DE112006002715T5 - Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Abschätzen der zu erzeugenden Anodengasmenge und Verfahren zum Abschätzen der zu erzeugenden Anodengasmenge - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Abschätzen der zu erzeugenden Anodengasmenge und Verfahren zum Abschätzen der zu erzeugenden Anodengasmenge Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem, das selektiv eine Aktion mit einem ersten Wirkungsgrad und eine Aktion mit einem zweiten Wirkungsgrad ausführt, der niedriger ist als der erste Wirkungsgrad, und die nachfolgend als Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad bezeichnet wird, umfassend:
ein Regelmittel zur Regelung der Verdünnungsmenge eines aus einer Kathode abzuführenden Gases, gemäß einer Gasmenge eines Anodengases, die in dem aus der Kathode der Brennstoffzelle während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad abzuführenden Gas enthalten ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine Technologie zum Schätzen einer in einer Kathode einer Brennstoffzelle zu erzeugenden Kathodengasmenge.
  • Stand der Technik
  • Eine in einem Brennstoffzellenfahrzeug und dergleichen eingebaute Brennstoffzelle erzeugt eine Leistung durch Gebrauch eines einer Anode zuzuführenden, Wasserstoff enthaltenden Brenngases und eines einer Kathode zuzuführenden, Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases. Ein aus der Brennstoffzelle abzuführendes Wasserstoffabgas wird mit einem Sauerstoffabgas vermischt und verdünnt und aus dem Fahrzeug in einem Zustand abgeführt, in dem die Wasserstoffkonzentration reduziert ist. Um ein solches Wasserstoffabgas abzuführen, muss das Gas ausreichend verdünnt werden, so dass nicht Wasserstoff mit hoher Konzentration abgeführt wird (siehe z. B. Patentdokument 1).
  • Überdies muss das Wasserstoffabgas mit guter Präzision gemessen werden, damit das Gas ausreichend verdünnt und kein hochkonzentrierter Wasserstoff abgeführt wird. Als ein Verfahren zur Feststellung einer solchen Konzentration des Wasserstoffabgases wird ein Verfahren vorgeschlagen, einen Wasserstoffsensor in einen Kanal für das Kathodenabgas einzubauen, durch den ein Sauerstoffabgas geleitet wird, und die Konzentration des von der Seite der Kathode abzuführenden Wasserstoffabgases durch den Gebrauch des Wasserstoffsensors festzustellen (siehe beispielsweise das Patentdokument 2).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei einem Fall jedoch, bei welchem eine Brennstoffzelle in einem Zustand niedriger Leistungserzeugung betrieben wird, wird nicht nur Wasserstoff von einer Anode abgegeben, sondern es wird auch Wasserstoff (hauptsächlich Pumpwasserstoff – pumping hydrogen) von der Kathode abgegeben, und manchmal wird in Bezug auf einen geregelten Bereich überschüssiger Wasserstoff aus dem System abgegeben.
  • Überdies weist das obige konventionelle Verfahren zur Feststellung der Konzentration von Wasserstoffabgas das Problem auf, dass die Konzentration nicht bestimmt werden kann, bis das Wasserstoffabgas einen Wasserstoffsensor erreicht, und dass viel Zeit für diese Feststellung erforderlich ist.
  • Angesichts der oben erwähnten Situation wurde die vorliegende Erfindung entwickelt, und es ist eine der ihr zugrunde liegenden Aufgaben, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, das befähigt ist, die Konzentration von Wasserstoffabgas selbst in einem Falle ausreichend zu reduzieren, in welchem eine Brennstoffzelle in einem Zustand niedriger Effizienz der Leistungserzeugung betrieben wird. Des weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie zur Verfügung zu stellen, die befähigt ist, schnell und richtig die Konzentration von Wasserstoffabgas festzustellen, das auf der Kathodenseite abgegeben wird.
  • Um das oben erwähnte Problem zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das selektiv eine Aktion mit einem ersten Wirkungsgrad und eine Aktion mit einem zweiten Wirkungsgrad ausführt, der niedriger ist als er erste Wirkungsgrad (nachfolgend als Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad bezeichnet) und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: ein Regelmittel zur Regelung einer Verdünnungsmenge des aus einer Kathode abzuführenden Gases gemäß einer Gasmenge eines Anodengases, die in dem aus der Kathode der Brennstoffzelle abzuführenden Gas enthalten ist.
  • Dabei ist es bei der der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das in dem aus der Kathode abzuführenden Gas enthaltene Anodengas ein Wasserstoffgas ist, das in der Kathode des Brennstoffzellensystems während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad erzeugt wird, wobei das System weiter umfasst: einen Bypasskanal, der es einem Teil des durch einen Gasversorgungspfad der Brennstoffzelle fließenden Kathodengases gestattet, die Brennstoffzelle zu umgehen und diesen Teil in einen Ableitungskanal einleitet, und wobei das Regelmittel ein Bypassventil umfasst, das gemäß einer in dem aus der Kathode der Brennstoffzelle abzuführenden Gas enthaltenen Gasmenge eines Wasserstoffgases eine Gasmenge des über den Bypass zu führenden Kathodengases steuert.
  • Zudem ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Regelmittel die Gasmenge des über den Bypass zu führenden Kathodengases derart steuert, dass eine Ableitungskonzentration des aus dem System abzuleitenden Wasserstoffs nicht größer als ein Bezugswert ist.
  • Des weiteren ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das der Kathode der Brennstoffzelle zuzuführende Kathodengas ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas ist, wobei das Brennstoffzellensystem weiter enthält: eine Oxidationsgasversorgungsquelle, die das Oxidationsgas entsprechend einem gegebenen Befehl abgibt; und ein Steuermittel zur Steuerung einer Menge des Oxidationsgases, die von der Oxidationsgasversorgungsquelle auf der Basis der Menge des Oxidationsgases abgegeben wird, die für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlich ist und für die Menge des Oxidationsgases, der gestattet wird, die Brennstoffzelle zu umgehen.
  • Zusätzlich ist es bei der Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Steuermittel ein Druckregelventil umfasst, das die Menge des Oxidationsgases steuert, das von der Oxidationsgasversorgungsquelle der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und dass während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad in einem Falle, in welchem die Menge des in der Kathode der Brennstoffzelle zu erzeugenden Wasserstoffgases nicht größer als der Bezugswert ist, das Regelmittel das Bypassventil vollständig schliesst, während das Steuermittel die Menge des abzuführenden Oxidationsgases steuert, während ein Öffnungsgrad des Druckregelventils konstant gehalten wird in Übereinstimmung mit der Menge des für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlichen Oxidationsgases.
  • Überdies ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass die Oxidationsgasversorgungsquelle ein Luftkompressor ist und dass das Steuermittel die Menge des abzuführenden Oxidationsgases steuert, während das Druckregelventil in Übereinstimmung mit der Menge des für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlichen Oxidationsgases voll geöffnet ist.
  • Zudem umfasst bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform Mittel zur Veranschlagung der Gasmenge des in der Kathode der Brennstoffzelle während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad zu erzeugenden Wasserstoffgases.
  • Zusätzlich ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform dass die Mittel zur Veranschlagung die Menge des Wasserstoffs auf der Basis eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, eines stöchiometrische Luftverhältnisses der Brennstoffzelle und einer Temperatur der Brennstoffzelle veranschlagen.
  • Überdies ist ein Verfahren zur Veranschlagung einer zu erzeugenden Wasserstoffmenge, erfindungsgemäß ein Veranschlagungsverfahren, welches die Menge eines in der Kathode einer Brennstoffzelle während einer Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad zu erzeugenden Wasserstoffgases veranschlagt, umfassend: einen ersten Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung eines stöchiometrischen Luftverhältnisses der Brennstoffzelle auf der Basis einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle; und einen zweiten Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung der in der Kathode der Brennstoffzelle zu erzeugenden Gasmenge des Wasserstoffgases auf der Basis des Ausgangsstroms, des stöchiometrische Luftverhältnisses und einer Temperatur der Brennstoffzelle.
  • Außerdem ist eine Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases erfindungsgemäß eine Veranschlagungsvorrichtung, die die Menge des in der Kathode einer Brennstoffzelle zu erzeugenden Anodengases veranschlagt, umfassend: Betriebssteuermittel zum Betreiben der Brennstoffzelle auf einem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad, die einen Leistungsverlust größer als jenen eines üblichen Betriebspunkts in einem Falle besitzt, in welchem vorgegebene Bedingungen befriedigt werden; und ein Mittel zur Veranschlagung der Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis einer Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle am Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betrieben wird.
  • Dabei ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Merkmale veranschlagt: die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibende Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und Schwankungen der Druckverluste von die Brennstoffzelle bildenden Zellen, zusammen mit der Leistungserzeugungscharakterstik der Brennstoffzelle und der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases.
  • Des weiteren ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung sowohl der verbleibenden Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, als auch der Schwankungen der Druckverluste der Zellen veranschlagt.
  • Weiterhin ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass sie weiter einen Spannungsmonitor zur Feststellung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umfasst, wobei das Mittel zur Veranschlagung die Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis der durch den Spannungsmonitor festgestellten Ausgangsspannung veranschlagt.
  • Zusätzlich ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass der Spannungsmonitor eine Zellenspannung einer jeden der Zellen feststellt, wobei das Mittel zur Veranschlagung eine Bezugsfunktion einschließt, die eine Beziehung zwischen der Zellenspannung einer Bezugszelle und der Menge des zu erzeugenden Anodengases anzeigt, und das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases durch Nutzung der vom Spannungsmonitor festgestellten Zellenspannung und der Bezugsfunktion die Menge des zu erzeugenden Anodengases veranschlagt.
  • Überdies ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Betriebssteuermittel die Brennstoffzelle beim Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betreibt, wenn die Brennstoffzelle aufgeheizt werden muss oder falls die Katalysatorfunktion der Brennstoffzelle wiederhergestellt werden muss.
  • Des weiteren ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass das in der Kathode zu erzeugende Anodengas Wasserstoff ist.
  • Zusätzlich ist ein Verfahren zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases erfindungsgemäß ein Veranschlagungsverfahren, das die Menge des in der Kathode einer Brennstoffzelle zu erzeugenden Anodengases veranschlagt, umfassend: einen Schritt zur Betriebssteuerung zum Betreiben der Brennstoffzelle bei einem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad, bei dem ein größerer Druckverlust auftritt als der bei einem üblichen Betriebspunkt, bei dem eine vorgegebene Bedingung befriedigt wird, und einen Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung der Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases basierend auf einer Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle für den Fall, dass die Brennstoffzelle auf dem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betrieben wird.
  • Dabei ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass der Veranschlagungsschritt die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Merkmale veranschlagt: die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibende Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und Schwankungen der Druckverluste von die Brennstoffzelle bildenden Zellen, zusammen mit der Leistungserzeugungscharakterstik der Brennstoffzelle und der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases.
  • Überdies ist es bei der obigen Gestaltung eine bevorzugte Ausführungsform, dass der Veranschlagungsschritt die Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis der von einem Spannungsmonitor festgesellten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle veranschlagt.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung selbst in dem Falle, dass die Brennstoffzelle in einem Zustand mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird, eine Wasserstoffabgaskonzentration ausreichend reduziert werden. Erfindungsgemäß kann die Konzentration des auf der Kathodenseite abzuführenden Wasserstoffabgases oder dergleichen schnell und richtig erhalten werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellesystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
  • 2 ist ein Schaubild, das die erfindungsgemäße Beziehung zwischen einem Brennstoffzellenstrom und einer Brennstoffzellenspannung zeigt;
  • 3A ist ein Schaubild, das eine Zellenreaktion während einer üblichen, erfindungsgemäßen Aktion zeigt;
  • 3B ist ein Schaubild, das eine Zellenreaktion während einer erfindungsgemäßen Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt;
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Aktion während der erfindungsgemäßen Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt;
  • 5 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 6A ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und einem Leistungsverlust während einer üblichen Aktion gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 6B ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und einem Leistungsverlust während der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 7A ist ein Schaubild, das eine Zellenreaktion während einer üblichen Aktion gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 7B ist ein Schaubild, das eine Zellenreaktion während der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad gemäß der Ausführungsform zeigt;
  • 8 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einem stöchiometrischen Luftverhältnis und einer gemäß der Ausführungsform zu erzeugenden Menge von Pumpwasserstoff zeigt;
  • 9 ist ein Schaltbild, das eine Gestaltung um eine Brennstoffzelle nach einer dritten Ausführungsform zeigt;
  • 10 ist eine erläuternde Ansicht einer Bezugsfunktion gemäß der Ausführungsform;
  • 11 ist eine Ansicht einer Tabelle zur Regelung des Luftdurchflusses gemäß der Ausführungsform;
  • 12 ist ein Schaltbild der Umgebung einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform;
  • 13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Aktion der Ausführungsform zeigt;
  • 14 ist eine erläuternde Ansicht eines jeden Betriebspunkts gemäß der Ausführungsform; und
  • 15 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Aktion einer Voraktion mit einem niedrigen Wirkungsgrad gemäß der Ausführungsform zeigt.
  • Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Beugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • A. Erste Ausführungsform
  • Die 1 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Hauptteils eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem angenommen, das in einem Fahrzeug, wie einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV = Brennstoffzellenhybridfahrzeug), einem Elektrofahrzeug und einem Hybridfahrzeug eingebaut werden soll, aber auch in verschiedenen mobilen Objekten, (beispielsweise einem Schiff, einem Flugzeug, einem Roboter usw.), und einer stationären Leistungsquelle.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 schließt ein der Brenngaszirkulation dienendes Versorgungssystem und Oxidationsgasversorgungssystem ein.
  • Das der Brenngaszirkulation dienendes Versorgungssystem schließt eine Brenngasversorgungsquelle 30, einen Brenngasversorgungspfad 21 und eine Brennstoffzelle 40, einen Brenngaszirkulationspfad 22 und einen Anodenabgaskanal 23 ein, und das Oxidationsgasversorgungssystem schließt einen Luftkompressor 60, einen Oxidationsgasversorgungspfad 11 und einen Kathodenabgaskanal 12 ein.
  • Die Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung einer Leistung aus dem zugeführten Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) und weist eine Stapelstruktur auf, in der eine Mehrzahl von einzelnen, eine MEA (Membran-Elektrode-Anordnung, ein Film/Elektrode-Verbundmaterial) enthaltenden Zellen und dergleichen in Reihe laminiert sind.
  • Insbesondere können Brennstoffzellen verschiedener Typen, wie ein fester Polymer-Typ, ein Phosphorsäure-Typ und ein löslicher Karbonat-Typ benutzt werden.
  • Die Brenngasversorgungsquelle 30 ist ein Mittel zur Zuführung von Brenngas, wie Wasserstoffgas, zur Brennstoffzelle 40, und schließt beispielsweise einen Hochdruck-Wasserstofftank und dergleichen ein. Der Brenngasversorgungspfad 21 ist ein Gaskanal, der das aus der Brenngasversorgungsquelle 30 auszugebende Brenngas einem Anodenpol der Brennstoffzelle 40 zuführt, und der Gaskanal ist von stromauf nach stromab mit Ventilen, wie einem Tankventil H1, einem Wasserstoffversorgungsventil H2 und einem Brennstoffzelleneinlassventil H3 versehen. Das Tankventil H1, das Wasserstoffversorgungsventil H2 und das Brennstoffzelleneinlassventil H3 sind Absperrventile zur Einleitung (oder Absperrung) des Brenngases in die bzw. von den Gaskanälen 21 bis 23 oder der Brennstoffzelle 40, und die Ventile schließen beispielsweise elektromagnetische Ventile ein.
  • Der Brenngaszirkulationspfad 22 ist ein Rückführgaskanal zur Rückführung von nicht an der Reaktion beteiligtem Brenngas zur Brennstoffzelle 40, und der Gaskanal ist von stromauf nach stromab aufeinanderfolgend mit einem Brennstoffzellenaunlassventil H4, einer Wasserstoffpumpe 50 und einem Rückschlagventil 51 versehen. Ein nicht von der Reaktion erfasstes, einen niedrigen Druck aufweisendes, aus der Brennstoffzelle 40 abgegebenes Brenngas von der Wasserstoffpumpe 50 in geeigneter Weise unter Druck gesetzt und in den Brenngasversorgungspfad 21 eingeleitet. Es ist zu beachten, dass eine Gegenströmung des Brenngases vom Brenngasversorgungspfad 21 zum Brenngaszirkulationspfad 22 durch das Rückschlagventil 51 unterdrückt wird.
  • Der Anodenabgaskanal 23 ist ein Gaskanal für den Auslass eines ein Wasserstoffabgas enthaltenden Anodenabgases aus der Brennstoffzelle 40 nach der Außenseite des Systems, und der Gaskanal ist mit einem Auslassventil H5 versehen.
  • Der Luftkompressor 60 führt der Außenluft entnommenen Sauerstoff (ein Oxidationsgas) über einen (nicht gezeigten) Luftfilter einem Kathodenpol der Brennstoffzelle 40 zu. Ein Kathodenabgas wird von einer Kathode der Brennstoffzelle 40 abgegeben. Das Kathodenabgas schließt Pumpwasserstoff ein, der auf der Seite der Kathode und dergleichen entsteht, zusätzlich zu einem Sauerstoffabgas, das einer Zellenreaktion der Brennstoffzelle 40 ausgesetzt ist (Einzelheiten werden später erläutert). Weil dieses Kathodenabgas einen Wassergehalt einschließt, der durch eine Brennstoffreaktion in der Brennstoffzelle 40 entsteht, wird das Gas in einen hochgradig feuchten Zustand versetzt.
  • Ein Befeuchtungsmodul 70 tauscht den Wassergehalt zwischen einem weniger feuchten, über den Oxidationsgasversorgungspfad 11 fließenden Oxidationsgas und einem hochgradig feuchte, durch den Kathodenabgaskanal 12 fließenden Kathodenabgas aus, um in angemessener Weise das der Brennstoffzelle 40 zuzuführende Oxidationsgas zu befeuchten. Ein Rückdruck des der Brennstoffzelle 40 zuzuführenden Oxidationsgases wird durch ein Luftdruckregelventil A1 geregelt, dass sich in der Nähe eines Kathodenauslasses des Kathodenabgaskanals 12 befindet.
  • Dabei ist der sich vom Luftkompressor 60 zum Befeuchtungsmodul 70 erstreckende Oxidationsgasversorgungspfad 11 mit dem sich vom Befeuchtungsmodul bis zu einer Verdünnungseinheit 80 erstreckenden Kathodenabgaskanal 12 über ein Bypass-Ventil B1 verbunden. Das Bypass-Ventil B1 und ein Bypass-Kanal 31 dienen dazu, einem Teil des durch den Oxidationsgasversorgungspfad 11 strömenden Oxidationsgases zu gestatten, die Brennstoffzelle 40 zu umgehen und den Teil in den Kathodenabgaskanal 12 einzuleiten, und die Menge des über den Bypass geführten Oxidationsgases wird durch eine Steuereinheit (Regulierungsmittel) 160 geregelt. Es ist zu beachten, dass in der nachfolgenden Beschreibung das über den Bypass geführte Oxidationsgas als Bypassluft bezeichnet wird.
  • Die Verdünnungseinheit 80 verdünnt das Gas, so dass die Abführkonzentration des Wasserstoffgases in einen vorgegebenen Konzentrationsbereich (einen auf der Basis eines Umweltstandards oder dergleichen bestimmten Bereich) fällt. Diese Verdünnungseinheit 80 steht mit den stromab gelegenen Seiten des Kathodenabgaskanals 12 und des Anodenabgaskanals 23 in Verbindung und mischt und verdünnt das Wasserstoffabgas, den Pumpwasserstoff, das Sauerstoffabgas und die Bypassluft um das Gas aus dem System abzuführen.
  • Die Spannung eines Teils einer in der Brennstoffzelle 40 erzeugten Gleichstromleistung wird durch einen Gleichstromumrichter 130 angehoben und abgesenkt, um eine Batterie 140 zu laden.
  • Die Batterie 140 ist eine ladbare und entladbare Sammelbatterie (d. h. eine Nickel-Wasserstoff-Batterie, usw.). Es ist überflüssig zu erwähnen, dass anstelle der Batterie 140 eine andere ladbare und entladbare Leistungsspeichereinheit benutzt werden kann, wie beispielsweise ein Kondensator.
  • Ein Antriebs-Inverter 110 und ein Hilfsmaschinen-Inverter 120 sind Inverter für Pulsdauermodulation (PWM) eines Pulsdauermodulationssystems und wandeln in Überseinstimmung mit einem gegebene Steuerbefehl den Gleichstrom-Leistungsausgang der Brennstoffzelle 40 oder der Batterie 140 in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung um, um die Leistung einem Antriebsmotor M3 und einem Hilfsmaschinenmotor M4 zuzuführen.
  • Der Antriebsmotor M3 ist ein Motor, der die Räder 150L und 150R antreibt. Und der Hilfsmaschinenmotor M4 ist ein Motor zum Antrieb verschiedener Hilfsmaschinen. Es ist anzumerken, dass der Hilfsmaschinenmotor M4 im allgemeinen in Beziehung steht zu einem Motor M1, der die Pumpe 50 für den Wasserstoffkreislauf antreibt, und einem Motor M2. der den Luftkompressor 60 und dergleichen antreibt.
  • Die Steuereinheit (das Regelmittel) 160 schließt eine CPU, ein ROM, ein RAM und dergleichen ein und steuert zentral auf der Basis von eingegebenen Sensorsignalen Abschnitte des Systems. Insbesondere steuert die Einheit die Breite ausgegebener Impulse und dergleichen der Inverter 110, 120 auf der Basis von Sensorsignalen, die von einem Fahrpedalsensor s1 eingehen, der den Betätigungsgrad (Öffnungsgrad) eines Fahrpedals ermittelt, von einem SOC-Sensor s2, der den Ladungszustand (state of Charge = SOC) der Batterie 140 ermittelt, einen Sensor s3 zur Ermittlung der die Umdrehungszahl eines T/C-Motors, der die Umdrehungszahl des Antriebsmotors M3 feststellt, und einen Spannungssensor s4, einen Stromsensor s5, einen Temperatursensor s6 und dergleichen, die eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom bzw. eine Innentemperatur der Brennstoffzelle 40 feststellen.
  • Überdies führt die Steuereinheit 160 eine Aktion mit einer geringen leistungserzeugenden Wirkung durch Anwendung von in einem Speicher 170 gespeicherten Kennfeldern mp1 bis mp5 aus, in einem Falle, in welchem die Brennstoffzelle 40 während des Starts bei niedriger Temperatur oder dergleichen aufgewärmt werden muss.
  • Die 2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom (Brennstoffzellenstrom) und einer Ausgangsspannung (Brennstoffzellenspannung) der Brennstoffzelle zeigt. Ein Fall, bei welchem eine Aktion mit einer hohen leistungserzeugenden Wirkung (eine übliche Aktion; eine Aktion mit einem ersten Wirkungsgrad) ausgeführt wird, ist durch eine ausgezogene Linie dargestellt, und ein Fall, bei welchem die Menge des Oxidationsgases reduziert ist, um eine Aktion mit einer geringen leistungserzeugenden Wirkung (eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad; eine Aktion mit einem zweiten Wirkungsgrad; der niedriger ist als der erste Wirkungsgrad) ist durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Abszisse den Brennstoffzellenstrom und die Ordinate die Brennstoffzellenspannung anzeigt.
  • Gewöhnlich wird beim Betrieb der Brennstoffzelle 40 diese in einem Zustand betrieben, in dem ein stöchiometrisches Luftverhältnis auf 1,0 oder mehr (ein theoretischer Wert) eingestellt ist, um Leistungsverluste zu unterdrücken und eine höhere leistungserzeugende Wirkung (siehe die ausgezogene Linie in 2) zu erhalten. Dabei ist das stöchiometrische Luftverhältnis ein übermäßiges Verhältnis der aktuellen Luftversorgungsmenge in Bezug auf eine theoretische, zur Erzeugung des Brennstoffzellenstroms erforderliche Luftmenge.
  • Andererseits wird, wenn die Brennstoffzelle 40 aufgewärmt wird, die Brennstoffzelle 40 in einem Zustand betrieben, in dem das stöchiometrische Luftverhältnis um 1,0 (ein theoretischer Wert) eingestellt ist, um die Leistungsverluste zu erhöhen und die Temperatur der Brennstoffzelle 40 anzuheben (siehe die unterbrochene Linie in 2). Falls das stöchiometrische Luftverhältnis so eingestellt ist, dass es für den Betrieb der Brennstoffzelle im Vergleich zu der durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu entnehmenden Energie niedrig ist, wird die Energie, die die Leistungsverluste (d. h. die Wärmeverluste) kompensiert, zwangsläufig erhöht. Deshalb kann die Zelle schnell aufgeheizt werden. Andererseits wird ein Pumpwasserstoff in der Kathode erzeugt.
  • Die 3 ist eine erläuternde Ansicht eines Erzeugungsmechanismus für den Pumpwasserstoff, wobei die 3A ein Schaubild ist, das eine Zellenreaktion während einer üblichen Aktion zeigt, und 3B ein Schaubild, das eine Zellenreaktion während einer Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt.
  • Jede der Zellen 4 schließt einen elektrolytischen Film 4a, sowie eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode ein, die diesen elektrolytischen Film 4a zwischen sich einschließen. Ein Wasserstoff (H2) einschließendes Brenngas wird einer Anode, und ein Sauerstoff (O2) einschließendes Oxidationsgas wird einer Kathode zugeführt. Wenn das Brenngas der Anode zugeführt wird, läuft eine Reaktion gemäß der folgenden Formel (A) ab und Wasserstoff wird dissoziiert in ein Wasserstoffion und ein Elektron. Das in der Anode erzeugte Wasserstoffion durchdringt den elektrolytischen Film 4a, um sich zur Kathode zu bewegen, während das Elektron von der Anode aus einen externen Kreis durchläuft, um zur Kathode zu gelangen.
  • Dabei läuft, falls der Kathode ausreichend Oxidationsgas zugeführt wird (das stöchiometrische Luftverhältnis > 1,0) eine Reaktion nach der folgenden Formel (B) ab, um aus dem Sauerstoff, dem Wasserstoffion und dem Elektron Wasser zu bilden (siehe 3A). Andererseits, falls der Kathode unzureichend Oxidationsgas zugeführt wird (das stöchiometrische Luftverhältnis < 1,0) eine Reaktion nach der folgenden Formel (C) entsprechend der fehlenden Menge an Oxidationsgas ab, und das Wasserstoffion wird wieder an das Elektron gebunden, um Wasserstoff zu erzeugen (siehe 3B). Der erzeugte Wasserstoff wird zusammen mit dem Sauerstoffabgas aus der Kathode abgeleitet. Es ist zu beachten, dass durch Wiederherstellung der Bindung des dissoziierten Wasserstoffions und des Elektrons aneinander in der Kathode zu erzeugender Wasserstoff, das heißt das in der Kathode zu erzeugende Anodengas, als Pumpwasserstoff bezeichnet wird.
    • Anode: H2 → 2H+ + 2e- (A)
    • Kathode: 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (B); und
    • Kathode 2H+ + 2e– → H2 (C).
  • Bei einem Zustand, bei dem die Zufuhr des Oxidationsgases zur Kathode auf diese Weise unzureichend ist, ist Wasserstoff in das Kathodenabgas eingeschlossen. Deshalb wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Durchfluss der Bypassluft entsprechend der Menge des Pumpwasserstoffs im Kathodenabgas zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration im Abgas geregelt. Eine Aktion des Brennstoffzellensystems 100 während der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad wird nachfolgend beschrieben.
  • Die 4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Aktion des Brennstoffzellensystems während der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt.
  • Nachdem gemäß einer Aufheiztemperatur und dergleichen (siehe 2) ein Betriebspunkt (It, Vt) der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad als Ziel festgestellt wurde, greift die Steuereinheit 160 auf das im Speicher 170 gespeicherte Kennfeld mp1 für das stöchiometrische Verhältnis bei der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad zu. Das Kennfeld mp1 für das stöchiometrische Verhältnis bei der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad bestimmt anhand des Brennstoffzellenstrombefehlswertes It und des Brennstoffzellenspannungsbefehlswertes Vt das stöchiometrische Luftverhältnis und ist auf der Basis eines experimentell ermittelten Wertes und dergleichen vorbereitet. Die Steuereinheit 160 stellt am Betriebspunkt unter Verwendung des ermittelten Brennstoffzellenstrombefehlswertes It, des Brennstoffzellenspannungsbefehlswertes Vt und des Kennfeldes mp1 für das stöchiometrische Verhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis Ra eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad fest (Schritt S1).
  • Wenn das stöchiometrische Luftverhältnis Ra festgestellt wird, greift die Steuereinheit auf das Kennfeld mp2 für die Menge des Pumpwasserstoffs und das Kennfeld mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs zu, die im Speicher 170 gespeichert sind. Unter Bezugnahme auf das Kennfeld mp2 des Pumpwasserstoffs wird die Menge (eine Pumpwasserstoffmenge) des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs ausgehend vom Brennstoffzellenstrombefehlswert It, dem festgestellten stöchiometrischen Luftverhältnis Ra und der durch den Temperatursensor s6 festgestellten Temperatur der Brennstoffzelle 40 abgeschätzt und auf der Basis des durch Versuch oder auf ähnliche Weise erhaltenen Werts. Das Kennfeld mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs ist ein Kennfeld für die Abschätzung der abgeführten Menge (einer Menge des abgeführten Wasserstoffs) des Anoden-Abgases einschließlich des durch den Brennstoffzellenstrom verursachten Wasserstoffabgases.
  • Die Steuereinheit 160 schätzt durch Benutzung des festgestellten Brennstoffzellenstrombefehlswertes It, des stöchiometrischen Luftverhältnisses Ra, der Temperatur der Brennstoffzelle 40 und des Kennfeldes mp2 des Pumpwasserstoffs eine Menge Ap1 des Pumpwasserstoffs ab. Andererseits wird eine Menge Ap2 des abgeführten Wasserstoffs durch Benutzung des festgestellten Brennstoffzellenstrombefehlswertes It und des Kennfelds mp3 für die Menge des abgeführten Wasserstoffs abgeschätzt und eine Gesamtmenge des Wasserstoffabgases At beim Betriebspunkt (It, Vt) der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad als Ziel erhalten (Schritt S2); siehe die folgende Gleichung (1). At = Ap1 + Ap2 (1)
  • Nach dem Erhalt der Gesamtmenge At des Wasserstoffabgases leitet die Steuereinheit 160 einen von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchfluss ab, der zur Einstellung der Wasserstoffabgaskonzentration auf nicht mehr als einen Bezugswert erforderlich ist, einen Befehlswert für die Luftdurchsatzmenge (air sweep amount) und einen Durchsatz der Bypassluft (Schritt S3). Insbesondere der der für die Brennstoffzelle 40 erforderliche Luftdurchsatz (der erforderliche Brennstoffzellenluftdurchsatz) An wird durch die Anwendung der folgenden Gleichung (2) erhalten. An = It·{400·22,4·60/(4·96485)}·100/21 (2)
  • Danach erhält die Steuereinheit 160 durch die Anwendung der folgenden Gleichung (3) einen Luftdurchfluss (einen von der Brennstoffzelle verbrauchten Luftdurchfluss) Ac, der durch die Brennstoffzelle 40 verbraucht wird, und erhält durch die Anwendung der folgenden Gleichung (4) einen Luftdurchfluss (einen Gesamtluftdurchfluss) Ad, der für die Verdünnung des Gases erforderlich ist, derart, dass die Konzentration des Wasserstoffabgases nicht größer ist als der Bezugswert. Ac = It·400·22,4·60/(4·96485) (3); und Ad = (At·100/Dt + Ac (4),wobei Dt eine Zielkonzentration (%) des Wasserstoffabgases ist.
  • Des weiteren vergleicht die Steuereinheit (das Regelmittel) 160 einen durch Addition eines minimalen Durchflusses Ab1 der Bypassluft zum erforderlichen Brennstoffzellenluftdurchfluss An erhaltenen Wert mit dem Gesamtluftdurchfluss Ad, und die Einheit stellt einen größeren Wert als einen Befehlswert Asp für die Luftfördermenge des Luftkompressors 60 ein (siehe die folgende Gleichung (5). Überdies werden der eingestellte Befehlswert Asp für die Luftfördermenge und der von der Brennstoffzelle geforderte Luftdurchsatz An in die folgende Gleichung (6) eingesetzt, um einen Durchfluss Abp für die Bypassluft zu erhalten. Es ist anzumerken, dass der minimale Durchfluss Ab1 der Bypassluft einen Minimalwert des Durchflusses der während der Aktion mit geringem Wirkungsgrad über die Bypassleitung 31 zu führenden Luft anzeigt. Asp = MAX {(An + Ab1), (Ad)} (5); und Abp'' Asp – An (6).
  • Beim Erhalten des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An und des Bypass-Luftdurchflusses Abp greift die Steuereinheit 160 auf das Kennfeld mp4 für den Öffnungsgrad des Luftdruckregelventils und das Kennfeld mp5 für den Öffnungsgrad des Bypassventils zu. Das Kennfeld mp4 für den Öffnungsgrad des Luftdruckregelventils ist ein Kennfeld für die Bestimmung eines Ventilöffnungsgrades des Luftdruckregelventils A1 für den von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchfluss An und den Bypass-Luftdurchfluss Abp, und das Kennfeld mp5 für den Öffnungsgrad des Bypassventils ist ein Kennfeld für den Ventilöffnungsgrad des Bypassventils B1 für den von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchfluss An und den Bypass-Luftdurchfluss Abp.
  • Die Steuereinheit 160 regelt die Ventilöffnungsgrade des Luftdruckregelventils A1 und des Bypassventils B1 durch Verwendung des von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchflusses An, des Bypass- Luftdurchflusses Abp, des Kennfelds mp4 für den Öffnungsgrad des Luftdruckregelventils und des Kennfelds mp5 für den Öffnungsgrad des Bypassventils (Schritt S4). Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsgrad des Luftdruckregelventils A1 mittels eines PID-Korrekturausdrucks, erzeugt aus einer vom Strommesser a5 gemessenen Abweichung zwischen einem gemessenen Wert und einem Zielwert des Brennstoffzellenstroms, korrigiert.
  • Des weiteren schreitet durch Steuerung des Antriebs des Luftkompressors 60 gemäß einem Befehlswert As zur Luftfördermenge (Schritt S5) die Steuereinheit 160 zum Schritt S6 fort, um zu beurteilen, ob die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad beendet werden soll oder nicht (d. h. ob die Aufheizaktion der Brennstoffzelle 40 beendet werden soll oder nicht). Dabei wird die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad beendet, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 40 sich oberhalb einer vorab eingestellten Bezugstemperatur befindet. Wenn die Temperatur nicht höher als die Bezugstemperatur ist, kehrt die Steuereinheit zum Schritt S1 zurück, um das obige Verfahren zu wiederholen. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist. Die Steuereinheit kann auf der Basis einer erzeugten Wärmemenge, einer Aktionszeit der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad und dergleichen beurteilen, ob die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad beendet werden soll oder nicht.
  • Wie oben beschrieben, werden erfindungsgemäß der Durchfluss der Bypassluft und dergleichen unter Berücksichtigung nicht nur der Menge des gereinigten, von der Anode ausgegebenen Wasserstoffs, sondern auch der Menge des von der Kathode abgegebenen Pumpwasserstoffs bestimmt. Deshalb kann, selbst wenn die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, die Konzentration des Wasserstoffabgases ausreichend reduziert werden und es ist möglich, vorab ein Problem zu verhindern, dass Wasserstoff in einem einen geregelten Bereich überschreitenden Ausmaß aus dem System austritt.
  • <Modifikation>
    • (1) Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde oben ein Fall beschrieben, in dem eine Leistung von einer Brennstoffzelle in einem Zustand erzeugt wird, in dem das der Kathode zuzuführende Oxidationsgas sich verknappt, aber statt dessen (oder zusätzlich) kann die Leistung von einer Brennstoffzelle in einem Zustand erzeugt werden, in dem das der Anode zuzuführende Brenngas sich verknappt.
    • (2) Überdies wurde bei der vorliegenden Ausführungsform das Gas gezeigt, das zur Verdünnung der Kathode zugeführt wird, es kann aber jedes andere Gas als Wasserstoffgas verwendet werden.
    • (3) Des weiteren wird bei der vorliegenden Ausführungsform einem Teil des über einen Gasversorgungspfad fließenden Gases für die Verdünnung (das Oxidationsgas) gestattet, die Brennstoffzelle zu umgehen und es wird in einen Ausleitungskanal eingeleitet, um die Konzentration des Wasserstoffabgases zu reduzieren. Jedoch können Mittel zur Versorgung mit Verdünnungsgas getrennt angeordnet werden und das Verdünnungsgas kann von diesen Gasversorgungsmitteln in den Ausleitungskanal eingeleitet werden, um die Konzentration des Wasserstoffabgases zu reduzieren.
    • (4) Außerdem wurde bei der vorliegenden Ausführungsform ein Fall gezeigt, bei dem während des Starts des Systems eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt wird, aber die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad kann, beispielsweise, in einem Falle ausgeführt werden, in welchem die Leistungsanforderung des Systems nicht mehr ist als ein vorgegebener Wert und einem Falle, in dem ein Befehl zum Stoppen des Systems ergangen ist.
  • B: zweite Ausführungsform
  • Die 5 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung des Hauptteils eines Brennstoffzellesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. In gleicher Weise wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird auch bei der zweiten Ausführungsform angenommen, dass das Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen wie einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV = Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug), einem Elektroauto und einem Hybridauto eingebaut ist, doch kann das System nicht nur bei Fahrzeugen, sondern auch bei verschiedenen mobilen Objekten (z. B. einem Schiff, einem Flugzeug, einem Robote, etc.) und einer stationären Leistungsquelle angewandt werden.
  • Eine Brennstoffzelle 400 ist ein Mittel zur Erzeugung einer Leistung aus einem zugeführten, reaktionsfähigen Gas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) und besitzt eine stapelförmige Struktur, in der eine Mehrzahl von eine MEA (Film/Elektrode-Verbundmaterial) und dergleichen einschließende Einzelzellen in Serie laminiert sind. Insbesondere können Brennstoffzellen verschiedener Bauarten, wie vom festen Polymertyp, Phosphorsäuretyp und einem löslichen-Karbonat-Typ verwendet werden. Das Wasserstoff einschließende Brenngas wird aus einer Brenngasversorgungsquelle 1100, wie einem Gastank, einem Wasserstoff-Okklusionstank (Absorptionstank) oder einer Wasserstoff-Reforming-Einheit einem Brennstoffpol (einer Anode) der Brennstoffzelle 400 durch einen Luftkompressor 700 zugeführt.
  • Eine Batterie 200 ist eine aufladbare und entladbare Sammelbatterie und schließt eine Sammelbatterie jeden Typs ein (z. B. eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder dergleichen). Es ist unnötig zu erwähnen, dass statt der Batterie 200 eine andere aufladbare und entladbare Leistungsspeichereinheit als eine Sammelbatterie, beispielsweise ein Kondensator, benutzt werden kann. Diese Batterie 200 ist in einen elektrischen Entladungspfad der Brennstoffzelle 400 über einen Gleichstromumrichter 300 eingefügt.
  • Die Brennstoffzelle 400 und die Batterie 200 sind parallel zu Invertern 500a, 500b verbunden. Ein sich von der Brennstoffzelle 400 zu den Invertern 500a, 500b erstreckender Pfad ist mit einer Diode 420 versehen, die einen Gegenfluss des Stroms aus der Batterie 200 verhindert.
  • Die Inverter 500a, 500b sind Inverter für Pulsdauermodulation und wandeln entsprechend einem gegebenen Steuerbefehl eine Gleichstrom-Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 400 oder der Batterie 200 in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung um, um die Leistung Motoren 600a, 600b zuzuführen.
  • Der Luftkompressormotor 600a ist ein Motor, der die Menge des durch den Luftkompressor 700 zugeführten Oxidationsgases regelt, und der Antriebsmotor 600b ist ein Motor, der die Räder 800L und 800R antreibt. Es ist zu bemerken, dass, zusätzlich, ein Motor, ein Inverter und dergleichen vorgesehen sind, um verschiedene Typen von Hilfsmaschinen (eine Wasserstoffpumpe und dergleichen) anzutreiben.
  • Eine Steuereinheit (Betriebssteuereinrichtungen, Schätzeinrichtungen) 1500 schließt eine CPU, ein ROM, ein RAM und dergleichen ein und steuert zentral Abschnitte des Systems auf der Basis eingehender Sensorsignale. Insbesondere steuert die Einheit die Ausgabeimpulsbreite und dergleichen der Inverter 500a, 500b auf der Basis des Eingangs von Sensorsignalen von einem Fahrpedalsensor 1550, der den Öffnungsgrad eines Fahrpedals feststellt, von einem SOC-Sensor 210, der den Ladungszustand (SOC) der Batterie 200 feststellt, von einem T/C-Motor-Drehzahlsensor 610b, der die Drehzahl des Antriebsmotors 600b feststellt, und dergleichen.
  • Überdies beurteilt die Steuereinheit 1500, ob eine Aufheizaktion erforderlich ist oder nicht auf der Basis der von einem Temperatursensor 410 festgestellten Temperatur der Brennstoffzelle 400. Nachdem festgestellt ist, dass eine Aufheizaktion erforderlich ist, reduziert die Steuereinheit 1500 das der Kathode zugeführte Oxidationsgas, um eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad auszuführen,
  • Die 6A ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und einem Leistungsverlust zu der Zeit zeigt, zu der eine Aktion mit hohem Wirkungsgrad der Leistungserzeugung (eine übliche Aktion) ausgeführt wird, und die 6B ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und dem Leistungsverlust zu der Zeit zeigt, zu der eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad der Leistungserzeugung (Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad) ausgeführt wird. Dabei ist anzumerken, dass die Abszisse den Brennstoffzellenstrom, die Ordinate die Brennstoffzellenspannung und eine Leerlaufspannung (OCV) eine Spannung in dem Zustand anzeigt, in dem jeglicher Strom nicht über die Brennstoffzelle 400 geführt wird.
  • Im allgemeinen führt bei einer Brennstoffzelle 400, bei der Strom- und Spannungscharakeristika (nachfolgend als IV-Charakteristika bezeichnet) erhalten werden, wie sie in 6 gezeigt sind, die Steuereinheit 1500 eine Aktion an einem üblichen Betriebspunkt (Ifc1, Vfc1) durch, der bezogen auf die Ausgangsleistung einen kleinen Leistungsverlust aufweist (6A).
  • Andererseits führt, wenn die Aufheizaktion ausgeführt wird, die Steuereinheit (das Betriebssteuermittel) 1500 die Aktion an einem dem niedrigen Wirkungsgrad zugeordneten Betriebspunkt (Ifc2, Vfc2) mit großem Leistungsverlust durch, und hebt die interne Temperatur der Brennstoffzelle an (siehe 6B). Bei einem Verfahren, bei dem eine solche Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt wird, wird im Verhältnis zu der Energie, die durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wird, die Energie, die die Leistungsverluste kompensiert (d. h. die Wärmeverluste), zwangsweise erhöht. Deshalb kann die Zelle schnell aufgeheizt werden.
  • Die Steuerung der Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad wird nun im Detail beschrieben. Die Steuereinheit 1500 steuert die Brennstoffzellenspannung durch die Nutzung des Gleichstromumrichters 300 und reduziert die Menge des der Brennstoffzelle 400 zugeführten Oxidationsgases, um den Brennstoffzellenstrom zu steuern. Wenn die Menge des zuzuführenden Oxidationsgases in dieser Weise reduziert wird, wird in der Kathode der Brennstoffzelle 400 Pumpwasserstoff erzeugt. Der Erzeugungsmechanismus für Pumpwasserstoff wird nachfolgend beschrieben.
  • Die 7 ist ein Schaubild, das schematisch eine die Brennstoffzelle 400 bildende Einzelzelle 400a zeigt
  • Jede der Zellen 400a enthält einen elektrolytischen Film 400b, sowie eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die den elektrolytischen Film 400b zwischen sich einschließen. Ein Wasserstoff (H2) enthaltendes Brenngas wird der Anode und ein Sauerstoff (O2) enthaltendes Oxidationsgas der Kathode zugeführt. Wenn das Brenngas der Anode zugeführt wird, läuft eine Reaktion nach der folgenden Formel (11) ab und Wasserstoff wird dissoziiert in ein Wasserstoffion und ein Elektron. Das in der Anode erzeugte Wasserstoffion durchdringt den elektrolytischen Film 400b, um sich zur Kathode zu bewegen, während das Elektron von der Anode aus einen externen Kreis durchläuft, um zur Kathode zu gelangen.
  • Dabei läuft, falls der Kathode ausreichend Oxidationsgas zugeführt wird, eine Reaktion nach der folgenden Formel (12) ab, um aus dem Sauerstoff, dem Wasserstoffion und dem Elektron Wasser zu bilden (siehe 7A). Andererseits läuft, falls der Kathode unzureichend Oxidationsgas zugeführt wird, eine Reaktion nach der folgenden Formel (13) entsprechend der fehlenden Menge an Oxidationsgas ab, und das Wasserstoffion wird wieder an das Elektron gebunden, um Wasserstoff zu erzeugen (siehe 7B). Der erzeugte Wasserstoff wird zusammen mit einem Sauerstoffabgas aus der Kathode abgeleitet. Ein durch Wiederherstellung der Bindung des dissoziierten Wasserstoffions und des Elektrons aneinander in der Kathode erzeugter Wasserstoff, das heißt das in der Kathode erzeugte Anodengas, wird als Pumpwasserstoff bezeichnet.
    • Anode: H2 → 2H+ + 2e– (11);
    • Kathode: 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (12); und
    • Kathode 2H+ + 2e– → H2 (13).
  • Die 8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung (eine strichpunktierte Linie: ein theoretischer Wert; eine durchgezogene Linie: ein aktuell gemessener Wert) zwischen einem stöchiometrischen Luftverhältnis und einer Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs in der Brennstoffzelle zeigt. Die Ordinate zeigt die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs an und die Abszisse das stöchiometrische Luftverhältnis. Dabei ist hier das stöchiometrische Luftverhältnis ein Sauerstoffüberschussverhältnis und zeigt einen Grad des Sauerstoffüberschusses gegenüber dem für die Reaktion ohne jeglichen Überschuss oder Mangel erforderlichen Sauerstoff an.
  • Der theoretische Wert des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs kann durch die folgende Gleichung (14) dargestellt werden. wenn das stöchiometrische Luftverhältnis unter 1,0 ist, beginnt theoretisch die Erzeugung von Pumpwasserstoff. Diese theoretische Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs nimmt mit einer Abnahme des stöchiometrischen Luftverhältnisses zu, wie durch die folgende Gleichung (14) und eine einmal punktierte Linie in 8 gezeigt wird. Vt = (1 – St)·Ifc·{n/(2·F)}·22,4·60 (14), wobei bedeutet
    • Vt:
    die theoretische Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs,
    St:
    das stöchiometrische Luftverhältnis,
    Ifc:
    Ausgangsstrom (eine Leistungserzeugungscharakteristik)
    F:
    Faradaysche Konstante; und
    n:
    die Anzahl der Zellen.
  • Die obige Menge wird theoretisch erhalten, jedoch aktuell, wie durch eine durchgezogene Line in 8 gezeigt, beginnt die Erzeugung von Pumpwasserstoff, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis größer als 1,0 ist, Der Erfinder nahm als einen der Gründe für die entstandene Abweichung zwischen dem theoretischen Wert und einem aktuell gemessenen Wert an, dass ein Anteil Sauerstoff in der Zelle war, der nicht an der Reaktion teilgenommen hatte (Sauerstoff, der keine reaktive Oberfläche erreicht und deshalb nicht an der Reaktion teilgenommen hatte) und verbesserte die Zelle. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die in 8 gezeigte Differenzmenge Δs im wesentlichen mit dem nicht an der Reaktion beteiligten Sauerstoffanteil übereinstimmt. Es sollte beachtet werden, dass, weil die Differenzmenge von Charakterstika (Material, Form und dergleichen) der Zellen abhängt, der vorab durch einen Versuch oder dergleichen ermittelte Betrag benutzt werden kann.
  • Des weiteren hat der Erfinder angenommen, dass ein Sauerstoffanteil vorhanden war, der wegen Verteilungsschwankungen längs der Zellen (die nahezu gleich den Druckverlustschwankungen längs der Zellen sind) den Zellen nicht zugeführt werden konnte, und verbesserte die Zellen. Insbesondere wurde der Druckverlust während der Inspektion jeder hergestellten und zu versendenden Zelle in die folgenden Gleichungen (15) bis (17) eingesetzt und es wurde ein Verteilungsverhältnis und dergleichen zur Berechnung der Menge des zu erzeugenden Pumpsauerstoffs erhalten. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Menge im wesentlichen mit der eines gekrümmten Abschnitts einer durchgezogenen Linie übereinstimmt. D(i) = Plave/P1(i) (15); B1 = 1/Dmin + Δs (16); und B2 = 1/Tmax + Δs (17), wobei bedeutet
    • D(i):
    ein Verteilungsverhältnis einer i-ten Zellen;
    Plave:
    ein durchschnittlicher Druckverlust der Zellen;
    P1(i):
    ein Druckverlust der i-ten Zelle;
    D(min):
    ein minimales Verteilungsverhältnis;
    Dmax:
    ein maximales Verteilungsverhältnis;
    B1
    ein stöchiometrische Luftverhältnis, bei dem die Erzeugung von Pumpwasserstoff beginnt; und
    B2
    ein stöchiometrische Luftverhältnis, bei dem eine gerade Linie eine gekrümmte Linie schneidet.
  • Dies wird nun speziell beschrieben. Wenn beispielsweise der durchschnittliche Druckverlust Plave der Zellen 1,0 ist, besteht eine Schwankung (0,8 bis 1,2) der Druckverluste von ±20% zwischen den Zellen und die Abweichungsmenge Δs beträgt 0,05, das minimale Verteilungsverhältnis Dmin, das maximale Verteilungsverhältnis Dmax, das stöchiometrische Luftverhältnis B1, bei dem die Erzeugung von Pumpwasserstoff beginnt und das stöchiometrische Luftverhältnis, bei dem eine gerade Linie eine gekrümmte Linie schneidet werden jeweils wie folgt erhalten. Es sollte beachtet werden, dass bei der vorliegenden Erfindung die Aktion bei dem stöchiometrischen Luftverhältnis, bei dem Pumpwasserstoff erhalten wird, wird als die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad angesprochen, und die Aktion bei dem stöchiometrischen Luftverhältnis, bei dem kein Pumpwasserstoff erzeugt wird, wird als die übliche Aktion bezeichnet. Dmin = 1/1,2; Dmax = 1/0,8; B1 = 1/Dmin + Δs = 1,2/1 + 0,05 = 1,25; und B2 = 1/Dmax + Δs = 0,8/1 + 0,05 = 0,85.
  • Wie aus der obigen Beschreibung offensichtlich ist, kann die aktuelle Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs unter Berücksichtigung des Sauerstoffanteils in der Zelle, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und des Sauerstoffanteils, der aufgrund von Vereilungsschwankungen nicht zugeführt werden konnte, genauer abgeschätzt werden. Insbesondere kann die aktuelle Menge des beim stöchiometrischen Luftverhältnis X zu erzeugenden Pumpwasserstoffs durch die folgende Gleichung (18) veranschlagt werden.
  • Figure 00280001
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die aktuelle Menge des in der Kathode zu erzeugenden Pumpwasserstoffs genauer veranschlagt werden unter Berücksichtigung des Sauerstoffanteils in der Zelle, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und des Sauerstoffanteils, der aufgrund von Vereilungsschwankungen nicht zugeführt werden konnte.
  • <Modifikation>
  • Bei der obigen Ausführungsform wird der Pumpwasserstoff unter Benutzung der obigen Gleichung (18) und dergleichen ermittelt. Jedoch kann beispielsweise ein Kathodenabgaskanal, in den der Pumpwasserstoff abgeleitet werden soll, mit einem Wasserstoffsensor versehen sein, und es kann sowohl die Feststellung des Pumpwasserstoffs 1 durch einen Wasserstoffsensor als auch die Feststellung des Pumpwasserstoffs durch die obige Gleichung (18) erfolgen.
  • Überdies wurde die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs bei der obigen Ausführungsform unter Berücksichtigung des Sauerstoffanteils in der Zelle, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und des Sauerstoffanteils, der aufgrund von Verteilungsschwankungen nicht zugeführt werden konnte, veranschlagt, aber die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs kann auch unter Berücksichtigung wenigstens eines dieser beiden Faktoren veranschlagt werden.
  • Beispielsweise kann, falls nur der des Sauerstoffanteils in der Zelle, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat, berücksichtigt wird, die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs gemäß der folgenden Gleichung (18)' veranschlagt werden. Andererseits kann, falls nur der Sauerstoffanteil, der aufgrund von Verteilungsschwankungen nicht zugeführt werden konnte, berücksichtigt wird, die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs gemäß der folgenden Gleichung (18)'' veranschlagt werden.
  • Figure 00290001
  • Überdies wird bei der obigen Ausführungsform, falls die Brennstoffzelle 400 aufgeheizt wird, die Zelle bei einem Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben, aber in einem Falle, in dem eine Katalysatorfunktion der Brennstoffzelle 400 wiederhergestellt ist, kann die Zelle beim Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Beispielsweise kann, falls festgestellt wird, dass ein Elektrodenkatalysator der Brennstoffzelle 400 sich in einem verunreinigten Zustand befindet, die Zelle bei einem Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben werden. Nachdem die Zelle beim Starten eines Systems einmal beim Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird, kann der Punkt auf den üblichen Betriebspunkt verschoben werden. Außerdem, wenn eine für das System erforderliche Leistung nicht mehr als ein vorgegebener Wert ist, (z. B. in der Nähe einer Leerlauf-Ausgangsleistung, kann der übliche Betriebspunkt auf den Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad verschoben werden. Des weiteren kann nach dem Stopp des Systems die Aktion am Betriebspunkt für die Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt werden, um die während des Betriebs verschlechterte Katalysatorfunktion wieder herzustellen und auf den nächsten Start vorzubereiten.
  • C. Dritte Ausführungsform
  • Die 9 ist Schaltbild, das eine Gestaltung um eine Brennstoffzelle nach einer dritten Ausführungsform zeigt, in der gleichen Weise wie bei den obigen Ausführungsformen wird auch bei der dritten Ausführungsform ein Brennstoffzellensystem angenommen, das bei Fahrzeugen, wie einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV = Brennstoffzellenhybridfahrzeug), einem Elektrofahrzeug und einem Hybridfahrzeug eingebaut werden soll, aber auch in verschiedenen mobilen Objekten, (beispielsweise einem Schiff, einem Flugzeug, einem Roboter usw.), und einer stationären Leistungsquelle.
  • Eine in 9 gezeigte Brennstoffzelle 2400 ist mit einem Zellenmonitor 460-k (1 ≤ k ≤ n) für jede Zelle 450-k (1 ≤ k ≤ n) versehen. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von zu erzeugendem Pumpwasserstoff (oder eine Konzentration von Pumpwasserstoff) auf der Basis einer vom Zellenmonitor 460-k festgestellten Zellenspannung veranschlagt wird. Das wird nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Jeder Zellenmonitor 460-k stellt einen Spannungswert (die Zellenspannung) der entsprechenden Zelle 450-k fest, um die den Wert einer Steuereinheit 2500 zuzuführen. Nach dem Erhalten der Zellenspannungen von jedem der Zellenmonitore 460-k veranschlagt die Steuereinheit 2500 die Menge des in jeder Zelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs unter Bezugnahme auf eine Bezugsfunktion, die in einem Speicher 2510 gespeichert ist.
  • Die 10 ist eine erläuternde Ansicht der im Speicher 210 gespeicherten Bezugsfunktion. Die linke Ordinate zeigt die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs an, die rechte Ordinate zeigt die Zellenspannung an und die Abszisse zeigt das stöchiometrische Luftverhältnis an.
  • Eine Beziehung zwischen der Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs, der Zellenspannung und dem stöchiometrischen Luftverhältnis wird durch Auswertung einer vorgegebenen Zelle (nachfolgend als Bezugszelle bezeichnet) während der Herstellung und des Versands erhalten. Überdies wird auf der Basis dieses Auswertungsergebnisses die Bezugsfunktion zum Erhalten der Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs von der Zellenspannung in der Bezugszelle abgeleitet (siehe die Gleichung (19)) und im Speicher 2510 gespeichert. Fs = f(Vs) (19),in welcher bedeutet:
    • Fs:
    die Menge des in der Bezugszelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs;
    Vs:
    die Zellenspannung in der Bezugszelle;
    f
    die Bezugsfunktion (eine beliebige Näherungsfunktion).
  • Nach Erhalt der Zellenspannung von jedem Zellenmonitor 460-k unterwirft die Steuereinheit (Schätzmittel) 2500 jede Zellenspannung der in der obigen Gleichung (19) gezeigten Bezugsfunktion f um dadurch die Menge des in jeder Zelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs zu veranschlagen (siehe Gleichung (20)). Überdies werden die erhaltenen Mengen des in den Zellen zu erzeugenden Pumpwasserstoffs aufaddiert, um dadurch die Menge des in der gesamten Brennstoffzelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs zu veranschlagen (siehe Gleichung (21)). Fk = f(Vk) (20),wobei
    • Fk:
    die Menge des in der k-ten Zelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs; und
    Vk:
    die Zellenspannung in der k-ten Zelle.
  • Figure 00320001
  • Die Steuereinheit 2500 dividiert die Menge des in der gesamten Brennstoffzelle zu erzeugenden Pumpwasserstoffs durch einen Luftdurchfluss (eines Oxidationsabgases) auf der Auslassseite der Kathode der Bennstoffzelle 2400, um dadurch eine Konzentration des Pumpwasserstoffs zu berechnen (siehe Gleichung (22)). Es ist zu beachten, dass der Luftdurchfluss auf der Kathodenauslassseite durch einen Durchflussmesser festgestellt werden kann, der auf der Kathodenauslassseite angeordnet ist, aber auch durch eine andere Verfahrensweise. Dh = Fp/Fair (22) wobei
    • Fair;
    der Luftdurchfluss auf der Kathodenauslassseite.
  • Bei der Berechnung der Pumpwasserstoffkonzentration greift die Steuereinheit 2500 auf ein im Speicher 2510 gespeichertes Regel-Kennfeld mp für den Luftdurchfluss zu (siehe 11), und regelt den Durchfluss eines der Brennstoffzelle 2400 zuzuführenden Oxidationsgases. Ein Beispiel wird beschrieben. Beispielsweise wird der Durchfluss des der Brennstoffzelle 2400 zuzuführenden Oxidationsgases erhöht, falls eine Konzentration Dh des Pumpwasserstoffs höher ist als ein erster Schwellenwert Dth1, um die Konzentration des Pumpwasserstoffs zu senken. Andererseits, falls die Konzentration Dh des Pumpwasserstoffs niedriger als ein zweiter Schwellenwert Dth2 ist, senkt die Einheit den Durchfluss des der Brennstoffzelle 2400 zuzuführenden Oxidationsgases, um die Konzentration des Pumpwasserstoffs zu erhöhen. Zusätzlich, falls die Konzentration Dh des Pumpwasserstoffs nicht geringer ist als der zweite Schwellenwert Dth2 und nicht größer ist als der erste Schwellenwert Dth1, beurteilt die Einheit, dass die Konzentration des Pumpwasserstoffs in einen geeigneten Bereich fällt und verändert den Durchfluss der der Brennstoffzelle 2400 zuzuführenden Oxidationsgases nicht.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung festgestellt werden und dadurch die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs und seine Konzentration erhalten werden. Deshalb muss kein Sensor für die Feststellung separat angebracht werden und die Teilezahlen und die Fertigungskosten können gesenkt werden.
  • D. Vierte Ausführungsform
  • 12 ist ein Schaltbild der Umgebung einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform. In der gleichen Weise wie bei den obigen Ausführungsformen wird auch bei der dritten Ausführungsform ein Brennstoffzellensystem angenommen, das bei Fahrzeugen, wie einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCHV = Brennstoffzellenhybridfahrzeug), einem Elektrofahrzeug und einem Hybridfahrzeug eingebaut werden soll, aber auch in verschiedenen mobilen Objekten, (beispielsweise einem Schiff, einem Flugzeug, einem Roboter usw.), und einer stationären Leistungsquelle.
  • Eine Brennstoffzelle 3400 ist ein Mittel zur Erzeugung einer Leistung aus einem zugeführten reaktiven Gas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) und besitzt eine stapelartige Struktur, in der eine Mehrzahl von eine MEA (ein gebundenes Film/Elektroden-Material) enthaltenden Einzelzellen und dergleichen in Serie laminiert sind. Insbesondere können Brennstoffzellen verschiedener Bauformen verwendet werden, wie solche vom festen Polymertyp, vom Phosphorsäuretyp und vom löslichen Karbonattyp. Ein Luftkompressor 3700 führt von außen entnommenen Sauerstoff (ein Oxidationsgas) über einen (nicht gezeigten) Luftfilter dem Kathodenpol einer Brennstoffzelle 3400 zu. Ein Luftkompressormotor 3600 ist ein Motor, der die Menge des zugeführten Oxidationsgases (die Durchlaufmenge) regelt, und die Drehzahl des Motors wird in Übereinstimmung mit der von einer Steuereinheit 3500 befohlenen Drehzahl gesteuert.
  • Zusätzlich wird ein Kathodenabgas aus einer Kathode der Brennstoffzelle 3400 abgeführt. Das Kathodenabgas schließt nicht nur ein Sauerstoffabgas ein, das einer Zellenreaktion der Brennstoffzelle 3400 ausgesetzt war, sondern auf der Kathodenseite erzeugten Pumpwasserstoff und dergleichen. Dieses Kathodenabgas schließt einen durch die Zellenreaktion der Brennstoffzelle 3400 erzeugten Wassergehalt ein und wird deshalb in einen im hohen Maße feuchten Zustand versetzt. Es ist anzumerken, dass Details eines Erzeugungsmechanismus für Pumpwasserstoff und dergleichen bereits bei den obigen Ausführungsformen erläutert wurden, weshalb sie hier weggelassen werden.
  • Ein Befeuchtungsmodul 3700 tauscht den Wassergehalt zwischen einem weniger feuchten, durch einen Oxidationsgasversorgungspfad 3110 fließenden Oxidationsgas und einem hochgradig feuchten Kathodenabgas aus, das durch einen Kathodenabgaskanal 3120 fließt, um das der Brennstoffzelle 3400 zugeführte Oxidationsgas angemessen zu befeuchten. Ein Rückdruck des der Brennstoffzelle 3400 zuzuführenden Oxidationsgases wird durch ein Luftdruckregelventil A11 geregelt, das in der Nähe eines Kathodenauslasses des Kathodenabgaskanals 3120 angeordnet ist.
  • Dabei ist der Oxidationsgasversorgungspfad 3110, der sich vom Luftkompressor 3600 zum Befeuchtungsmodul 3700 erstreckt, mit dem Kathodenabgaskanal 3120 verbunden, der sich vom Befeuchtungsmodul 3700 über ein Bypassventil B11 zu einer Verdünnungseinheit erstreckt. Das Bypassventil B11 und ein Bypasskanal 3130 sind Mittel, die es einem Teil des über den Oxidationsgasversorgungspfad 3110 fließenden Oxidationsgases ermöglichen, die Brennstoffzelle 3400 zu umgehen und den Teil in den Kathodenabgaskanal 3120 einzuführen, und eine Menge des vorbeigeführten Oxidationsgases wird durch eine Steuereinheit (Steuermittel, Regelmittel) 3500 geregelt. Es ist zu bemerken, dass in der folgenden Beschreibung das über den Bypass geführte Oxidationsgas als Bypassluft bezeichnet wird.
  • Die Verdünnungseinheit 3800 verdünnt das Gas, so dass die Konzentration des abzuführenden Wasserstoffabgases in einen vorgegebenen Konzentrationsbereich (einen auf der Basis eines Umweltstandards oder dergleichen bestimmten Bereich) fällt. Diese Verdünnungseinheit 3800 kommuniziert mit den stromab gelegenen Seiten des Kathodenabgaskanals 3120 und des (nicht gezeigten) Anodengaskanals und mischt und verdünnt das Wasserstoffabgas, den Pumpwasserstoff, das Anodenabgas und die Bypassluft, um das Gas aus dem System auszuleiten.
  • Die Steuereinheit 3500 schließt eine CPU, ein Rom, ein RAM und dergleichen ein und steuert zentral Abschnitte des Systems auf der Basis eingegebener Sensorsignale. Insbesondere erhält die Einheit die von der Brennstoffzelle 3400 angeforderte Ausgangsleistung auf der Basis eines Fahrpedalsensors, der den Öffnungsgrad eines Fahrpedals feststellt, eines SOC-Sensors, der den Ladezustand (SOC) einer Batterie feststellt und dergleichen. Zusätzlich steuert die Einheit den Ventilöffnungsgrad des Luftdruckregelventils All und des Bypassventils B11 und steuert die Umdrehungszahl (d. h. einen befohlenen Durchfluss des Oxidationsgases) des Luftkompressormotors 3600 und dergleichen basierend auf Sensorsignalen, die von einem Spannungssensor s14, einem Stromsensor s15, einem Temperatursensor s16 und dergleichen eingegeben werden, die jeweils eine Ausgangsspannung einen Ausgangsstrom und eine interne Temperatur der Brennstoffzelle 3400 feststellen. Es muss nicht erwähnt werden, dass ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform zwei Formen von Aktionen mit niedrigem Wirkungsgrad ausführt, in Übereinstimmung mit der Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs, wie später beschrieben wird.
  • Die 13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Aktion des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
  • Die Steuereinheit 3500 stellt eine Temperatur (eine Brennstoffzellentemperatur) der Brennstoffzelle 3400 auf der Basis des vom Temperatursensor s16 ausgegebenen Sensorsignals fest (Schritt Silo). Die Steuereinheit 3500 vergleicht die ermittelte Brennstoffzellentemperatur mit einer in einem (nicht dargestellten) Speicher gespeicherten Bezugstemperatur, um dadurch zu beurteilen, ob eine Aufheizung benötigt wird oder nicht. Wenn beurteilt wird, dass die Brennstoffzellentemperatur eine Bezugstemperatur überschreitet und eine Aufheizung nicht erforderlich ist, führt die Steuereinheit 3500 ein übliches Aktionsverfahren durch (Schritt S130). Dabei ist das übliche Aktionsverfahren ein Verfahren, bei welchem das System auf einem Betriebspunkt für hohen Wirkungsgrad betrieben wird (d. h. einem Betriebspunkt mit einem geringen Listungsverlust) ohne aufgeheizt zu werden.
  • Andererseits, wenn beurteilt wird, dass die Brennstoffzellentemperatur nicht höher als eine Bezugstemperatur ist und ein Aufheizen erforderlich ist, schreitet die Steuervorrichtung 3500 zu einem Schritt S140 fort, um festzustellen, ob eine Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad oder eine Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden soll. Dabei ist die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad eine Aktion mit niedrigem Wirkungsgrad (siehe die Beschreibung der zweiten Ausführungsform, 6 und dergleichen) wie sie hier vorangehend während der Aufheizung ausgeführt wurde. Die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad ist eine Aktion die bei einem in 14 gezeigten Betriebspunkt (siehe Ifc3, Vfc3) ausgeführt wird und einen geringeren Leistungsverlust als den der Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad und einen größeren als bei der üblichen Betriebsweise aufweist. Beispielsweise wenn die Leerlaufspannung OCV der Brennstoffzelle 3400, wie in 14 gezeigt, um 400 V liegt, beträgt die Brennstoffzellenspannung Vfc3 beim Betriebspunkt der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad etwa 200 V (ein Fixwert bei der vorliegenden Ausführungsform) und die Brennstoffzellenspannung Vfc4 bei der Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad liegt bei 50 V. Wie aus der Beschreibung hervorgeht, ist die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit der Brennstoffzelle 3400 während der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad niedriger als während der Hauptaktion mit geringen Wirkungsgrad, weil der Leistungsverlust bei der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad kleiner ist als der der Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform beurteilt die Steuereinheit 3500, dass die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden sollte, falls das Fahrzeug läuft, und beurteilt, dass die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden sollte, falls das Fahrzeug gestoppt ist (einschließlich der Startzeit). Zusätzlich ist dieser Beurteilungsstandard nur ein einziges Beispiel und es kann die Beurteilung, ob die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad oder die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden soll, basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Bezugstemperatur erfolgen. Insbesondere wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Bezugstemperatur einen eingestellten Schwellenwert überschreitet, wird die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt. Andererseits wird; wenn die Temperaturdifferenz nicht größer ist als der eingestellte Schwellenwert, die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt. Der Standard, bei welchem beurteilt wird, ob die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad oder die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad in dieser Form ausgeführt werden soll, kann in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit dem Systementwurf oder dergleichen eingestellt werden.
  • Beim Urteil, dass die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden sollte, weil das Fahrzeug gestoppt ist, schreitet die Steuereinheit 3500 zum Schritt S150 fort um die Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad auszuführen. Insbesondere werden ein Brennstoffzellenstromwert und ein Brennstoffzellenspannungswert von einer Leistung (eine geforderte Brennstoffzellenleistung) bestimmt, die für die Brennstoffzelle 3400 gefordert wird, und eine für die Aufheizung erforderliche Wärmemenge (ein Leistungsverlust), und die Aktion wird bei einem Betriebspunkt durchgeführt, der dem bestimmten Brennstoffzellenstrombefehlswert und dem bestimmten Brennstoffzellenspannungsbefehlswert entspricht (siehe die zweite Ausführungsform wegen Einzelheiten).
  • Andererseits schreitet die Steuereinheit 3500 zum Schritt S160 weiter, um die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad auszuführen, wenn beurteilt wird, dass die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt werden sollte, weil das Fahrzeug läuft.
  • Die 15 ist ein Ablaufdiagramm das eine Aktion der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad zeigt.
  • Die Steuereinheit 3500 stellt zunächst einen Ventilöffnungsgrad des Bypassventils B11 auf den Grad „voll geschlossen" und stellt den Ventilöffnungsgrad des Luftdruckregelventils All auf den Grad „voll geöffnet" (Schritt 210 → Schritt 220). Dabei besteht ein Grund, warum der Ventilöffnungsgrad des Bypassventils B11 auf „voll geschlossen" gestellt wird, darin, dass die während der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad erzeugte Menge des Pumpwasserstoffs gering ist, und das Gas nicht mit einem Oxidationsgas verdünnt werden muss, das nicht an der Reaktion teilgenommen hat. Mit anderen Worten, der Betriebspunkt während der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad wird so gesteuert, dass die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs reduziert wird (die Menge fällt – ohne verdünnt zu werden – in einen geregelten Bereich).
  • Nachdem die Ventilöffnungsgrade des Bypassventils B11 und des Luftdruckregelventils All wie oben beschrieben geregelt sind, liest die Steuereinheit 3500 den Betriebspunkt für die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad aus, der vorab in einem (nicht gezeigten) Speicher gespeichert wurde (siehe 14), um einen Brennstoffzellenstrombefehlswert und einen Brennstoffzellenspannungsbefehlswert zu bestimmen (Schritt S230).
  • Überdies bestimmt die Steuereinheit 3500 das stöchiometrische Luftverhältnis basierend auf dem festgestellten Brennstoffzellenstrombefehlswert. Um dies im Detail zu beschreiben: die Steuereinheit 3500 stellt das dem festgestellten Brennstoffzellenstrombefehlswert entsprechende stöchiometrische Verhältnis durch Rückgriff auf ein Kennfeld des Brennstoffzellenstroms und der stöchiometrischen Luftverhältnisse fest, das eine Beziehung zwischen dem vorab im Speicher oder dergleichen gespeicherten Brennstoffzellenstrombefehlswert und dem stöchiometrischen Luftverhältnis (Schritt 5240) zeigt. Des weiteren führt die Steuereinheit 3500 ein festgestelltes stöchiometrisches Luftverhältnis Ap in die folgende Gleichung (22) ein, um dadurch einen von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchfluss Ar zu erhalten (Schritt S250). Ar = Ac·Ap/(96500)·4 (22),wobei
    • Ap:
    eine von der Brennstoffzelle zu verbrauchende Sauerstoffmenge.
  • Es ist anzumerken, dass die von der Brennstoffzelle zu verbrauchende Sauerstoffmenge Ap in Übereinstimmung mit dem aktuellen Brennstoffzellenbefehlswert und der Anzahl der die Brennstoffzelle bildenden Zellen bestimmt wird.
  • Außerdem vergleicht die Steuereinheit 3500 den Brennstoffzellenstrombefehlswert mit dem durch den Stromsensor s15 ermittelten Brennstoffzellenstromwert (einem aktuell gemessener Wert) (Schritt S260). Die Steuereinheit 3500 korrigiert den von der Brennstoffzelle angeforderten Luftdurchfluss basierend auf der auf diese Weise erhaltenen Differenz (Schritt S270). Überdies erhält die Steuereinheit 3500 die Anzahl der Umdrehungen des Luftkompressormotors 3600 vom korrigierten, von der Brennstoffzelle geforderten Luftdurchfluss (ein angewiesener Oxidationsgasdurchfluss) und leitet diese Anzahl als angewiesene Anzahl der Umdrehungen an den Luftkompressormotor 3600 weiter, um dadurch den Strom der Brennstoffzelle 3400 zu steuern (Schritt S280).
  • Wenn eine solche Steuerung ausgeführt wird, beurteilt die Steuereinheit 3500 basierend auf dem vom Temperatursensor s16 zugeleiteten Sensorsignal ob die ermittelte Brennstoffzellentemperatur die Bezugstemperatur überschreitet oder nicht, das heißt, die Aufheizung kann beendet werden (Schritt S290). Wenn die Brennstoffzellentemperatur die Bezugstemperatur nicht überschreitet, kehrt die Steuereinheit 3500 zum Schritt S230 zurück, um das Aufheizen des Systems fortzusetzen und führt wiederholt eine Serie der oben beschriebenen Verfahren durch. Andererseits urteilt die Steuereinheit 3500, wenn die Brennstoffzellentemperatur den Bezugswert überschreitet, dass das System nicht länger aufgeheizt werden muss und die obige Beschreibung wird beendet.
  • Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform während der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad, bei der der Pumpwasserstoff nicht verdünnt werden muss, das Bypassventil voll geschlossen, das Luftdruckregelventil voll geöffnet und der vom Luftkompressor gespeiste Luftdurchfluss wird gesteuert, um den Brennstoffzellenstrom zu steuern. Folglich kann im Vergleich mit der üblichen Aktion und der Hauptaktion mit niedrigem Wirkungsgrad, bei der der Brennstoffzellenstrom durch den Gebrauch des Luftdruckregelventils und des Luftkompressors gesteuert wird, eine einfache Steuerung durchgeführt werden
  • <Modifikation>
    • (1) Bei der obigen Ausführungsform ist bei der Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad das Bypassventil voll geschlossen, das Luftdruckregelventil voll geöffnet und der vom Luftkompressor gespeiste Luftdurchfluss wird gesteuert, um den Brennstoffzellenstrom zu steuern. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die Ventilöffnungsgrade des Bypassventils und des Luftdruckregelventils können auf einen konstanten Wert eingestellt sein und der Durchfluss der vom Luftkompressor zugeführten Luft kann gesteuert werden, um den Brennstoffzellenstrom zusteuern.
    • (2) Außerdem wurde bei der obigen Ausführungsform die Brennstoffzellentemperatur ermittelt, um zu beurteilen, ob das System einer Aufheizung bedarf oder nicht, aber statt der Brennstoffzellentemperatur kann die Temperatur der Außenluft und die Temperatur eines Bauteils in der Umgebung der Brennstoffzelle der Brennstoffzelle ermittelt werden, um zu beurteilen, ob das System einer Aufheizung bedarf oder nicht.
    • (3) Zudem ist bei der obigen Ausführungsform der Betriebspunkt für die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad fixiert, aber die Voraktion mit niedrigem Wirkungsgrad kann in einen Bereich verändert werden, in dem die Menge des zu erzeugenden Pumpwasserstoffs in einen geregelten Bereich fällt.
  • Zusammenfassung
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT EINER VORRICHTUNG ZUM ABSCHÄTZEN DER ZU ERZEUGENDEN ANODENGASMENGE UND VERFAHREN ZUM ABSCHÄTZEN DER ZU ERZEUGENDEN ANODENGASMENGE
  • Es wird ein Brennstoffzellensystem oder dergleichen offenbart, das befähigt ist, die Konzentration eines Wasserstoffabgases selbst in einem Falle ausreichend zu reduzieren, in dem die Brennstoffzelle in einem Zustand mit niedriger Leistungserzeugung betrieben wird. Ein Bypassventil (B1) ist zwischen einem Oxidationsgasversorgungspfad (11) und einem Kathodengaskanal (12) angeordnet. Bei einem Zustand, in dem bei der Versorgung der Kathode mit einem Oxidationsgas ein Mangel auftritt, wird Pumpwasserstoff in ein Kathodenabgas eingeschlossen. Deshalb wird ein Ventilöffnungsgrad des Bypassventils (B1) geregelt und ein Durchfluss der Bypassluft zur Steuerung der Wasserstoffabgaskonzentration geregelt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2003-504807 [0003]
    • - JP 2003-294676 [0003]

Claims (19)

  1. Brennstoffzellensystem, das selektiv eine Aktion mit einem ersten Wirkungsgrad und eine Aktion mit einem zweiten Wirkungsgrad ausführt, der niedriger ist als der erste Wirkungsgrad, und die nachfolgend als Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad bezeichnet wird, umfassend: ein Regelmittel zur Regelung der Verdünnungsmenge eines aus einer Kathode abzuführenden Gases, gemäß einer Gasmenge eines Anodengases, die in dem aus der Kathode der Brennstoffzelle während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad abzuführenden Gas enthalten ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem das in dem aus der Kathode abzuführenden Gas enthaltene Anodengas ein Wasserstoffgas ist, das in der Kathode des Brennstoffzellensystems während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad erzeugt wird, wobei das System umfasst: einen Bypasskanal, der es einem Teil des durch einen Gasversorgungspfad der Brennstoffzelle fließenden Kathodengases gestattet, die Brennstoffzelle zu umgehen und diesen Teil in einen Ableitungskanal einleitet, wobei das Regelmittel ein Bypassventil umfasst, das gemäß einer in dem aus der Kathode der Brennstoffzelle abzuführenden Gas enthaltenen Gasmenge eines Wasserstoffgases eine Gasmenge des über den Bypass zu führenden Kathodengases steuert.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei welchem das Regelmittel die Gasmenge des über den Bypass zu führenden Kathodengases derart steuert, dass eine Ableitungskonzentration des aus dem System abzuleitenden Wasserstoffs nicht größer als ein Bezugswert ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem das der Kathode der Brennstoffzelle zuzuführende Kathodengas ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas ist, wobei das Brennstoffzellensystem weiter enthält: eine Oxidationsgasversorgungsquelle, die das Oxidationsgas entsprechend einem gegebenen Befehl abgibt; und ein Steuermittel zur Steuerung einer Menge des Oxidationsgases, die von der Oxidationsgasversorgungsquelle auf der Basis der Menge des Oxidationsgases abgegeben wird, die für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlich ist und für die Menge des Oxidationsgases, der gestattet wird, die Brennstoffzelle zu umgehen.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, bei welchem das Steuermittel ein Druckregelventil umfasst, das die Menge des Oxidationsgases steuert, das von der Oxidationsgasversorgungsquelle der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad in einem Falle, in welchem die Menge des in der Kathode der Brennstoffzelle zu erzeugenden Wasserstoffgases nicht größer als der Bezugswert ist, das Regelmittel das Bypassventil vollständig schließt, während das Steuermittel die Menge des abzuführenden Oxidationsgases steuert während ein Öffnungsgrad des Druckregelventils konstant gehalten wird in Übereinstimmung mit der Menge des für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlichen Oxidationsgases.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei welchem die Oxidationsgasversorgungsquelle ein Luftkompressor ist, und das Steuermittel die Menge des abzuführenden Oxidationsgases steuert, während das Druckregelventil in Übereinstimmung mit der Menge des für die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erforderlichen Oxidationsgases voll geöffnet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, weiter umfassend: Mittel zur Veranschlagung der Gasmenge des in der Kathode der Brennstoffzelle während der Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad zu erzeugenden Wasserstoffgases.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, bei welchem die Mittel zur Veranschlagung die Menge des Wasserstoffs auf der Basis eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, eines stöchiometrische Luftverhältnisses der Brennstoffzelle und einer Temperatur der Brennstoffzelle veranschlagen.
  9. Verfahren zur Veranschlagung einer zu erzeugenden Wasserstoffmenge, welches die Menge eines in der Kathode einer Brennstoffzelle während einer Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad zu erzeugenden Wasserstoffgases veranschlagt, umfassend: einen ersten Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung eines stöchiometrischen Luftverhältnisses der Brennstoffzelle auf der Basis einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle; und einen zweiten Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung der in der Kathode der Brennstoffzelle zu erzeugenden Gasmenge des Wasserstoffgases auf der Basis des Ausgangsstroms, des stöchiometrische Luftverhältnisses und einer Temperatur der Brennstoffzelle.
  10. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases, die die Menge des in der Kathode einer Brennstoffzelle zu erzeugenden Anodengases veranschlagt, umfassend: Betriebssteuermittel zum Betreiben der Brennstoffzelle auf einem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad, die einen Leistungsverlust größer als jenen eines üblichen Betriebspunkts in einem Falle besitzt, in welchem vorgegebene Bedingungen befriedigt werden; und ein Mittel zur Veranschlagung der Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis einer Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle am Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betrieben wird.
  11. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge des zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 10, bei welcher das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Merkmale veranschlagt: die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibende Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und Schwankungen der Druckverluste von die Brennstoffzelle bildenden Zellen, zusammen mit der Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle und der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases.
  12. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge des zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 11, bei welcher das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung sowohl der verbleibenden Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, als auch der Schwankungen der Druckverluste der Zellen veranschlagt.
  13. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge des zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 10, weiter umfassend: einen Spannungsmonitor zur Feststellung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, wobei das Mittel zur Veranschlagung die Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis der durch den Spannungsmonitor festgestellten Ausgangsspannung veranschlagt.
  14. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge des zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 13, bei welcher der Spannungsmonitor eine Zellenspannung einer jeden der Zellen feststellt, wobei das Mittel zur Veranschlagung eine Bezugsfunktion einschließt, die eine Beziehung zwischen der Zellenspannung einer Bezugszelle und der Menge des zu erzeugenden Anodengases anzeigt, und das Mittel zur Veranschlagung die Menge des zu erzeugenden Anodengases durch Nutzung der vom Spannungsmonitor festgestellten Zellenspannung und der Bezugsfunktion die Menge des zu erzeugenden Anodengases veranschlagt.
  15. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welcher das Betriebssteuermittel die Brennstoffzelle beim Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betreibt, wenn die Brennstoffzelle aufgeheizt werden muss oder falls die Katalysatorfunktion der Brennstoffzelle wiederhergestellt werden muss.
  16. Vorrichtung zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei welcher das in der Kathode zu erzeugende Anodengas Wasserstoff ist.
  17. Verfahren zur Veranschlagung einer Menge eines zu erzeugenden Anodengases, das die Menge des in der Kathode einer Brennstoffzelle zu erzeugenden Anodengases veranschlagt, umfassend: einen Schritt zur Betriebssteuerung zum Betreiben der Brennstoffzelle bei einem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad, bei dem ein größerer Leistungsverlust auftritt als der bei einem üblichen Betriebspunkt, bei dem eine vorgegebene Bedingung befriedigt wird, und einen Veranschlagungsschritt zur Veranschlagung der Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases basierend auf einer Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle für den Fall, dass die Brennstoffzelle auf dem Betriebspunkt für die Aktion mit dem niedrigen Wirkungsgrad betrieben wird.
  18. Verfahren zur Veranschlagung einer Menge des zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 17, bei welchem der Veranschlagungsschritt die Menge des zu erzeugenden Anodengases unter Berücksichtigung wenigstens eines der folgenden Merkmale veranschlagt: die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibende Menge des Kathodengases, die nicht an der Reaktion teilgenommen hat, und Schwankungen der Druckverluste von die Brennstoffzelle bildenden Zellen, zusammen mit der Leistungserzeugungscharakteristik der Brennstoffzelle und der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases.
  19. Verfahren zur Veranschlagung Menge des einer zu erzeugenden Anodengases nach Anspruch 17, bei welchem der Veranschlagungsschritt die Menge des in der Kathode zu erzeugenden Anodengases auf der Basis der von einem Spannungsmonitor festgestellten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle veranschlagt.
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