und steuert das Oxidationsgas-Zuführsystem 30 und das Brenngas-Zuführsystems 40, so dass der Betrag der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 einen Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung erfüllt. Die Steuerungsvorrichtung 70 steuert außerdem den FDC 51a usw., um dadurch den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung 70 gibt einen Wechselspannungs-Befehlswert für jede einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase als Schaltbefehle zu dem Antriebs-Wechselrichter 53 aus, um das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors 54 zu steuern, so dass eine Ziel-Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der Gaspedalposition erhalten werden kann. Nachstehend folgt ein Überblick hinsichtlich des Vorgangs zum Ermitteln eines Betriebspunkts eines Brennstoffzellenstapels 20 während eines Aufwärmbetriebs, was einem Merkmal der vorliegenden Ausführungsform entspricht.
A-2. Betrieb
<Überblick über den Vorgang zum Ermitteln eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs>
2 ist ein Flussdiagramm, welches einen Vorgang zum Ermitteln eines Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs zeigt, der durch eine Steuerungsvorrichtung 70 durchgeführt wird. 3 bis 6 sind konzeptionelle Diagramme, welche eine Veränderung des Betriebspunkts während eines Aufwärmbetriebs bei einem Brennstoffzellensystem zeigen. In 3 stellt L1 eine Linie gleicher Leistung einer Brennstoffzelle dar und L2 stellt eine Linie von gleichem Q einer Brennstoffzelle dar.
Die Steuerungsvorrichtung (Ermittlungsteil) 70 ermittelt einen Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung (Linie L1 gleicher Leistung) und einen Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung (Linie L2 von gleichem Q), wie in 3 gezeigt ist, und diese ermittelt anschließend basierend auf dem ermittelten Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung und dem ermittelten Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung einen Strom-Zielwert I_tgt eines Brennstoffzellenstapels 20 (Schritt S1). Mit Bezug auf die Details hinsichtlich der Ermittlungsverfahren des Betrags Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung und des Betrags P_req der erforderlichen Leistungserzeugung ermittelt die Steuerungsvorrichtung 70 den Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung basierend auf einem Sensorsignal, welches die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 darstellt, das von dem Temperatursensor 74 ausgegeben wird, und einem Gaspedal-Öffnungsgradsignal ACC, welches von dem Gaspedalsensor ausgegeben wird. Mit Bezug auf einen Aufwärmbetrieb, wenn das mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgerüstete Fahrzeug gestoppt ist, wird jedoch der in dem Speicher gespeicherte Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung für den Stopp verwendet.
Andererseits stellt die Steuerungsvorrichtung 70 mit Bezug auf den Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung eine Untergrenzen-Schwelle (Untergrenzenschutz) für den Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung durch einen minimalen Betrag P_min der Leistungserzeugung (beispielsweise 10 KW) ein, welcher gemäß der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird. Die Steuerungsvorrichtung 70 berechnet die Fahrzeuggeschwindigkeit basierend auf einem von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC und diese ermittelt den minimalen Betrag P_min der Leistungserzeugung. Für einen Aufwärmbetrieb bei einem Start stellt die Steuerungsvorrichtung 70 den kleineren Wert des zulässigen Betrags von Leistung des gesamten Brennstoffzellensystems 10 (d. h., Leistung, welche durch das gesamte System angenommen werden kann) oder von der maximalen Leistung unterhalb des Gefrierpunkts (das heißt, Leistung, welche gemäß einer dynamischen Leistungssteuerung eines Kompressors ermittelt wird) als den zulässigen Betrag P_per der Leistungserzeugung ein, und diese stellt eine Obergrenzen-Schwelle (Obergrenzenschutz) für den Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung ein. Die maximale Leistung unterhalb des Gefrierpunkts wird durch die Steuerungsvorrichtung 70 aus der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 unmittelbar nach einem Start und der vorliegenden Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 ermittelt, welche durch den Temperatursensor 74 erfasst werden.
Wenn der Ablaufhin zu Schritt S2 voranschreitet, begrenzt die Steuerungsvorrichtung (erster Einstellteil) 70 den Strom-Zielwert I_tgt durch eine Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl und eine Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol, um einen Strom-Befehlswert I_com zu erhalten (siehe 4A bis 4C). Die Ermittlungsverfahren der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl und der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol sind später detailliert beschrieben und an dieser Stelle ist daher darauf verzichtet. Wie beispielsweise in 4A gezeigt ist, falls sich der Strom-Zielwert I_tgt innerhalb des Bereichs der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl und der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol befindet (das heißt, falls sich dieser innerhalb der Grenzen von sowohl der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl als auch der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol befindet), stellt die Steuerungsvorrichtung 70 den Strom-Zielwert I_tgt als einen Strom-Befehlswert I_com ein. Falls andererseits der Strom-Zielwert I_tgt unter die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol fällt bzw. unterhalb dieser liegt, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol als den Strom-Befehlswert I_com ein (siehe 4B). In ähnlicher Art und Weise stellt die Steuerungsvorrichtung 70 die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl als den Strom-Befehlswert I_com ein (siehe 4C), falls der Strom-Zielwert I_tgt die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl überschreitet.
Nachfolgend dividiert die Steuerungsvorrichtung (zweiter Einstellteil) 70 den bei Schritt S1 erhaltenen Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung durch den bei Schritt S2 erhaltenen Strom-Befehlswert I_com und diese erhält dadurch einen Ziel-Spannungswert V_tgt. Die Steuerungsvorrichtung (zweiter Einstellteil) 70 begrenzt den Ziel-Spannungswert V_tgt durch eine Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl um einen Spannungs-Befehlswert V_com herzuleiten (Schritt S3; siehe 5A bis 5C). Das Ermittlungsverfahren der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl ist später detailliert beschrieben und daher ist an dieser Stelle darauf verzichtet. Wie beispielsweise in 5B gezeigt ist, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 den Spannungs-Zielwert V_tgt als den Spannungs-Befehlswert V_com ein (siehe 5B), falls der Spannungs-Zielwert V_tgt die Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl nicht überschreitet (das heißt, falls dieser innerhalb bzw. unterhalb der Grenze der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl liegt). Falls andererseits der Spannungs-Zielwert V_tgt die Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl überschreitet, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 die Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl als den Spannungs-Befehlswert Vom ein (siehe 5C).
Anschließend begrenzt die Steuerungsvorrichtung (dritter Einstellteil) 70 den bei Schritt S3 eingestellten Spannungs-Befehlswert V_com innerhalb eines spezifischen Bereichs basierend auf einem Spannungs-Messwert V_mes des Brennstoffzellenstapels 20 von einem Spannungssensor 71, um einen finalen Spannungs-Befehlswert V_fcom herzuleiten (Schritt S4). Falls sich beispielsweise der Spannungs-Befehlswert V_com innerhalb eines spezifischen Bereichs des Spannungs-Messwerts V_mes befindet (V_mes – a1 < V_com < V_mes + a2), wie in 6A gezeigt ist, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 den Spannungs-Befehlswert V_com als einen finalen Spannungs-Befehlswert V_fcom ein. Falls andererseits der Spannungs-Befehlswert V_com außerhalb des spezifischen Bereichs des Spannungs-Messwerts V_mes liegt, wird der Spannungs-Befehlswert V_com derart begrenzt, dass der finale Spannungs-Befehlswert V_fcom in den spezifischen Bereich des Spannungs-Messwerts V_mes fällt. Falls insbesondere der Spannungs-Befehlswert V_com unter die Untergrenze des Spannungs-Messwerts V_mes fällt bzw. liegt (V_com < V_mes – a1), wie in 6B gezeigt ist, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 die Untergrenze des Spannungs-Messwerts V_mes (V_mes – a1) als einen finalen Spannungs-Befehlswert V_fcom ein. Falls andererseits der Spannungs-Befehlswert V_com die Obergrenze des Spannungs-Messwerts V_mes überschreitet (V_mes + a2 < V_com), wie in 6C gezeigt ist, stellt die Steuerungsvorrichtung 70 die Obergrenze des Spannungs-Messwerts V_mes (V_mes + a2) als einen finalen Spannungs-Befehlswert V_fcom ein. Auf diese Art und Weise dient das Begrenzen des Spannungs-Befehlswerts V_com innerhalb eines spezifischen Bereichs des Spannungs-Messwerts V_mes (das heißt, des tatsächlich gemessenen Werts) zum Verhindern, dass der Spannungs-Befehlswert von der Realität der Situation abweicht.
Darüber hinaus multipliziert die Steuerungsvorrichtung (Herleitungsteil) 70 den bei Schritt S3 erhaltenen Spannungs-Befehlswert V_com mit dem bei Schritt S2 erhaltenen Strom-Befehlswert I_com, anschließend wird dies durch den bei Schritt S4 erhaltenen finalen Spannungs-Befehlswert V_fcom dividiert (siehe nachstehende Gleichung (4)), wodurch ein finaler Strom-Befehlswert I_fcom erhalten wird, um den Betriebspunkt (I_fcom, V_fcom) während eines Aufwärmbetriebs zu erhalten (Schritt S5), und anschließend endet der Vorgang. Nach diesem Vorgang betreibt die Steuerungsvorrichtung (Steuerungsteil) 70 den Brennstoffzellenstapel 20 bei dem ermittelten Betriebspunkt. V_com·I_com/V_fcom = I_fcom (4)
Wie aus der vorstehenden Gleichung (4) ersichtlich ist, werden nicht nur der Betriebspunkt (I_com, V_com), sondern ebenso der zu ermittelnde finale Betriebspunkt (I_fcom, V_fcom) auf der Linie L3 gleicher Leistung liegen. Mit anderen Worten, auch wenn verschiedene Beschränkungen existieren, wie eine Stromgrenze, kann die Brennstoffzelle nach wie vor Betrieben werden (das heißt, der Betriebspunkt der Brennstoffzelle kann nach wie vor ermittelt werden), um die Erfüllung des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung zu priorisieren, während solche Beschränkungen vermieden werden. Daher kann die Abnahme des Leistungs-Ansprechverhaltens des Brennstoffzellensystems unterdrückt werden.
Nachfolgend sind Ermittlungsverfahren der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl, der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_upl und der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl mit Bezug auf 7 usw. beschrieben. 7 stellt die Beziehung zwischen dem Betriebspunkt (I, V) des Brennstoffzellenstapels 20, welcher aus dem Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung und dem Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung zu einer bestimmten Zeit erhalten wird, und der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl, der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol und der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl dar.
<Ermittlungsverfahren einer Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl>
Hinsichtlich der Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl ist zumindest ein Minimalwert (einer bei der vorliegenden Ausführungsform) aus den nachstehend bei (A) bis (E) gezeigten Stromgrenzen, das heißt, der kleinste Strom-Grenzwert, als die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl eingestellt.

(A) Stromwert, welche durch eine Abnahme der Zellenspannung begrenzt ist (erste Stromgrenze A, welche in 7 gezeigt ist).
(B) Stromwert, welcher durch einen Brennstoffzellenstapel 20 und Hilfsvorrichtungen 55 begrenzt ist (zweite Stromgrenze B, welche in 7 gezeigt ist).
(C) Stromwert, welcher durch ein maximales Spannungs-Erhöhungsverhältnis eines FDC 51a begrenzt ist (dritte Stromgrenze C, welche in 7 gezeigt ist).
(D) Stromwert, welcher derart begrenzt ist, dass dieser den Anstieg der Abgas-Wasserstoffkonzentration aufgrund eines Pumpwasserstoffs unterdrückt (vierte Stromgrenze D, welche in 7 gezeigt ist).
(E) Stromwert, welcher durch einen zulässigen Betrag von Leistung des gesamten Brennstoffzellensystems 10 begrenzt ist (fünfte Stromgrenze E, welche in 7 gezeigt ist).

Die erste Stromgrenze bzw. Strombeschränkung A dient zum Schutz von Komponenten, welche den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, und die zweite Stromgrenze bzw. Strombeschränkung B dient zum Schutz der gesamten Einheit des Brennstoffzellenstapels 20. Da die Spannungs-Erhöhungsverstärkung des FDC 51a ebenso eine Grenze besitzt, ist die dritte Stromgrenze C derart eingestellt, dass diese eine solche Grenze nicht überschreitet. Darüber hinaus ist die vierte Stromgrenze D derart eingestellt, um mit den Gesetzen und Bestimmungen hinsichtlich der Abgas-Wasserstoffkonzentration übereinzustimmen, und diese ist insbesondere unter Berücksichtigung des Anstiegs der Abgas-Wasserstoffkonzentration aufgrund des Pumpwasserstoffs eingestellt. Der Pumpwasserstoff hierin bezieht sich auf Wasserstoff, welcher während eines Aufwärmbetriebs des Brennstoffzellenstapels 20 bei einer Kathode erzeugt wird. Insbesondere wenn die Zuführung von Oxidationsgas hin zu der Kathode während eines Aufwärmbetriebs nicht ausreichend ist (beispielsweise falls das Luft-Stöchiometrieverhältnis kleiner als 1,0 ist), läuft die nachstehende Gleichung (5) gemäß dem Betrag von unzureichendem Oxidationsgas ab und Wasserstoffionen und Elektronen rekombinieren, so dass der Wasserstoff erzeugt wird. Der erzeugte Wasserstoff wird zusammen mit dem Oxidationsgas-Abgas von der Kathode abgeführt. Solchermaßen ist der über die Rekombination des zerfallenden Wasserstoffions und von Elektronen bei der Kathode erzeugte Wasserstoff, das heißt, das bei der Kathode erzeugte Anodengas, als „Pumpwasserstoff” bezeichnet. Darüber hinaus ist die fünfte Stromgrenze E unter Berücksichtigung der Leistung eingestellt, welche durch das gesamte System aufgenommen werden kann. Kathode: 2H⁺ + 2e^– → H₂ (5)
Wie in 7 mit einem schwarzen Kreis gezeigt, ist, falls ein Betriebspunkt P1 (I_tgt1, V_tgt1) des Brennstoffzellenstapels 20, welcher aus dem Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung (Linie L_p1 gleicher Leistung) und dem Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung (Linie L_q1 von gleichem Q) innerhalb der ersten Stromgrenze A bis zu der fünften Stromgrenze E liegt (das heißt, falls der Betriebspunkt in den Bereich der ersten Stromgrenze A bis hin zu der fünften Stromgrenze E fällt bzw. darin liegt (siehe schraffierter Abschnitt von 7)), wie bereits beschrieben wurde (siehe Schritt S2 von 2), der Strom-Zielwert I_tgt1 als der Strom-Befehlswert I_com eingestellt, ohne in besonderer Art und Weise begrenzt zu sein.
Andererseits ist, wie in 7 mit nicht ausgefüllten Kreisen gezeigt ist, falls ein Betriebspunkt P2 (I_tgt2, V_tgt2) des Brennstoffzellenstapels 20, welcher aus dem Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung (Linie L_p2 gleicher Leistung) und dem Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung (Linie L_q2 von gleichem Q) erhalten wird, unter eine der ersten Stromgrenze A bis zu der fünften Stromgrenze E fällt (hier: die vierte Stromgrenze D), was bereits beschrieben wurde (siehe Schritt S1 von 2), der Strom-Zielwert I_tgt2 durch die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl aufgrund der vierten Stromgrenze D (in 7 der Stromwert des Schnittpunkts der Linie der vierten Stromgrenze D und der Linie L_p2 gleicher Leistung) begrenzt und die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl ist als der Strom-Befehlswert I_com eingestellt.
<Ermittlungsverfahren einer Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol>
Hinsichtlich der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol ist zumindest ein Maximalwert (einer bei der vorliegenden Ausführungsform) aus den Stromgrenzen bzw. Strombeschränkungen, welche nachfolgend unter (F) bis (H) gezeigt sind, das heißt, der größte Strom-Grenzwert, als die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol eingestellt.

(F) Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Hochpotenzial-Vermeidungsspannung erhalten wird (sechste Stromgrenze F, welche in 7 gezeigt ist).
(G) Stromwert, welcher basierend auf einer Leistungskurse (IV-Kennlinie) des Brennstoffzellenstapels 20 gemäß dem Betrag der erforderlichen Leistungserzeugung erhalten wird (siebte Stromgrenze G, welche in 7 gezeigt ist).
(H) Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung erhalten wird (achte Stromgrenze H, welche in 7 gezeigt ist).

Die sechste Stromgrenze bzw. Strombeschränkung F entspricht einer Strom-Untergrenze zum Unterdrücken einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 20 (wie eines Katalysatormetalls) und die siebte Stromgrenze G entspricht einer Strom-Untergrenze, welche aus einer IV-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 20 erhalten wird. Darüber hinaus entspricht die achte Stromgrenze H einer Strom-Untergrenze zum Aufrechterhalten der Wärmeerzeugungseffizienz. Hier wird die Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung aus der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 unmittelbar nach einem Start und der vorliegenden Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20, welche durch den Temperatursensor 74 erfasst werden, ermittelt. Ein Kennfeld zum Ermitteln der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung und eine Kennfeld zum Einstellen jeder Stromgrenze sind in einem Speicher usw. der Steuerungsvorrichtung 70 gespeichert. Diese Stromgrenzen bzw. Strombeschränkungen können außerdem anstelle (oder zusätzlich zu) der Verwendung von Kennfeldern unter Verwendung verschiedener Funktionen sequenziell hergeleitet werden.
Hier ist, wie in 7 mit einem schwarzen Kreis gezeigt, falls sich ein Betriebspunkt P1 (I_tgt1, V_tgt1) des Brennstoffzellenstapels 20, welcher aus dem Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung (Linie L_p1 gleicher Leistung) und dem Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung (Linie L_q1 von gleichem Q) erhalten wird, innerhalb der Grenzen bzw. Beschränkungen der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H befindet (das heißt, falls der Betriebspunkt in den Bereich der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H fällt (siehe den schraffierten Abschnitt von 7)), wie bereits beschrieben wurde (siehe Schritt S1 von 2), der Strom-Zielwert I_tgt1 als der Strom-Befehlswert I_com eingestellt, ohne in besonderer Art und Weise begrenzt zu sein.
Andererseits ist, wie in 7 mit nicht ausgefüllten Doppelkreisen gezeigt ist, falls ein Betriebspunkt P3 (I_tgt3, V_tgt3) des Brennstoffzellenstapels 20, welcher aus dem Betrag P_req der erforderlichen Leistungserzeugung (Linie L_p3 gleicher Leistung) und dem Betrag Q_req der erforderlichen Wärmeerzeugung (Linie L_q3 von gleichem Q) erhalten wird, auf eine Grenze der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H fällt (hier sämtliche Grenzen der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H), wie bereits beschrieben wurde (siehe Schritt S1 von 2), der Strom-Zielwert I_tgt3 durch die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol aufgrund der achten Stromgrenze H begrenzt (in 7 der Stromwert des Schnittpunkts der Linie der achten Stromgrenze H und der Linie L_p3 gleicher Leistung), und die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol ist als der Strom-Befehlswert I_com eingestellt. Darüber hinaus ist, wie vorstehend beschrieben ist, mit Bezug auf die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol, der größte Strom-Grenzwert bzw. Beschränkungswert aus der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H als die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol eingestellt, und daher ist in dem in 7 gezeigten Beispiel die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol aufgrund der achten Stromgrenze H als der Strom-Befehlswert I_com eingestellt.
Gemäß der Umstände ist angenommen, dass sowohl die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl aufgrund der ersten Stromgrenze A bis hin zu der fünften Stromgrenze E, als auch die Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol aufgrund der sechsten Stromgrenze F bis hin zu der achten Stromgrenze H gleichzeitig auftreten können. In einem solchen Fall ist es unter Berücksichtigung des großen Einflusses, welcher das Brennstoffzellensystem 10 beeinflussen würde, wünschenswert, die Begrenzung bzw. Beschränkung durch die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl zu priorisieren. Das heißt, da die erste Stromgrenze A, welche die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl definiert, zum Schutz von Komponenten (wie Elektrolyten) vorgesehen ist, welche den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, kann, falls einer solche Strombegrenzung nicht entsprochen wird, eine ernsthafte Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 20 auftreten. Daher besitzt bei der vorliegenden Ausführungsform die Beschränkung bzw. Begrenzung durch die Strom-Obergrenzen-Schwelle I_upl gegenüber der Strom-Untergrenzen-Schwelle I_lol Priorität. Die Priorität der ersten Stromgrenze A bis hin zu der achten Stromgrenze H kann jedoch durch Systemgestalter beliebig eingestellt oder verändert werden.
<Ermittlungsverfahren einer Spannungs-Obergrenzen-Schwelle I_upl>
Hinsichtlich der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle I_upl ist der kleinere Wert des Spannungswerts der siebten Stromgrenze G (das heißt, der Spannungswert, welcher basierend auf der Leistungskurse (IV-Kennlinie) des Brennstoffzellenstapels 20 gemäß dem Betrag der erforderlichen Leistungserzeugung erhalten wird) oder des Spannungswerts der achten Stromgrenze H (das heißt, der Spannungswert der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung) als die Spannungs-Obergrenzen-Schwelle I_upl eingestellt.
Falls jedoch, wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, der Stromwert des kleineren Werts der vorstehend beschriebenen ersten Stromgrenze A oder der zweiten Stromgrenze B kleiner als der Stromwert der siebten Stromgrenze G ist (das heißt, der Stromwert, welcher basierend auf der Leistungskurse (IV-Kennlinie) des Brennstoffzellenstapels 20 erhalten wird), ist der Spannungswert V' der achten Stromgrenze H, welche zum Berechnen der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl verwendet wird (das heißt, der Spannungswert der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung) auf eine offene Endspannung V0 des Brennstoffzellenstapels 20 eingestellt. Der Spannungswert ist wie vorstehend beschrieben eingestellt, da, falls der Spannungswert V' der achten Stromgrenze H (das heißt, der Spannungswert der Leistungserzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung) in einem Zustand ohne irgendeine Veränderung eingestellt ist, bei welchem der Stromwert des kleineren Werts der ersten Stromgrenze A oder der zweiten Stromgrenze B kleiner als der Stromwert der siebten Stromgrenze G ist, der Brennstoffzellenstapel nicht betrieben werden kann, während dieser innerhalb der Strombeschränkung bzw. Stromgrenze bleibt (siehe 8). Auf diese Art und Weise kann mit Bezug auf den Spannungswert der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung, welche zum Berechnen der Spannungs-Obergrenzen-Schwelle V_upl verwendet wird, bei einem Zustand, bei welchem spezifische Anforderungen erfüllt sind, der Spannungswert V' der achten Stromgrenze H durch die offene Endspannung V0 des Brennstoffzellenstapels 20 ersetzt sein, anstelle der Verwendung derselben ohne irgendeine Veränderung, um einen Aufwärmbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei einem Betriebspunkt zu ermöglichen, welcher für das gesamte System wünschenswert ist.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle betreiben, um die Erfüllung des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung zu priorisieren, während verschiedene Beschränkungen, wie eine Stromgrenze, bei einem Brennstoffzellensystem vermieden werden, welches die Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt.
Die vorliegende Erfindung ist geeignet auf ein Brennstoffzellensystem anwendbar, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-231815 [0001]
JP 2002-313388 A [0004]

Claims

Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt, wobei das Verfahren aufweist: einen ersten Schritt zum Ermitteln eines Strom-Zielwerts aus einem Betrag einer erforderlichen Leistungserzeugung und einem Betrag einer erforderlichen Wärmeerzeugung; einen zweiten Schritt zum Einstellen des Strom-Zielwerts als einen Strom-Befehlswert, so dass der Strom-Zielwert in einen Bereich eines oberen Grenzstroms und eines unteren Grenzstroms fällt, wenn der Strom-Zielwert außerhalb des Bereichs des oberen Grenzstroms und des unteren Grenzstroms liegt; einen dritten Schritt zum Erhalten eines Ziel-Spannungswerts entsprechend dem Strom-Befehlswert durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch den Strom-Befehlswert, und zum Einstellen des Ziel-Spannungswerts als einen Spannungs-Befehlswert, so dass der Ziel-Spannungswert in einen Bereich einer oberen Grenzspannung fällt, wenn der Ziel-Spannungswert die obere Grenzspannung überschreitet; einen vierten Schritt zum Einstellen des Spannungs-Befehlswerts als einen finalen Spannungs-Befehlswert, so dass der Spannungs-Befehlswert in einen vorbestimmten Bereich fällt, welcher für einen Spannungs-Messwert der Brennstoffzelle eingestellt ist, wenn der Spannungs-Befehlswert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt; einen fünften Schritt zum Erhalten eines finalen Strom-Befehlswerts durch Dividieren eines Werts, welcher durch Multiplizieren des Spannungs-Befehlswerts mit dem Strom-Befehlswert erhalten wird, durch den finalen Spannungs-Befehlswert; und einen sechsten Schritt zum Betreiben der Brennstoffzelle durch den finalen Strom-Befehlswert und den finalen Spannungs-Befehlswert.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Minimalwert aus den nachfolgenden Werten (A) bis (E) als der obere Grenzstrom eingestellt ist: (A) ein Stromwert, welcher durch eine Abnahme einer Zellenspannung der Brennstoffzelle begrenzt ist; (B) ein Stromwert, welcher durch die Brennstoffzelle und Hilfsvorrichtungen begrenzt ist; (C) ein Stromwert, welcher durch ein maximales Spannungs-Erhöhungsverhältnis eines Spannungswandlers begrenzt ist, welcher eine Spannung der Brennstoffzelle steuert; (D) ein Stromwert, welcher derart begrenzt ist, dass dieser einen Anstieg einer Abgas-Wasserstoffkonzentration aufgrund eines Pumpwasserstoffs der Brennstoffzelle unterdrückt; und (E) ein Stromwert, welcher durch einen zulässigen Leistungsbetrag eines gesamten Systems begrenzt ist.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 2, wobei zumindest ein Maximalwert aus den nachfolgenden Werten (F) bis (H) als der untere Grenzstrom eingestellt ist; (F) ein Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Hochpotenzial-Vermeidungsspannung erhalten wird; (G) ein Stromwert, welcher basierend auf einer Leistungskurse der Brennstoffzelle gemäß dem Betrag der erforderlichen Leistungserzeugung erhalten wird; und (H) ein Stromwert, welcher durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch eine Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung erhalten wird.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, wobei der kleinere Wert eines Spannungswerts, welcher basierend auf der Leistungskurve der Brennstoffzelle gemäß dem Strom-Befehlswert erhalten wird, oder der Wärmeerzeugungseffizienz-Erhaltungsspannung als die obere Grenzspannung eingestellt ist.
Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle durch einen Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad aufwärmt, wobei das System aufweist: einen Ermittlungsteil, welcher einen Strom-Zielwert aus einem Betrag einer erforderlichen Leistungserzeugung und einem Betrag einer erforderlichen Wärmeerzeugung ermittelt; einen ersten Einstellteil, welcher den Strom-Zielwert als einen Strom-Befehlswert einstellt, so dass der Strom-Zielwert in einen Bereich eines oberen Grenzstroms und eines unteren Grenzstroms fällt, wenn der Strom-Zielwert außerhalb des Bereichs des oberen Grenzstroms und des unteren Grenzstroms liegt; einen zweiten Einstellteil, welcher einen Ziel-Spannungswert entsprechend dem Strom-Befehlswert durch Dividieren des Betrags der erforderlichen Leistungserzeugung durch den Strom-Befehlswert und Einstellen des Ziel-Spannungswerts als einen Spannungs-Befehlswert erhält, so dass der Ziel-Spannungswert in einen Bereich einer oberen Grenzspannung fällt, wenn der Ziel-Spannungswert die obere Grenzspannung übersteigt; einen dritten Einstellteil, welcher den Spannungs-Befehlswert als einen finalen Spannungs-Befehlswert einstellt, so dass der Spannungs-Befehlswert in einen vorbestimmten Bereich fällt, welcher für einen Spannungs-Messwert der Brennstoffzelle eingestellt ist, wenn der Spannungs-Befehlswert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt; einen Herleitungsteil, welcher einen finalen Strom-Befehlswert durch Dividieren eines Werts, der durch Multiplizieren des Spannungs-Befehlswerts mit dem Strom-Befehlswert erhalten wird, durch den finalen Spannungs-Befehlswert erhält; und einen Steuerungsteil, welcher die Brennstoffzelle durch den finalen Strom-Befehlswert und den finalen Spannungs-Befehlswert betreibt.