DE112006003357B4

DE112006003357B4 - Brennstoffzellensystem und deren Verwendung in mobilen Karosserien

Info

Publication number: DE112006003357B4
Application number: DE112006003357T
Authority: DE
Inventors: Shinji Aso; Tomohiro Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: CN101331636A; DE112006003357B8; JP2007165104A; KR20080067007A; DE112006003357T5; US20090068514A1; CN101331636B; CN101800345B; CN101800345A; KR100987739B1; WO2007069482A1; JP4946028B2; US8119298B2

Abstract

Brennstoffzellensysteme, die einen stabilen Betrieb einer Brennstoffzelle fortsetzen können und einen unterbrechungsfreien Betrieb des Systems sogar bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler ausführen können, und deren Verwendung in mobilen Karosserien. Ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Akkumulatorvorrichtung mit einer Last über einen Spannungswandler parallel mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, beinhaltet eine Zusatzausrüstung, die an einer Stelle näher an der Brennstoffzelle als der Spannungswandler mit dieser verbunden ist, und eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Spannungswandlers und der Zusatzausrüstung. Die Steuerungsvorrichtung ändert den Betriebspunkt der Zusatzausrüstung, wenn eine Abnormalität im Spannungswandler aufgetreten ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in mobilen Karosserien und betrifft insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Akkumulatorvorrichtung und eine Brennstoffzelle beinhaltet.
Technischer Hintergrund
Wie in den japanischen Patentoffenlegungsschriften JP 2002-118981 A und JP 2004-222376 A beschrieben ist, ist aus dem Stand der Technik ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Batterie mit einer Brennstoffzelle über einen Gleichstromwandler, der als Spannungswandler dient, parallel verbunden ist.
Das Brennstoffzellensystem wird entsprechend der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2002-118981 A in ein Fahrzeug montiert. Dann wird eine Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung zwischen einem Gleichstromwandler und einer Batterie mit diesen verbunden. Ereignet sich im Gleichstromwandler eine Abnormalität, wird bei dieser Anordnung der Antrieb der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung durch eine von der Batterie erhaltene Leistung fortgesetzt und somit ein unterbrechungsfreier Betrieb der Brennstoffzelle sichergestellt.
Offenbarung der Erfindung
Ereignet sich also eine Abnormalität im Gleichstromwandler, hängt die Zufuhr der Leistung der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung von der Batterie ab. Daher gestaltet sich die Ansteuerung des Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung in dem Fall, wenn die in der Batterie gespeicherte Elektrizität abnimmt, als schwierig, und es kommt zu einem erschwerten Betrieb der Brennstoffzelle.
Darüber hinaus enthält die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2002-118981 A keine Beschreibung einer Notlauffunktion für einen Fahrmotor etc., wenn der Gleichstromwandler aufgrund der Abnormalität angehalten wird. Aus diesem Grund kann es entweder zu einem Leistungsversorgungsengpass oder einer übermäßigen Leistungserzeugung kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle selbst in dem Fall in stabiler Weise betriebt, wenn sich in einem Spannungswandler eine Abnormalität ereignet hat, und somit den unterbrechungsfreien Betrieb des Systems ermöglicht, und eine mobile Karosserie zu schaffen.
Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst bzw. beinhaltet ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle; eine Akkumulatorvorrichtung, die parallel mit der Brennstoffzelle über einen Spannungswandler mit einer Last verbunden ist; eine Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung, die dem Betrieb der Brennstoffzelle zugewiesen ist und die an einer Stelle näher mit der Brennstoffzelle verbunden ist als der Spannungswandler; und eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Spannungswandlers und der Zusatzausrüstung. Die Steuerungsvorrichtung ist derart ausgebildet und eingerichtet, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler einen Betriebspunkt des Zusatzausrüstung so ändert, dass die durch die Zusatzausrüstung verbrauchte elektrische Leistung größer als die normalerweise verbrauchte Leistung ist.
Wenn es gemäß dieser Konfiguration zu einer Abnormalität im Spannungswandler kommt, kann die Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung durch Zuführen einer elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle angesteuert werden. Ferner wird bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler der Betriebspunkt der Zusatzausrüstung geändert. Daher sollte in einem Fall, wenn der Zusatzausrüstung beispielsweise der Betrieb der Brennstoffzelle zugewiesen wird, der Betriebspunkt so geändert werden, dass ein stabiler Brennstoffzellenbetrieb ermöglicht wird, so dass der Betrieb des Systems fortgesetzt wird. Ferner kann sogar in dem Fall, wenn z. B. der Zusatzausrüstung kein Brennstoffzellenbetrieb zugewiesen wird, der Betriebspunkt für die Ausführung eines stabilen Betriebs der Brennstoffzelle geändert werden, so dass der Betrieb des Systems fortgesetzt werden kann.
Ferner kann bei dieser Konfiguration die Zusatzausrüstung in einem größeren Toleranzbereich als normalerweise der Fall ist betrieben werden, und ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle ist dadurch möglich.
Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler ändert die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise den Betriebspunkt der Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung, nachdem der Spannungswandler gestoppt worden ist.
Da der Spannungswandler gestoppt ist, kann bei dieser Konfiguration eine Beschädigung von Hochspannungsbauteilen verhindert werden.
Es wird bevorzugt, dass die Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung zumindest entweder einen Kompressor zum Zuführen eines unter Druck stehenden Oxidationsgases zur Brennstoffzelle, eine Pumpe zum Zirkulieren eines Brenngases zur Brennstoffzelle und eine Kühlpumpe zum Zuführen eines Kühlmittels zur Brennstoffzelle beinhaltet.
Noch mehr bevorzugt wird, dass die Steuerungsvorrichtung bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler die Anzahl der Umdrehungen von zumindest entweder dem Kompressor, der Pumpe oder der Kühlpumpe erhöht.
Der Zusatzausrüstung beinhaltet vorzugsweise zumindest entweder ein Ablassventil zum Abführen von Brennstoff-Off-Gas bzw. Brennstoffabgas aus der Brennstoffzelle oder ein Leitungsschaltventil für ein Schalten zwischen Kühlmittelleitungen, um die Brennstoffzelle zu kühlen.
Noch mehr bevorzugt wird, dass die Steuerungsvorrichtung bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler zumindest entweder den EIN-/AUS-Zählwert für das Ablassventil oder einen Schaltzählwert für das Leitungsschaltventil erhöht.
Bei der Zusatzausrüstung handelt es sich vorzugsweise um eine Zusatzausrüstung für die Verwendung im Hochspannungsbetrieb bzw. bei einer Spannung höher als 12 V.
Das Brennstoffzellensystem dieser Erfindung beinhaltet vorzugsweise eine zweite Akkumulatorvorrichtung, die über einen zweiten Spannungswandler parallel mit der Akkumulatorvorrichtung mit dem Spannungswandler verbunden ist; und eine zweite Zusatzausrüstung, die an einer Stelle näher zur zweiten Akkumulatorvorrichtung als der zweite Spannungswandler mit dieser verbunden ist. Ferner handelt es sich bei der zweiten Akkumulatorvorrichtung, dem zweiten Spannungswandler und der zweiten Zusatzausrüstung um Vorrichtungen, die für eine niedrigere Spannung als die für die Akkumulatorvorrichtung, den Spannungswandler und die Zusatzausrüstung verwendet werden.
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe umfasst bzw. beinhaltet ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung eine Leistungserzeugungseinheit, die durch Empfangen einer elektrischen Leistung angesteuert wird; eine Brennstoffzelle zum Zuführen einer elektrischen Leistung zur Leistungserzeugungseinheit; eine Akkumulatorvorrichtung, die mit der Leistungserzeugungseinheit und parallel zur Brennstoffzelle verbunden ist; und einen Spannungswandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Leistungserzeugungseinheit oder zwischen der Akkumulatorvorrichtung und der Leistungserzeugungsvorrichtung angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem weist eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Spannungswandlers und der Leistungserzeugungseinheit auf, und bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler begrenzt die Steuerungsvorrichtung die Leistungsabgabe an die Leistungserzeugungseinheit.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Leistungserzeugungseinheit bei Auftreten der Abnormalität im Spannungswandler immer noch durch die von der Brennstoffzelle oder Akkumulatorvorrichtung zugeführten Leistung angesteuert werden. Darüber hinaus wird die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit bei Auftreten der Abnormalität im Spannungswandler begrenzt. Somit kann ein Versorgungsengpass der elektrischen Leistung oder eine übermäßige Erzeugung der elektrischen Leistung verhindert werden, und der Betrieb des Systems kann durch Ausführung eines stabilen Betriebs durch die Brennstoffzelle fortgesetzt werden. In einem Fall, wenn z. B. das Brennstoffzellensystem in einer mobilen Karosserie montiert ist, muss bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler der Fortbewegungsprozess der mobilen Karosseries nicht gestoppt werden.
Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler nimmt die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise eine Anpassung eines Obergrenzewerts für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit vor.
Wie vorstehend beschrieben, kann das System mit einem größeren Toleranzbereich betrieben werden, da die Obergrenze-Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit bezogen auf den Betrag der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung festgelegt wird.
Die Steuerungsvorrichtung legt vorzugsweise den Obergrenzewert für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit fest, der geringer ist als die Nennlastleitung für die Leistungserzeugungseinheit.
Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler nimmt die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise eine Anpassung eines Untergrenzewerts für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungsvorrichtung vor.
In einem Beispiel wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Leistungserzeugungsvorrichtung um einen Fahrmotor handelt. Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler, wenn durch den Regenerationsvorgang der Zugkraft mehr Leistung erzeugt wird, wird diese erzeugte Leistung nicht in der Akkumulatorleistung gespeichert und kann nirgendwohin abgeführt werden. In Anbetracht dieser Situation wird die Untergrenzeleistungsabgabe für den Fahrmotor bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler festgelegt, so dass ein Überschussleistungszustand verhindert werden kann.
Noch mehr bevorzugt wird es, wenn die Steuerungsvorrichtung den Untergrenzewert für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit so festlegt, dass er größer ist als die elektrische Nennleistung, die durch die Leistungserzeugungseinheit erzeugt wird.
Das Brennstoffzellensystem beinhaltet vorzugsweise eine Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung, die an einer Stelle näher an der Brennstoffzelle als der Spannungswandler mit dieser verbunden ist.
Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler ändert die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise einen Betriebspunkt der Zusatzausrüstung.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in mobilen Karosserien verwendet werden. Bei einer solchen mobilen Karosserie handelt es sich um ein Automobil, wie ein mit zwei oder vier Rädern ausgestattetes Kraftfahrzeug oder einen Zug, ein Flugzeug, ein Schiff oder einen Roboter.
Bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler erlaubt vorzugsweise die Steuerungsvorrichtung der mobilen Karosserie den Fahrbetrieb in einer Notlauffunktion.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines in einem Fahrzeug montierten Brennstoffzellensystems darstellt; und
2 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerungsverarbeitung darstellt, die durch das Brennstoffzellensystem unter normalen Umständen und abnormalen Umständen in einem Spannungswandler ausgeführt wird.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Es erfolgt nun eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Modus der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. An dieser Stelle erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels, bei dem das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug stellvertretend als Fahrzeugtyp für eine mobile Karosserie montiert ist.
Wie in 1 gezeigt ist, fährt ein Fahrzeug 100 unter Verwendung eines Fahrmotors 8 (Leistungserzeugungsvorrichtung) als Antriebskraftquelle, der mit Rädern 101L und 101R verbunden ist. Bei der Leistungsquelle des Fahrmotors 8 handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem 1. Ein durch das Brennstoffzellensystem 1 abgegebener Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter 7 in einen dreiphasigen Wechselstrom bzw. Drehstrom umgewandelt, und der Drehstrom wird dem Fahrmotor 8 zugeführt. Zum Bremsen des Fahrzeugs 100 wird der Fahrmotor 8 ferner durch die Räder 101L und 101R angesteuert und dient als ein Leistungsgenerator, um die Erzeugung des Drehstroms auszuführen. Der Drehstrom wird durch den Wechselrichter 7 in einen Gleichstrom umgewandelt, und der Gleichstrom wird in der Akkumulatorvorrichtung 3 gespeichert.
Das Brennstoffzellensystem 1 beinhaltet eine Brennstoffzelle 2, die Akkumulatorvorrichtung 3, einen Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 und eine Steuerungsvorrichtung 13. Der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 ist zwischen der Akkumulatorvorrichtung 3 und dem Gleichrichter 7 angeordnet. Die Akkumulatorvorrichtung 3 ist parallel mit der Brennstoffzelle 2 über den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 mit dem Fahrmotor 8 verbunden. Es ist zu beachten, dass anstelle einer Anordnung, bei der ein Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 zwischen der Akkumulatorvorrichtung 3 und dem Fahrmotor 8 angeordnet ist, der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Fahrmotor 8 angeordnet sein kann.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine Stapelstruktur auf, bei der mehrere elektrische Zellen übereinander geschichtet sind. Als die Brennstoffzelle 2 stehen verschieden Brennstoffzellentypen zur Verengung, wie eine Phosphorsäure-Brennstoffelle und eine Festoxid-Brennstoffzelle, als Brennstoffzelle 2 für den vorliegenden Modus wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet.
Ein Oxidationsgas wird der Luftelektrode (Kathode) der Brennstoffzelle 2 unter Druck stehend durch einen Luftkompressor 5 zugeführt. Ein Sauerstoff-Offgas bzw. -Abgas, aufgrund dessen sich die Zellenreaktion an der Brennstoffzelle 2 ereignet hat, wird eine Offgas- bzw. Abgasleitung 16 entlang bewegt und für den Wasseraustausch an einer Befeuchtungseinrichtung 17 verwendet und abschließend nach außerhalb des Systems abgeführt.
Als Brenngas wird der Wasserstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle 2 ein Wasserstoffgas eine Förderleitung 23 entlang zugeführt. Das Wasserstoffgas wird der Brennstoffzelle 2 aus beispielsweise einer Wasserstoffspeicherquelle 24, wie z. B. einem Hochdruck-Wasserstofftank, der stromauf der Förderleitung 23 angeordnet ist, zugeführt. Es ist zu beachten, dass ein Wasserstoffgas, das durch Reformieren eines Materials wie Alkohol oder komprimiertes Erdgas erzeugt wird, der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden kann.
Ein Wasserstoff-Abgas (Brennstoff-Offgas), aufgrund dessen die Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 ausgeführt worden ist, wird an die Abgas- bzw. Offgasleitung 25 abgeführt, durch eine Wasserstoffpumpe 26 an die Zuführleitung 23 zurückgegeben und erneut der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Eine mit der Offgasleitung 25 verbundene Abgasleitung 27 zweigt von dieser ab. Während das Brennstoffzellensystem 1 betrieben wird, öffnet sich bestimmungsgemäß ein Ablassventil 28, das an der Abgasleitung 27 angeordnet ist, und jede im Wasserstoff-Abgas enthaltene Verunreinigung wird zusammen mit dem Wasserstoff-Abgas stromabwärts der Abgasleitung 27 abgeführt. Daher kann die Verunreinigungsdichte, die im Wasserstoff-Abgas auf der Wasserstoffzirkulationsleitung enthalten ist, verringert werden, und die Wasserstoffdichte des Wasserstoff-Abgases, das zirkuliert wird, kann erhöht werden.
Eine Zirkulationsrohrleitung 11 zum Zirkulieren eines Kühlmittels ist mit dem Kühlmittel-Einlass/-Auslass der Brennstoffzelle 2 verbunden. Das Kühlmittel wird der Brennstoffzelle 2 durch eine Kühlpumpe 10 auf der Zirkulationsrohrleitung 11 zum Kühlen der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Ein Leitungsschaltventil 12, das auf der Zirkulationsrohrleitung 11 angeordnet ist, kann zum Umleiten des Kühlmittels verwendet werden, so dass das Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 nicht zugeführt wird. Das heißt, dass das Leitungsschaltventil 12 den Weg ändert, den das Kühlmittel entlang strömt.
Bei der Akkumulatorvorrichtung 3 (erste Akkumulatorvorrichtung) handelt sich um eine sekundäre Zelle, für die ein Lade- und Entladevorgang ermöglicht wird, und die als Hochspannungs-Akkumulatorvorrichtung dient. Bei der Akkumulatorvorrichtung 3 handelt es sich beispielsweise um eine Nickelwasserstoffzelle oder eine Lithiumionenzelle, und außer einer sekundären Zelle ist auch die Verwendung eines Kondensators möglich.
Beim Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 handelt es sich um einen Gleichstromspannungswandler (erster Spannungswandler). Der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 beinhaltet: eine Funktion zum Anpassen einer Gleichstromspannung, die aus der Akkumulatorvorrichtung 3 empfangen wird, und Abgeben der erhaltenen Spannung an die Seite des Wechselrichters 7; und eine Funktion zum Anpassen einer von der Brennstoffzelle 2 oder dem Fahrmotor 8 empfangenen Gleichstromspannung und Abgeben der erhaltenen Spannung an die Akkumulatorvorrichtung 3. Der Lade- und Entladevorgang der Akkumulatorvorrichtung 3 werden unter Heranziehung dieser Funktionen ermöglicht. Ferner wird eine durch die Brennstoffzelle 2 abgegebene Spannung durch den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 gesteuert.
Mit dem Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 und der Brennstoffzelle 2 sind zwischen denselben verschiedene Hilfs- bzw. Zusatzausrüstungstypen verbunden, denen der Betrieb der Brennstoffzelle 2 zugewiesen wird. Der Zusatzausrüstung für diese Ausführungsform beinhaltet diejenige (die erste Zusatzausrüstung), die zur Verwendung bei hoher Spannung (z. B. einer Spannung von mehr als 12 V) verwendet wird, und dabei kann es sich um den Luftkompressor 5, die Kühlpumpe 10, die Wasserstoffpumpe 26, das Ablassventil 28 und das Leitungsschaltventil 12 handeln. Ein durch die Umwandlung durch die Wechselrichter 5, 9 und 19 erhaltener Wechselstrom wird dem Luftkompressor 5, der Kühlpumpe 10 und der Wasserstoffpumpe 26 zugeführt. Es ist ferner zu beachten, dass der Zusatzausrüstung eine Pumpe zum Zuführen eines Reformierungsmaterials und eine Heizeinrichtung zum Anpassen der Temperatur einer Reformierungsvorrichtung beinhaltet.
Während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelle 2 wird der Brennstoffzelle 2 eine elektrische Leistung für die Hilfs- bzw. Zusatzausrüstung (5, 10 und 26) ohne Zuführung über den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 zugeführt. Während des zum Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 2 ausgeführten Vorgangs oder zum anfänglichen Betriebszeitpunkt wird hingegen eine elektrische Leistung für die Zusatzausrüstung (5, 10 und 26) durch die Akkumulatorvorrichtung 3 über den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 zugeführt.
Ein Niederspannungs-Gleichstromwandler 18 (zweiter Spannungswandler) ist zwischen der Akkumulatorvorrichtung 3 und dem Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 mit diesen verbunden. Der Niederspannungs-Gleichstromwandler 18 senkt die Spannung eines Teils einer Gleichstromleistung für die Seite mit einer Hochspannungsschaltung und führt diese elektrische Leistung einer Seite mit einer Niederspannungsschaltung zu. Ein Teil der resultierenden Gleichstromleistung wird in einer Niederspannungsbatterie (Sekundärzelle) 19 gespeichert, die als eine Niederspannungs-Akkumulatorvorrichtung dient, und der Rest wird als elektrische Leistung zum Ansteuern einer Niederspannungs-Zusatzausrüstung 20 verwendet. Die Niederspannungsbatterie 19 (zweite Akkumulatorvorrichtung) dient als eine Quelle zum Zuführen einer elektrischen Leistung an die Niederspannungs-Zusatzausrüstung 20.
Die Niederspannungs-Zusatzausrüstung 20 beinhaltet verschiedene Typen von Vorrichtungen, die bei einer niedrigen Spannung (z. B. 12 V) angesteuert werden und die sich von der Hochspannungs-Zusatzausrüstung (dem Luftkompressor 5, der Kühlpumpe 10 und der Wasserstoffpumpe 26) der vorliegenden Ausführungsform wie vorstehend beschrieben unterscheiden. Verschiedene elektrische Vorrichtungen, wie z. B. ein Wasserstofftankventil, ein Einspritzventil zum Einspritzen eines Wasserstoffs durch Anpassen eines Einspritzdrucks und eine Zusatzausrüstung für das Fahrzeug 100 entsprechen der Niederspannungs-Zusatzausrüstung 20. Bei der Zusatzausrüstung für das Fahrzeug 100 kann es sich beispielsweise um eine Klimaanlage, ein Navigationssystem, Leuchten, eine Einspritzvorrichtung und Fahrtrichtungsanzeiger (Blinkerleuchten), die am Fahrzeug montiert sind, handeln. Die Niederspannungs-Zusatzausrüstung 20 kann auch durch eine von der Niederspannungsbatterie 20 empfangene elektrische Leistung angesteuert werden.
Die Steuerungsvorrichtung 13 ist als ein Mikrocomputer bereitgestellt, der eine CPU, einen ROM und einen RAM beinhaltet. Die Steuerungsvorrichtung 13 steuert die Gesamtheit der individuellen Komponenten (den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 etc.) des Brennstoffzellensystems 1 und die individuellen Komponenten (den Wechselrichter 7 etc.) des Fahrzeugs 100.
Insbesondere steuert die Steuerungsvorrichtung 13 den Schaltvorgang des Wechselrichters 7, um in Übereinstimmung mit einer angeforderten Antriebskraft einen Drehstrom an den Fahrmotor 8 abzugeben. Die Steuerungsvorrichtung 13 steuert zudem den Betrieb des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4, so dass in Übereinstimmung mit einer angeforderten Antriebskraft eine elektrische Leistung bereitgestellt wird. Außerdem steuert die Steuerungsvorrichtung 13 die Zufuhr des Oxidationsgases und des Wasserstoffgases in Übereinstimmung mit einer elektrischen Soll-Leistung der Brennstoffzelle 2, und steuert die Temperatur der Brennstoffzelle 2 unter Verwendung eines Kühlsystems. Die Steuerungsvorrichtung erlaubt dem Wechselrichter 6, 29 und 9 z. B. die Anpassung der Umdrehungsanzahl des Elektromotors (nicht gezeigt), der jeweils den Luftkompressor 5, die Wasserstoffpumpe 26 und die Kühlpumpe 10 ansteuert. Ferner öffnet und schließt die Steuerungsvorrichtung 13 verschiedene Ventile (das Ablassventil 28 etc.).
2 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerungsverarbeitung darstellt, die durch das Brennstoffzellensystem 1 unter normalen und abnormalen Umständen im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 ausgeführt wird.
Diese Routine wird vom ROM der Steuerungsvorrichtung 13 gelesen und durch die CPU ausgeführt.
Bei Schritt S101 beurteilt die Steuerungsvorrichtung 13 zunächst, ob ein Betrieb des Spannungswandlers abnormal ist, d. h., sie beurteilt, ob im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 eine Abnormalität aufgetreten ist. In einem Fall, wenn sich im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 keine Abnormalität ereignet hat (Schritt S101; NEIN), wird der Betrieb des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4 fortgesetzt (Schritt S102), und der Steuervorgang wird zu dem sich daran anschließenden Schritt S103 bewegt.
Bei Schritt S103 wird eine für den Fahrmotor 8 angeforderte elektrische Leistung Pm berechnet. Bei der angeforderten elektrischen Leistung Pm handelt es sich um die elektrische Leistung, die dem Fahrmotor 103 zugeführt werden soll, und die wie folgt erhalten wird. Zunächst legt die Steuerungsvorrichtung 13 die Soll-Anzahl der Umdrehungen und das Soll-Drehmoment für den Fahrmotor 103 fest. Ein Produkt aus diesen beiden wird als die Antriebskraft verwendet, die durch den Fahrmotor 8 ausgegeben werden soll. Wenn der Wert dieser Antriebskraft basierend auf einem Verhältnis einer durch den Fahrmotor 103 ausgegebenen Antriebskraft relativ zur Betriebseffizienz und zum Leistungsverbrauch dividiert wird, erhält man die angeforderte elektrische Leistung Pm. Wenn der Fahrmotor 8 als ein Leistungsgenerator funktioniert, um einen regenerativen Bremsvorgang auszuführen, handelt es sich bei dem Soll-Drehmoment um einen negativen Wert. In diesem Fall handelt es sich bei der angeforderten elektrischen Leistung Pm um einen negativen Wert.
Anschließend wird bei Schritt S104 ein Brennstoffzellen-Zusatzausrüstungs-Betriebspunkt Xm basierend auf der angeforderten elektrischen Leistung Pm berechnet, die erhalten wird. In dieser Ausführungsform entsprechen der Luftkompressor 5, die Kühlpumpe 10, die Wasserstoffpumpe 26, das Ablassventil 28 und das Leitungsschaltventil 12 der Brennstoffzelle-Zusatzausrüstung. Wenn der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstungs-Betriebspunkt Xm geändert wird, werden die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit für den Luftkompressor 5, die Kühlpumpe 10 und die Wasserstoffpumpe 26, der EIN-/AUS-Zählwert pro Zeiteinheit für das Ablassventil 28 und der Zählwert pro Zeiteinheit zum Schalten des Leitungsschaltventils 12 geändert.
Beim nächsten Schritt S105 wird eine angeforderte elektrische Leistungsobergrenze Pmax für eine Fahrtantriebsvorrichtung festgelegt. Die angeforderte elektrische Leistungsobergrenze Pmax wird bei einer Nennlastleistung P1 für den Fahrmotor 8 festgelegt. An dieser Stelle handelt es sich dabei um einen positiven Wert, da es sich bei der angeforderten elektrischen Leistungsobergrenze Pmax um die Nennlastleistung P1 handelt.
Im Anschluss daran wird bei Schritt S106 eine angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze Pm in für eine Fahrtantriebsvorrichtung festgelegt. Die angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze Pm wird bei einer durch den Fahrmotor 8 erzeugten, elektrischen Nennleistung P2 festgelegt An dieser Stelle handelt es sich bei der angeforderten Leistungsuntergrenze P2 um einen negativen Wert, weil in diesem Fall der Fahrmotor 8 als Leistungsgenerator funktioniert.
Im darauffolgenden Schritt S107 wird ein Korrekturkoeffizient X für den Betriebspunkt einer Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung festgelegt. Wie später beschrieben wird, handelt es sich beim Korrekturkoeffizienten X um einen Wert, der mit dem Betriebspunkt Xm, der vorstehend festgelegt wurde, multipliziert werden soll. Da in diesem Fall der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 normal arbeitet, lautet der Korrekturkoeffizient X X1, der gleich 1,0 ist. Dies stellt sich wie folgt dar. X = X1 = 1,0
Die angeforderte elektrische Leistungsobergrenze Pmax und die angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze Pmin werden zur angeforderten elektrischen Leistung Pm gegeben, und man erhält die angeforderte elektrische Leistung Pm (Schritt S112). Dann wird der Betriebspunkt Xm unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten X (= X1) korrigiert, der finale Betriebspunkt Xm bestimmt (Schritt S113) und die Verarbeitung bei „Zurück” fortgesetzt.
In einem Fall, in dem sich hingegen eine Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 ereignet hat (Schritt S101; JA), wird der Betrieb des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4 gestoppt (Schritt S108). In diesem Fall kann die Abnormalität des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4 beispielsweise einen Fall beinhalten, in dem ein Überstrom über einen Transistor desselben geflossen ist, oder einen Fall, in dem die Temperatur angestiegen ist. Wenn der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 aufgrund einer Abnormalität gestoppt wird, werden der Lade-/Entladevorgang der Akkumulatorvorrichtung 3 und ein Steuerungsvorgang des Betrags der durch die Brennstoffzelle 7 erzeugten elektrischen Leistung gehemmt.
Dabei ist ein Fall, in dem der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 gestoppt wird (Schritt S108), entweder das Ergebnis der Steuerungseinheit 13, die ein Steuersignal an den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 ausgibt, um den Betrieb zu stoppen, oder das Ergebnis des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4, der eine Selbstschutzschaltung (Stoppen des Schaltvorgangs des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 4) aktiviert. Im zweiten Fall empfängt die Steuerungsvorrichtung 13 ein Signal, das anzeigt, dass der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 gestoppt worden ist. Dabei kann die Steuerungsvorrichtung 13 ein Betriebsstoppsignal an den Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 übertragen.
Beim nächsten Schritt S109 wird die angeforderte elektrische Leistungsobergrenze Pmax für die Fahrtantriebsvorrichtung bei P3 festgelegt. Hier wird die angeforderte elektrische Leistungsobergrenze P3 bei einem Wert festgelegt, der kleiner als die Nennlastleistung P1 ist. Das heißt, dass P3 < P1. Die elektrische Leistungsobergrenze P3 wird beispielsweise wie folgt festgelegt. P3 = P1 × 1/3
Da der Obergrenzewert für die Leistungsabgabe des Fahrmotors 8 auf diese Weise gesteuert wird, kann bei Auftreten einer Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 das System 1 mit einem Überschuss-Toleranzbereich betrieben werden.
Beim nächsten Schritt S110 wird die angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze Pmin für eine Fahrtantriebsvorrichtung bei P4 festgelegt. Hier handelt es sich bei der angeforderten elektrischen Leistungsuntergrenze P4 um einen festgelegten Wert, der größer als die zu erzeugende elektrische Nennleistung P2 ist. Das heißt, P4 > P2. Die angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze P4 wird bei P4 = 0 festgelegt, so dass der Regenerationsvorgang des Fahrmotors 8 gehemmt wird. Wenn der Untergrenzewert der Leistungsabgabe des Fahrmotors 8 auf diese Weise gesteuert wird, kann bei Auftreten einer Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 der Überschussleistungszustand gehemmt werden. Es ist zu beachten, dass, wenn P4 ≠ 0 eine durch Regeneration erhaltene elektrische Leistung durch die Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung verbraucht wird.
Beim nächsten Schritt S111 wird der Korrekturkoeffizient X für den Betriebspunkt der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung bei X2 festgelegt. Hier wird der Korrekturkoeffizient X2 bei einem Wert festgelegt, der größer als der Korrekturkoeffizient X1 ist. Das heißt, X2 > X1. Der Korrekturkoeffizient wird bei X2 = 1,5 festgelegt. Der Betriebspunkt X für die Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung sollte geändert werden, so dass auf diese Weise die durch die Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung verbrauchte Leistung größer ist als die zu einem normalen Zeitpunkt verbrauchte Leistung.
Beim nächsten Schritt S112 werden die angeforderte elektrische Leistungsobergrenze Pmax (= P3) und die angeforderte elektrische Leistungsuntergrenze Pmin (= P4) zur angeforderten elektrischen Leistung Pm gegeben, und die angeforderte elektrische Leistung Pm wird bestimmt. Während die Leistungsabgabe des Fahrmotors 8 auf diese Weise begrenzt wird, wird die normale Fahrtsteuerung in die Notlauffunktion verschoben. Folglich wird der Leistungsversorgungsengpass durch die Brennstoffzelle 2 zurückgehalten und der Überschussleistungszustand ebenfalls gehemmt, und der Antrieb des Fahrmotors 8 kann fortgesetzt werden. Das heißt, selbst wenn eine Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 aufgetreten ist, ist kein Stoppen des Betriebs des Fahrzeugs 100 erforderlich, und der Fahrbetrieb des Fahrzeugs 100 kann (in der Notlauffunktion) fortgesetzt werden.
Beim nächsten Schritt S113 wird der Betriebspunkt Xm unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten X (= X2) korrigiert, und der finale Betriebspunkt Xm wird bestimmt. Auf diese Weise wird der Betriebspunkt Xm unter Verwendung des X2 korrigiert, der größer als X1 ist, so dass bei Auftreten einer Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 die Effizienz der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung niedriger ist als während der Normalzeit. Aufgrund dieser Einstellungsvorkehrungen wird der Betrieb in einem Zustand ausgeführt, in dem die Anzahl der Motorumdrehungen des Luftkompressors 5 erhöht und das stöchiometrische Luftverhältnis gesteigert wird. Ferner wird gemäß den vorstehenden Einstellungsvorkehrungen die Anzahl der Elektromotorumdrehungen der Wasserstoffpumpe 26 erhöht. Da aufgrund dieser Einstellungsvorkehrungen der Brennstoffzelle 2 überschüssiges Oxidationsgas und Wasserstoffgas zugeführt werden, kann die Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung durch eine durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Leistung angesteuert und das Brennstoffzellensystem 1 in einem Überschuss-Toleranzbereich betrieben werden.
Wenn ferner der Betriebspunkt Xm bei Schritt S113 bestimmt wird, kann die Erhöhung der Anzahl der Elektromotorumdrehungen der Kühlpumpe 10 festgelegt werden. Zudem können der EIN-/AUS-Zählwert für das Ablassventil 28 und/oder der Zählwert für den Schaltvorgang des Leistungsschaltventils 12 erhöht werden. Insbesondere in einem Fall, in dem die Anzahl der Elektromotorumdrehungen des Luftkompressors 5 erhöht wird, besteht bei einem Undichtigkeitsbetrag von Stickstoff (eine Gasverunreinigung), der durch einen Elektrolytfilm gelangt, die Tendenz zur Zunahme, und bei der Dichte des im Wasserstoff-Abgas enthaltenen Wasserstoffs besteht die Tendenz zur Abnahme. Daher ist es angebracht, den EIN-/AUS-Zählwert für das Ablassventil 28 zu erhöhen. Es ist zu beachten, dass der Betriebspunkt von einer der Brennstoffzellen-Zusatzausrüstungs-Einheiten (5, 26, 18, 28 und 12) geändert werden kann, oder alle Betriebspunkte geändert werden können.
Dem Brennstoffzellensystem 1 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entsprechend und auch in einem Fall, wenn der Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 aufgrund einer Abnormalität gestoppt wird, wird der Fahrmotor 8 in den Notlauffunktions-Steuermodus verschoben. Folglich muss das Fahrzeug 100 nicht unmittelbar nach Auftreten der Abnormalität gestoppt werden, und die Betriebszuverlässigkeit des Fahrzeugs 100 kann verbessert werden. Da ferner die Brennstoffzellen-Zusatzausrüstung durch eine durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte Leistung angesteuert wird, kann ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 2 kontinuierlich ausgeführt und der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 bestimmungsgemäß fortgesetzt werden.
Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in dem eine Fahrzeugausrüstung mit der Brennstoffzelle 2 und dem Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 zwischen denselben verbunden ist, die Betriebspunkte für die Fahrzeugausrüstung bei den Schritten S111 und S113 geändert werden können. In diesem Fall entspricht die Fahrzeugausrüstung den verschiedenen Leistungsgeräten, die für den Betrieb des Fahrzeugs verwendet werden, und eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Klimaanlage und eine Hydraulikpumpe beinhalten.
Ferner kann man bei Auftreten einer Abnormalität im Hochspannungs-Gleichstromwandler 4 einem Insassen wie dem Fahrer des Fahrzeugs 100 eine dementsprechende Mitteilung zukommen lassen. Nachdem eine Anweisung zum Stoppen des Spannungswandlers bei Schritt S108 erteilt worden ist, wird dem Insassen akustisch oder visuell etc. mitgeteilt, dass der Fahrmotor 8 in die Notlauffunktionssteuerung verschoben worden ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 1 kann nicht nur in Fahrzeugen mit zwei oder vier Rädern montiert werden, sondern auch in andere mobile Karosserien wie Züge, Flugzeuge, Schiffe, Roboter etc. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 auch als feststehende Einheit verwendet werden, die in ein Hybriderzeugungssystem eingebaut werden soll.

Claims

Brennstoffzellensystem (1), umfassend: eine Brennstoffzelle (2) und eine Akkumulatorvorrichtung (3), die parallel mit der Brennstoffzelle (2) über einen Spannungswandler (4) mit einer Last (8) verbunden ist, wobei das Brennstoffzellensystem (1) aufweist: eine Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28), die dem Betrieb der Brennstoffzelle (2) zugewiesen ist und die an einer Stelle näher an der Brennstoffzelle (2) als der Spannungswandler (4) mit dieser verbunden ist; und eine Steuervorrichtung (13) zum Steuern des Spannungswandlers (4) und der Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28), wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) einen Betriebspunkt der Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) so ändert, dass die durch die Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) verbrauchte elektrische Leistung größer als die normalerweise verbrauchte Leistung ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) den Betriebspunkt der Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) ändert, nachdem der Spannungswandler (4) gestoppt worden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) zumindest einen Kompressor (5) zum Zuführen eines unter Druck stehenden Oxidationsgases zur Brennstoffzelle (2), eine Pumpe (26) zum Zirkulieren eines Brenngases zur Brennstoffzelle (2) und eine Kühlpumpe (10) zum Zuführen eines Kühlmittels zur Brennstoffzelle (2) beinhaltet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) die Anzahl der Umdrehungen von zumindest entweder dem Kompressor (5), der Pumpe (26) oder der Kühlpumpe (10) erhöht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) zumindest entweder ein Ablassventil (28) zum Abführen des Brennstoff-Abgases von der Brennstoffzelle (2) oder ein Leitungsschaltventil (12) zum Schalten zwischen Kühlmittelleitungen zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) beinhaltet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) zumindest entweder einen EIN-/AUS-Zählwert für das Ablassventil (28) oder einen Schaltzählwert für das Leitungsschaltventil (12) erhöht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei der Zusatzausrüstung um eine Zusatzausrüstung (5, 10, 26) zur Verwendung bei einer Spannung höher als 12 V handelt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: eine zweite Akkumulatorvorrichtung (19), die über einen zweiten Spannungswandler (18) mit dem Spannungswandler (4) und parallel zu der Akkumulatorvorrichtung (3) geschaltet, mit der Last (8) verbunden ist, und eine zweite Zusatzausrüstung (20), die an einer Stelle näher an der zweiten Akkumulatorvorrichtung (19) als der zweite Spannungswandler (18) mit dieser verbunden ist, wobei die zweite Akkumulatorvorrichtung (19), der zweite Spannungswandler (18) und die zweite Zusatzausrüstung (20) jeweils für eine niedrigere Spannung als die für die Akkumulatorvorrichtung (3), den Spannungswandler (4) und die Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) verwendet werden.
Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer mobilen Karosserie.
Brennstoffzellensystem (1), umfassend: eine Leistungserzeugungseinheit (8), die durch Empfangen einer elektrischen Leistung angesteuert werden soll; eine Brennstoffzelle (2) zum Zuführen einer elektrischen Leistung an die Leistungserzeugungseinheit (8); und eine Akkumulatorvorrichtung (3), die parallel zu der Brennstoffzelle (2) geschaltet, mit der Leistungserzeugungseinheit (8) durch einen Spannungswandler (4) verbunden ist, wobei das Brennstoffzellensystem (1) aufweist: eine Steuervorrichtung (13) zum Steuern des Spannungswandlers (4) und der Leistungserzeugungseinheit (8), wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) einen Untergrenzewert für eine Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit (8) festlegt, der größer als ein Wert einer elektrischen Nennleistung ist, die durch die Leistungserzeugungseinheit (8) erzeugt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) einen Obergrenzewert für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit (8) anpasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie den Obergrenzewert für die Leistungsabgabe der Leistungserzeugungseinheit (8) festlegt, der kleiner als eine Nennlastleitung für die Leistungserzeugungseinheit (8) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, aufweisend: eine Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28), die an einer Stelle näher an der Brennstoffzelle (2) als der Spannungswandler (4) mit dieser verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei die Steuervorrichtung (13) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) einen Betriebspunkt der Zusatzausrüstung (5, 10, 12, 26, 28) ändert.
Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in einer mobilen Karosserie.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei bei Auftreten einer Abnormalität im Spannungswandler (4) die Steuervorrichtung (13) der mobilen Karosserie erlaubt, im Notlauffunktionsmodus gefahren zu werden.