DE112007002792B4

DE112007002792B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007002792B4
Application number: DE112007002792T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nonobe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CA2667355A1; DE112007002792T5; WO2008062807A1; DE112007002792B8; JP5013311B2; KR101136501B1; KR20090069342A; US20110027679A1; CN101542804B; JP2008130445A; CN101542804A; US8765317B2; CA2667355C

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (20), in dem eine Vielzahl von Zellen (21) gestapelt sind; und eine Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70), die eine erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchführt, wenn die Zellenspannung einer ersten Zellengruppe (A), die sich an den jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels (20) befindet, unter einem ersten unteren Spannungsgrenzwert (Vth1) liegt, und eine zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchfühft, die sich von der ersten Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung unterscheidet, wenn die Zellenspannung einer zweiten Zellengruppe (B), die sich in der Mitte des Brennstoffzellenstapels (20) befindet, unter einem zweiten unteren Spannungsgrenzwert (Vth2) liegt, wobei der zweite untere Spannungsgrenzwert niedriger ist als der erste untere Spannungsgrenzwert (Vth1).

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Genauer betrifft sie eine Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eines Brennstoffzellenstapels.
Technischer Hintergrund
Seit einigen Jahren werden im Rahmen von Anstrengungen zur Lösung von Umweltproblemen schadstoffarme Autos entwickelt, und die Autos schließen ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ein, in dem ein Brennstoffzellenstapel als eingebaute Leistungsquelle verwendet wird. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Stapelstruktur auf, in der eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufeinander gestapelt sind, und jede Zelle weist eine Membran/Elektroden-Anordnung auf, in der ein Anodenpol an einer Seite eines Elektrolytfilms angeordnet ist, während ein Kathodenpol an dessen anderer Seite angeordnet ist. Ein Brenngas und ein Oxidierungsgas werden der Membran/Kathoden-Anordnung zugeführt, um eine elektrochemische Reaktion zu bewirken, und chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Vor allem ein Festpolymerfilm-Brennstoffzellenstapel, in dem ein fester Polymerfilm als Elektrolyt verwendet wird, kann auf kostengünstige und kompakte Weise hergestellt werden und weist außerdem eine hohe Ausgangsleistungsdichte auf. Infolgedessen ist zu erwarten, dass der Brennstoffzellenstapel als Onboard-Leistungsquelle von Fahrzeugen Anwendung findet.
Wenn ein Brennstoffzellensystem arbeitet, muss ein Leistungserzeugungsfehler erfasst werden können, der von einer mangelnden Reaktionsgaszufuhr aufgrund einer Flutung, eines Austrocknens der Membran/Elektroden-Anordnung und dergleichen bewirkt wird, um den Zustand jeder Zelle wiederherstellen zu können, damit eine ausreichende Ausgangsleistung entnommen werden kann. In der JP 2004-165058 A wird eine Technik für die Überwachung des Sinkens einer Zellenspannung und die Durchführung einer Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung bei Beschränkung der Ausgangsleistung in einem Fall, wo die Zellenspannung unter einem vorgegebenen unteren Spannungsgrenzwert liegt, vorgeschlagen.
Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind ferner Gegenstand der Druckschriften DE 103 32 520 A1 und JP 2002-184438 A . Die DE 103 32 520 A1 offenbart dabei eine Vorrichtung zum Überwachen einer Brennstoffzelleneinheit mit einer Mehrzahl von Zellen, die einen Brennstoffzellenstapel bilden. Hierbei ist eine Steuereinheit vorgesehen, die einen Messwert, z. B. eine Zellspannung, während des Betriebs feststellen soll. Die JP 2002-184438 A offenbart ferner ein Verfahren zum Erfassen einer Zelle, deren Ausgangsspannung ungewöhnlich niedrig ist, und zum Feststellen in welchem Teil des Brennstoffzellenstapels die erfasste Zelle liegt. Das Verfahren der JP 2002-184438 A umfasst dabei ferner einen Schritt zum Feststellen, welcher von zwei Faktoren, nämlich übermäßige Feuchtigkeit oder fehlende Feuchtigkeit, basierend auf der Lage der erfassten Zelle die Ursache für den Spannungsrückgang der erfassten Zelle ist.
Offenbarung der Erfindung
In einem Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von Zellen gestapelt sind, variieren jedoch die Faktoren, die die Spannung senken, abhängig von den Orten, wo die Zellen angeordnet sind. Wenn für alle diese Zellen die gleiche Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchgeführt wird, wird daher die Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung öfter durchgeführt als nötig, oder eine Ausgangsleistung wird manchmal übermäßig beschränkt, wodurch der Wirkungsgrad sinkt.
Infolgedessen ist angesichts dieses Problems ein Ziel der vorliegenden Erfindung die angemessene Durchführung einer Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung entsprechend den Orten, wo die Zellen angeordnet sind.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von Zellen gestapelt sind; und eine Zellenspannungs-Steuereinrichtung, die eine erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchführt, wenn die Zellenspannung einer ersten Zellengruppe, die an den jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, unter einem ersten unteren Spannungsgrenzwert liegt, und die eine zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchführt, die sich von der ersten Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung unterscheidet, wenn die Zellenspannung einer zweiten Zellengruppe, die sich im Wesentlichen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels befindet, unter einem zweiten unteren Spannungsgrenzwert liegt, wobei der zweite untere Spannungsgrenzwert niedriger ist als der erste untere Spannungsgrenzwert.
In der ersten Zellengruppe, die im Gegensatz zur zweiten Zellengruppe, die sich im Wesentlichen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels befindet, an den jeweiligen Enden des Zellenstapels (an einem anodenpolseitigen und einem kathodenpolseitigen Ende) angeordnet ist, entsteht in der Zelle leicht ein Temperaturunterschied zwischen den Zellen oder zwischen den Polen und es kann leicht zu einer Absenkung der Zellenspannung aufgrund einer mangelnden Reaktionsgaszufuhr, die durch eine Flutung oder dergleichen bewirkt wird, kommen. Insbesondere besteht beim Starten unter niedrigen Temperaturen eine dringende Notwendigkeit, eine Zellenbeschädigung aufgrund einer mangelhaften Versorgung mit Brenngas zu vermeiden, und daher muss die Zellenspannungssteuerung für die erste Zellengruppe stringent durchgeführt werden.
Eine solche Flutung tritt andererseits in der zweiten Zellengruppe kaum auf, und der Faktor für die Senkung der Zellenspannung ist hauptsächlich die Zunahme eines Widerstands aufgrund des Austrocknens des Elektrolytfilms. Die Beschädigung der Zellen aufgrund des Austrocknens des Elektrolytfilms ist geringer als die Beschädigung der Zellen aufgrund einer mangelnden Brenngaszufuhr, und somit kann die Zellenspannungssteuerung der zweiten Zellengruppe maßvoller durchgeführt werden als die der ersten Zellengruppe.
Die Faktoren für die Senkung der Zellenspannung variieren aus den oben genannten Gründen je nach dem Ort, wo die Zellen angeordnet sind, und wenn der Oft, wo die Zelle angeordnet ist und wo die Senkung der Zellenspannung bewirkt wird, das Ende des Brennstoffzellenstapels ist, ist es somit angemessen, eine Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchzuführen; die sich von der Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung, die durchgeführt wird, wenn der Ort im Wesentlichen die Mitte des Zellenstapels ist, unterscheidet.
Die Zellenspannungs-Steuereinrichtung führt als erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durch, um den Mangel in der Brenngasversorgung der ersten Zellengruppe zu beseitigen. Wie oben beschrieben, tendiert die erste Zellengruppe zu einer mangelnden Reaktionsgaszufuhr aufgrund einer Flutung. Vor allem wurde gefunden, dass die mangelhafte Versorgung der Zellen mit Brenngas den Zellen einen schwereren Schaden zufügt als die mangelhafte Versorgung mit Oxidierungsgas. Wenn eine Senkung der Zellenspannung erfasst wird, wird daher vorzugsweise zuerst eine Behandlung durchgeführt, um den Mangel in der Brenngaszufuhr zu beseitigen (z. B. eine Erhöhung des Brenngas-Zufuhrdrucks, eine Erhöhung der zugeführten Brenngasmenge usw.), um die Zellenspannungsregenerierung zu versuchen.
Auch wenn die Zellenspannungs-Steuereinrichtung die Behandlung, mit der der Mangel in der Brenngasversorgung der ersten Zellengruppe beseitigt werden soll, als erste Behandlung durchführt, erholt sich die Zellenspannung der ersten Zellengruppe nicht auf den oder über den ersten unteren Spannungsgrenzwert. In diesem Fall führt die Einrichtung die Behandlung durch, mit der der Mangel in der Oxidierungsgasversorgung der ersten Zellengruppe beseitigt werden soll. Die mangelhafte Oxidierungsgasversorgung wird in einem Fall, wo die Zellenspannung sich selbst dann nicht erholt, wenn die Behandlung durchgeführt wird, mit der der Mangel in der Brenngasversorgung beseitigt werden soll, als einer der Gründe dafür angesehen. In einem solchen Fall wird daher, um die Zellenspannungsregenerierung zu versuchen, bevorzugt die Behandlung durchgeführt, mit der der Mangel in der Oxidierungsgasversorgung beseitigt werden soll (z. B. eine Erhöhung der Oxidierungsgasmenge, die zugeführt werden soll, usw.).
Die Zellenspannungs-Steuereinrichtung führt als zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durch, die den Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe erhöht, wenn die Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe unter einem vorgegebenen Umfang liegt. Wie oben beschrieben, wird als Faktor für die Senkung der Zellenspannung in der zweiten Zellengruppe die Senkung der Protonenleitfähigkeit aufgrund der Austrocknung des Elektrolytfilms eher in Betracht gezogen als die mangelhafte Gaszufuhr aufgrund des Flutens. Infolgedessen wird, wenn der Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe unter einem vorgegebenen Wert liegt (d. h. wenn die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt), die Behandlung durchgeführt, mit der der Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe erhöht werden soll (d. h. der Zufuhrdruck des Oxidierungsgases wird angehoben, um die Menge des enthaltenen Wassers, die vom Oxidierungsgas mitgerissen wird, zu senken), um die Zellenspannungsregenerierung zu versuchen.
Die Zellenspannungs-Steuereinrichtung führt als zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durch, um den Mangel in der Brenngasversorgung der zweiten Zellengruppe zu beseitigen, wenn der Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe bei oder über dem vorgegebenen Wert liegt. Wenn der Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Gruppe bei oder über dem vorgegebenen Wert liegt, wird als Faktor für die Senkung der Zellenspannung in der zweiten Zellengruppe die mangelhafte Versorgung der zweiten Gruppe mit Reaktionsgas aufgrund der Flutung, die von einem vorübergehenden oder zufälligen Phänomen bewirkt wird, in Betracht gezogen. Daher wird als zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung vorzugsweise die Behandlung durchgeführt, mit der der Mangel in der Brenngasversorgung der zweiten Zellengruppe beseitigt werden soll, um die Zellenspannungsregenerierung zu versuchen, wenn der Umfang der Befeuchtung des Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe bei oder über dem vorgegebenen Wert liegt (d. h. wenn die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels unter einem vorgegebenen Wert liegt).
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Aufbauschema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist ein Schema, das den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
3 ist ein Graph, der die Zellenspannungsverteilung des Brennstoffzellenstapels zeigt;
4 ist eine Darstellung, die eine Zellenspannungs-Steuertabelle erläutert; und
5 ist ein Ablaufschema, das eine Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Beste Weise für die Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
1 zeigt einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10, das als eingebautes Leistungsquellensystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs dient.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist auf: einen Brennstoffzellenstapel 20, der ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Oxidierungsgas und ein Brenngas) empfängt, um Leistung zu erzeugen, ein Brenngas-Leitungssystem 30, das ein Wasserstoffgas als das Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert; ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 40, das Luft als das Oxidierungsgas zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert; ein Leistungssystem 60, das die Aufladung/Entladung der Leistung steuert; und eine Steuereinrichtung 70, die das gesamte System generell steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Festpolymerelektrolyt-Zellenstapel, in dem eine große Zahl von Zellen aufeinander gestapelt sind. Jede Zelle weist an einer Seite eines Elektrolytfilms, der aus einer Ionentauschermembran besteht, einen Kathodenpol und an der anderen Seite des Films einen Anodenpol auf, und weist ferner ein Paar Separatoren auf, die den Kathodenpol und den Anodenpol jeweils in die Mitte nehmen. Das Brenngas wird einer Brenngasleitung eines der Separatoren zugeführt, das Oxidierungsgas wird einer Oxidierungsgasleitung des anderen Separators zugeführt, und der Brennstoffzellenstapel 20 empfängt dieses zugeführte Gas, um die Leistung zu erzeugen.
Im Brennstoffzellenstapel 20 läuft im Anodenpol eine Oxidierungsreaktion der Formel (1) ab, und im Kathodenpol läuft eine Reduzierungsreaktion der Formel (2) ab. Im gesamten Brennstoffzellenstapel 20 läuft eine elektromotorische Reaktion der Formel (3) ab. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Ein Zellenmonitor 80 ist eine Zellenspannungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Spannungen der Vielzahl von Zellen, aus denen der Brennstoffstapel 20 besteht.
Das Brenngas-Leitungssystem 30 weist auf: eine Brenngas-Versorgungsquelle 31; eine Brenngaszuleitung 35, über die das Brenngas (das Wasserstoffgas) strömt, das von der Brenngas-Versorgungsquelle 31 zum Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert werden soll; eine Umwälzleitung 36, die ein verbrauchtes Brenngas (ein Wasserstoffabgas), das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgeführt wird, in die Brenngaszuleitung zurückführt; eine Umwälzpumpe 37, die das verbrauchte Brenngas in der Umwälzleitung 36 unter Druck in die Brenngaszuleitung 35 liefert, und eine Abgasleitung 39, die von der Umwälzleitung 36 abzweigt und in diese mündet.
Die Brenngas-Versorgungsquelle 31 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoff bindenden Legierung oder dergleichen und empfängt das Wasserstoffgas mit einem Druck von beispielsweise 35 MPa oder 70 MPa. Wenn ein Sperrventil 32 geöffnet wird, wird das Brenngas aus der Brenngas-Versorgungsquelle 31 in die Brenngaszuleitung 35 ausgeführt. Der Druck des Wasserstoffgases wird von einem Regler 33 oder einem Injektor 34 beispielsweise auf 200 kPa gesenkt, um das Gas zum Brennstoffzellenstapel 20 zu liefern.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Brenngas-Zufuhrquelle 31 aus einem Reformer, der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff bildet, und einem Hochdruck-Gastank besteht, der das von diesem Reformer reformierte Gas stark verdichtet, um den Druck zu erhöhen.
Der Injektor 34 ist ein Auf/Zu-Ventil, das als Ventil mit elektromagnetischem Antrieb ausgebildet ist und in dem ein Ventilkörper über einem vorgegebenen Antriebszeitraum direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft angetrieben und von einem Ventilsitz gelöst wird, wodurch eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck reguliert werden kann. Der Injektor 34 weist den Ventilsitz auf, der mit Düsenöffnungen versehen ist, die einen gasförmigen Brennstoff, wie das Wasserstoffgas, ausstoßen, und weist außerdem einen Düsenkörper auf, der den gasförmigen Brennstoff zu den Düsenöffnungen liefert und lenkt, sowie den Ventilkörper, der in einer in Bezug auf diesen Düsenkörper axialen Richtung (einer Gasströmungsrichtung) aufgenommen und gehalten wird, um die Düsenöffnungen zu öffnen und zu schließen.
Die Umwälzleitung 36 ist über ein Auslassventil 38 mit der Abgasleitung 39 verbunden. Das Auslassventil 38 arbeitet gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 70, um das verunreinigte verbrauchte Brenngas in der Umwälzleitung 36 zusammen mit enthaltenem Wasser nach außen zu leiten. Wenn das Auslassventil 38 sich öffnet, sinkt die Konzentration der Verunreinigungen im Wasserstoffabgas der Umwälzleitung 36, und die Wasserstoffkonzentration im verbrauchten Brenngas, das umgewälzt und geliefert wird, steigt.
Das verbrauchte Brenngas, das durch das Auslassventil 38 und die Abgasleitung 39 ausgeführt wird, und ein Oxidierungsgas, das durch eine Abgasleitung 45 strömt, strömen in einen Verdünner 50, der das Abgas verdünnt. Das Ausfuhrgeräusch des verdünnten verbrauchten Brenngases wird von einem Schalldämpfer (einem Auspufftopf) 51 eliminiert, und das Gas strömt durch ein Endrohr 52 und wird aus dem Auto ausgeführt.
Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 40 weist eine Oxidierungsgaszuleitung 44, durch die das Oxidierungsgas, das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, strömt, und die Abgasleitung 45 auf, durch die das verbrauchte Oxidierungsgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgeführt wird, strömt. Die Oxidierungsgaszuleitung 44 ist mit einem Kompressor 42, der das Oxidierungsgas über einen Filter 41 holt, und mit einem Befeuchter 43 ausgestattet, der das Oxidierungsgas, das vom Kompressor 42 unter Druck geliefert werden soll, befeuchtet. Die Abgasleitung 45 ist mit einem Gegendruck-Regulierungsventil 46, das einen Oxidierungsgas-Zufuhrdruck regelt, und mit dem Befeuchter 43 ausgestattet.
Der Befeuchter 43 nimmt ein Hohlfaserfilmbündel (hollow string film bunch), das aus einer großen Zahl von Hohlfaserfilmen besteht, auf. Das sehr nasse verbrauchte Oxidierungsgas (das feuchte Gas), das einen hohen Gehalt an dem Wasser aufweist, das bei einer Zellenreaktion erzeugt wird, strömt durch die Hohlfaserfilme, während ein wenig nasses Oxidierungsgas (das trockene Gas), das aus der Atmosphäre geholt wird, außerhalb der Hohlfaserfilme strömt. Ein Wassergehaltsaustausch kann zwischen dem Oxidierungsgas und dem verbrauchten Oxidierungsgas durch die Hohlfaserfilme hindurch stattfinden, um das Oxidierungsgas zu befeuchten.
Das Leistungssystem 60 weist einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61, eine Batterie 62, einen Traktionswechselrichter 63 und einen Fahrmotor 64 auf. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61 ist ein Gleichstromspannungs-Wandler und hat die Funktion, eine Gleichstromspannung von der Batterie 62 zu erhöhen, um die Spannung zum Traktionswechselrichter 63 auszugeben, und die Funktion, eine Gleichstromspannung vom Brennstoffzellenstapel 20 oder vom Fahrmotor 64 zu senken, um die Batterie 62 aufzuladen. Das Aufladen/Entladen der Batterie 62 wird von diesen Funktionen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 61 gesteuert. Darüber hinaus wird ein Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch eine Steuerung der Spannungsumwandlung durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers gesteuert.
Die Batterie 62 ist ein Kondensator, der in der Lage ist, die Leistung zu laden und zu entladen, und dient als Speicherquelle für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsens oder als Energiespeicher während einer Lastveränderung, die mit der Beschleunigung und Verlangsamung des Fahrzeugs einhergeht. Als Batterie 62 ist beispielsweise ein Nickel/Cadmium-Akkumulator, ein Nickel/Wasserstoff-Akkumulator oder eine Sekundärbatterie, wie eine Lithium-Sekundärbatterie, bevorzugt.
Der Traktionswechselrichter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den solchermaßen gewandelten Strom zum Fahrmotor 64 zu liefern. Der Fahrmotor 64 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor, der eine Leistungsquelle für das Brennstoffzellen-Fahrzeug darstellt.
Die Steuereinrichtung 70 ist ein Computersystem, das eine CPU, einen ROM, einen RAM und Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen aufweist, und steuert die jeweiligen Teile des Brennstoffzellensystems 10. Wenn sie beispielsweise ein Startsignal empfängt, das von einem (nicht dargestellten) Zündschalter ausgegeben wird, startet die Steuereinrichtung 70 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, um die benötigte Spannung für das gesamte System auf der Basis von u. a. einem Gaspedal-Öffnungsgradsignal, das von einem (nicht dargestellten) Gaspedalsensor ausgegeben wird, und einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal, das von einem (nicht dargestellten) Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor ausgegeben wird, zu bestimmen. Die für das gesamte System benötigte Leistung ist ein Gesamtwert aus einer Fahrzeug-Antriebsleistung und einer Hilfseinrichtungsleistung. Beispiele für die Hilfseinrichtungsleistung schließen ein: eine Leistung, die von im Fahrzeug eingebauten Hilfseinrichtungen (einem Befeuchter, einem Luftkompressor, einer Wasserstoffpumpe, einer Kühlwasser-Umwälzpumpe und dergleichen) verbraucht wird, eine Leistung, die von Einrichtungen verbraucht wird, die notwendig sind, damit das Fahrzeug fahren kann (einem Getriebe, einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkeinrichtung, einer Aufhängung und dergleichen), und eine Leistung, die von Einrichtungen verbraucht wird, die in einem Insassenraum angeordnet sind (einer Klimaanlage, einer Beleuchtung, Audioeinheiten und dergleichen).
Die Steuereinrichtung 70 bestimmt die Anteile der Ausgangsleistung vom Brennstoffzellenstapel 20 und von der Batterie 62, stellt die Drehzahl des Kompressors 42 und den Öffnungsgrad eines Ventils für den Injektor 34 so ein, dass eine Elektrizitätsproduktion des Brennstoffzellenstapels 20 eine angestrebte Leistung erreicht, passt die Menge des Reaktionsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden soll, an und steuert den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61, um eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 anzupassen, wodurch Betriebspunkte (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert werden. Um die angestrebte Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend dem Bremspedal-Öffnungsgrad zu erreichen, gibt die Steuereinrichtung 70 ferner Wechselstrom-Befehlswerte einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase an den Traktionswechselrichter 63 als Schaltbefehle aus, wodurch das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Zugmotors 64 gesteuert werden.
Die Steuereinrichtung 70 überwacht das Vorliegen eines vom Zellenmonitor 80 erfassten Leistungserzeugungsfehlers des Brennstoffzellenstapels 20 auf der Basis der Zellenspannung jeder Zelle und führt eine Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durch oder begrenzt die Ausgangsleistung, wenn sie entscheidet, dass ein Leistungserzeugungsfehler vorliegt. Einzelheiten der Zellenregenerierungsbehandlung werden nachstehend beschrieben.
2 ist ein Schema, das den Aufbau des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt.
Wie in der Zeichnung dargestellt, sind ein Paar Anschlussplatten 22A, 22B für die Entnahme der Leistung an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet, in dem N (N ist eine ganze Zahl 2 oder höher) Zellen 21 gestapelt sind. Die Anschlussplatte 22A ist der Anodenpol und die Anschlussplatte 22B ist der Kathodenpol. Die Außenseiten der Anschlussplatten 22A, 22B sind über Isolierplatten 23A, 23B fest zwischen einem Paar Endplatten 24A und 24B angeordnet. Den Zellen 21 sind jeweils Zellennummern zugeordnet, und die Zellennummer erhöht sich von der Anschlussplatte 22A zur Anschlussplatte 22B. Beispielsweise ist die Zellennummer der Zelle 21, die am nächsten an der Anschlussplatte 22A liegt, 1, und die Zellennummer der Zelle 21, die am nächsten an der Anschlussplatte 22B liegt, ist N.
3 ist ein Graph, der die Zellenspannungsverteilung des Brennstoffzellenstapels 20 zeigt.
In der Zeichnung zeigt die Abszisse die Zellennummer an, und die Ordinate zeigt die Zellenspannung an. In einem Fall, wo die Wärme von den Endplatten 24A, 24B, die mit der Außenluft in Kontakt kommen, weggenommen wird, kommt es im Brennstoffzellenstapel 20 in einer Zellengruppe (im Folgenden für Beschreibungszwecke als Gruppe A bezeichnet), die am Ende des Zellenstapels (an einem anodenpolseitigen Ende und einem kathodenpolseitigen Ende) angeordnet ist, im Gegensatz zu einer Zellengruppe (im Folgenden für Beschreibungszwecke als Gruppe B bezeichnet), die im Wesentlichen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, in der Zelle leicht zu einem Temperaturunterschied zwischen den Zellen oder zwischen den Polen. Infolgedessen zeigt die Gruppe A eine Tendenz zur Verringerung der Zellenspannung in einem Abschnitt, der dem Zellenstapelende näher ist. Der Grund dafür ist, dass in jeder Zelle der Wassergehalt in einem Abschnitt, der eine niedrige Temperatur aufweist, kondensiert, und eine Flutung mit dem kondensierten Abschnitt als Ausgangspunkt erzeugt wird, wodurch leicht ein Absinken der Zellenspannung bewirkt werden kann. Insbesondere wandert im Brennstoffzellenstapel 20, der über längere Zeit stehen gelassen wird, nachdem der Zellenbetrieb unterbrochen wurde, das enthaltene Wasser vom Kathodenpol durch den Elektrolytfilm zum Anodenpol, und somit kommt es beim Starten unter niedrigen Temperaturen flutungsbedingt manchmal zu einer mangelhaften Versorgung mit Brenngas. Es wurde gefunden, dass die Zellen 21 durch die Leistungserzeugung bei mangelhafter Brenngasversorgung beschädigt werden, und somit ist eine strikte Steuerung der Zellenspannung in der Gruppe A nötig.
Andererseits kommt es in der Gruppe B selten zu der beschriebenen Flutung, und ein Faktor für die Senkung der Zellenspannung ist hauptsächlich die Zunahme des Widerstands (die Senkung der Produktivität) aufgrund des Austrocknens des Elektrolytfilms. In der Gruppe B wird in jeder Zelle nur ein kleiner Temperaturunterschied zwischen den Zellen oder zwischen den Polen bewirkt, und somit weist jede Zelle in etwa die gleiche Spannung auf. Die Beschädigung der Zellen 21 durch die Austrocknung des Elektrolytfilms ist geringer als die Beschädigung der Zellen 21 durch die mangelhafte Brenngaszufuhr, und somit kann die Zellenspannungssteuerung der Gruppe B maßvoller durchgeführt werden als die der Gruppe A. Genauer kann ein unterer Spannungsgrenzwert Vth2 für die Gruppe B auf eine niedrigere Spannung gesetzt werden als ein unterer Spannungsgrenzwert Vth1 für die Gruppe A. Außerdem kann ein zeitlicher Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert T2 für die Gruppe B auf eine längere Zeit gesetzt werden als ein zeitlicher Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert T1 für die Gruppe A. Angesichts der Beschädigung, die die Zellen 21 aufgrund des Leistungserzeugungsfehlers erfahren, ist hierbei der untere Spannungsgrenzwert die Mindestspannung, bis zu der die Absenkung der Zellenspannung zulässig ist, und angesichts der Beschädigung, die die Zellen aufgrund des Leistungserzeugungsfehlers erfahren, ist der zeitliche Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert die längste Zeit, über die ein Zustand, in dem die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, zulässig ist.
4 zeigt eine Zellenspannungs-Steuertabelle 90.
Die Zellenspannungs-Steuertabelle 90 speichert die unteren Spannungsgrenzwerte und die zeitlichen Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwerte der Gruppen A bzw. B. Die Zellenspannungs-Steuertabelle 90 ist in der Steuereinrichtung 70 hinterlegt und dient als Zellenspannungs-Steuereinrichtung, die die Zellenspannung auf der Basis der Zellenspannung, die vom Zellenmonitor 80 signalisiert wird, steuert. Genauer überprüft die Steuereinrichtung 70, ob die Zellenspannung jeder der Gruppen A und B unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt oder nicht. In einem Fall, wo die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, überprüft die Steuereinrichtung, ob eine Zeit, über der die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, länger ist als der zeitliche Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert oder nicht. In einem Fall, wo die Zeit, über der die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, länger ist als der zeitliche Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert, führt die Steuereinrichtung außerdem die Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durch oder führt eine Strombegrenzungsbehandlung durch.
Somit wird der untere Spannungsgrenzwert Vth2 der Gruppe B auf eine Spannung gesetzt, die unter dem unteren Spannungsgrenzwert Vth1 der Gruppe A liegt, um die Zellenspannungssteuerung durchzuführen, wodurch es möglich ist, eine zu starke Senkung des Wirkungsgrads während einer Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung der Gruppe B oder eine übermäßige Beschränkung der Ausgangsleistung zu vermeiden.
Darüber hinaus wird der zeitliche Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert T2 der Gruppe B auf eine Zeit gesetzt, die länger ist als der zeitliche Niedrigspannungs-Zulässigkeitsgrenzwert T1 für die Gruppe A, um die Zellenspannungssteuerung durchzuführen, wodurch es möglich ist, eine zu starke Senkung des Wirkungsgrads während einer Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung der Gruppe B oder eine übermäßige Beschränkung der Ausgangsleistung zu vermeiden.
5 ist ein Ablaufschema, das die Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Bei Erfassung der Zelle, in der die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt (Schritt 501) entscheidet die Steuereinrichtung 70, ob die Zellen zur Gruppe A oder zur Gruppe B gehören (Schritt 502).
In einem Fall, wo die Zelle, in der die Spannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, zur Gruppe A gehört, führt die Steuereinrichtung 70 eine Behandlung durch, um die Menge des Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, zu erhöhen (Schritt 503). Wie oben beschrieben, kommt es in der Gruppe A, die der Endplatte 24A oder 24B nahe liegt, in den einzelnen Zellen leicht zu einem Temperaturunterschied zwischen den Zellen oder zwischen den Polen und zu einer Senkung der Zellenspannung aufgrund beispielsweise einer flutungsbedingten mangelhaften Brenngaszufuhr. Insbesondere besteht beim Starten unter niedrigen Temperaturen eine dringende Notwendigkeit für die Vermeidung einer Beschädigung der Zellen 21 durch eine mangelhafte Brenngaszufuhr, und somit wird als die Behandlung, mit der der Mangel in der Brenngasversorgung der Gruppe A beseitigt werden soll, vorzugsweise eine Behandlung zur Steuerung des Injektors 34, um den Zufuhrdruck des zum Brennstoffzellenstapel 20 gelieferten Brenngases zu erhöhen, oder zur Erhöhung der Drehzahl der Umwälzpumpe 37, um die Strömungsrate des in den Brennstoffzellenstapel 20 strömenden Brenngases zu erhöhen, durchgeführt, um dadurch zu versuchen, die Zellenspannung zu regenerieren.
Außerdem entscheidet die Steuereinrichtung 70, ob die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt oder nicht (Schritt 504). Wenn die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 504: JA), setzt die Steuereinrichtung 70 die Leistungserzeugung unverändert fort (Schritt 508).
Wenn die Zellenspannung sich nicht bis auf den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 504: NEIN), führt die Steuereinrichtung 70 eine Behandlung durch, um die Menge an Oxidierungsgas, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden soll, zu erhöhen (Schritt 505). Wenn die Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Brenngasversorgung der Gruppe A durchgeführt wird, aber die Zellenspannung sich nicht auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt, kann eine mangelhafte Oxidierungsgaszufuhr als einer der Gründe dafür in Betracht gezogen werden. Als Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Brenngasversorgung der Gruppe A wird vorzugsweise beispielsweise eine Behandlung zur Steuerung der Drehzahl des Kompressors 42 durchgeführt, um z. B. die zugeführte Oxidierungsgasmenge, die in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt, zu erhöhen, um zu versuchen, die Zellenspannung zu regenerieren.
Dann entscheidet die Steuereinrichtung 70, ob die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt oder nicht (Schritt 506). Wenn die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 506: JA), setzt die Steuereinrichtung 70 die Leistungserzeugung unverändert fort (Schritt 508).
Wenn die Zellenspannung sich nicht auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 506: NEIN), begrenzt die Steuereinrichtung den Ausgangsstrom, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 entnommen wird, so dass die Zellenspannung bei oder über dem unteren Spannungsgrenzwert liegt (Schritt 507), wodurch zur Behandlung von Schritt 503 zurückgekehrt wird.
Es sei klargestellt, dass bei einer Begrenzung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 manchmal eine gefordert Systemleistung nicht erreicht. In einem solchen Fall wird eine fehlende Leistung durch die Batterie 62 kompensiert.
In einem Fall, wo die Zelle, in der die Zellenspannung unter dem unteren Spannungsgrenzwert liegt, zur Gruppe B gehört, überprüft die Steuereinrichtung 70, ob eine Wechselstromimpedanz Z des Brennstoffzellenstapels 20 einen vorgegebenen Wert Z0 überschreitet oder nicht (Schritt 509). Die mangelhafte Reaktionsgaszufuhr aufgrund einer Flutung kommt nicht ohne Weiteres als Faktor für die Senkung der Zellenspannung in der Gruppe B in Frage, und die Zunahme des Widerstands aufgrund des Austrocknens des Elektrolytfilms wird als Hauptfaktor betrachtet. Die Wechselstromimpedanz Z weist eine Korrelation mit dem Befeuchtungszustand des Elektrolytfilms auf, und somit kann die Wechselstromimpedanz Z gemessen werden, um den Befeuchtungszustand des Elektrolytfilms zu erfassen.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61 kann als Wechselstromsignal-Eingabeeinrichtung dienen, die ein Wechselstromsignal in den Brennstoffzellenstapel 20 eingibt, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen. Der Zellenmonitor 80 misst die Ansprechspannung jeder Zelle zu einer Zeit, zu der das Wechselstromsignal in den Brennstoffzellenstapel 20 eingegeben wird. Die Steuereinrichtung 70 steuert den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 61, um die Veränderungen der Ansprechspannung jeder Zelle zu erfassen, während sie die Frequenz des Wechselstromsignals, das an den Brennstoffzellenstapel 20 angelegt wird, ändert, um dadurch die Wechselstromimpedanz Z des Brennstoffzellenstapels 20 zu berechnen.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn die Ansprechspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu der Zeit, zu der das Wechselstromsignal in den Brennstoffzellenstapel 20 eingegeben wird, E ist, der Ansprechstrom I ist und die Wechselstromimpedanz Z ist, die folgenden Relationsgleichungen erfüllt sind: E = E₀expj(ωt + Φ); I = I₀expjωt; und Z = E/I = (E₀/I₀)expjΦ = R + jχ, wobei E₀ die Amplitude der Ansprechspannung ist, I₀ die Amplitude des Ansprechstroms ist, ω eine Winkelfrequenz ist, Φ eine Anfangsphase ist, R eine Widerstandskomponente (ein realer Teil) ist, χ eine Reaktanzkomponente (ein imaginärer Teil) ist, j eine imaginäre Einheit ist und t die Zeit ist.
Wenn die Wechselstromimpedanz Z den vorgegebenen Wert Z0 überschreitet (Schritt 509: JA), sind die Zellen der Gruppe B auf einer trockenen Seite. Daher steuert die Steuereinrichtung 70 beispielsweise das Gegendruck-Regelventil 46, um den Zufuhrdruck des Oxidierungsgases, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, zu erhöhen (Schritt 510), und die Steuereinrichtung senkt die enthaltene Wassermenge, die vom Oxidierungsgas mitgerissen wird, um den Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 auf einfache Weise zu erhöhen.
Darüber hinaus entscheidet die Steuereinrichtung 70, ob die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt oder nicht (Schritt 511). Wenn die Zellenspannung sich auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 511: JA), setzt die Steuereinrichtung die Leistungserzeugung unverändert fort (Schritt 513).
Wenn die Zellenspannung sich nicht auf oder über den unteren Spannungsgrenzwert erholt (Schritt 511: NEIN), begrenzt die Steuereinrichtung 70 den Ausgangsstrom, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 entnommen wird, so dass die Zellenspannung bei oder über dem unteren Spannungsgrenzwert liegt (Schritt 512), wodurch die Behandlung zu Schritt 503 weitergeht.
Wenn die Wechselstromimpedanz Z den vorgegebenen Wert Z0 nicht überschreitet (Schritt 509: NEIN), sind die Zellen der Gruppe B angemessen befeuchtet. Als Faktor für die Absenkung der Zellenspannung kommt daher die Senkung der Protonenleitfähigkeit aufgrund eines Austrocknens des Elektrolytfilms kaum in Betracht, sondern es wird die mangelhafte Versorgung mit Reaktionsgas aufgrund einer Flutung, die von einem vorübergehenden oder zufälligen Phänomen bewirkt wird, in Betracht gezogen. Daher geht die Steuereinrichtung 70 zum Schritt 503 weiter, um die Behandlung durchzuführen, mit der der Mangels in der Brenngasversorgung eliminiert werden soll, um dadurch zu versuchen, die Zellenspannung zu regenerieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit die angemessene Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung gemäß dem Ort durchgeführt werden, wo die Zelle angeordnet ist, in der die Senkung der Zellenspannung bewirkt wird, und außerdem kann der Ausgangsstrom (der Stromgrenzwert) des Brennstoffzellenstapels 20 minimiert werden, so dass die Verbesserung eines Wirkungsgrads zu erwarten ist. Darüber hinaus kann die in 3 dargestellte Zellenspannungsverteilung nicht nur beim Niedertemperaturstart gesehen werden, sonder auch während des Zellenbetriebs. Daher ist die Zellenspannungssteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht nur beim Niedertemperaturstart, sondern auch während des Zellenbetriebs wirksam.
Die Beispiele oder Anwendungsbeispiele, die anhand der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können je nach Verwendungszweck auf geeignete Weise kombiniert, verändert oder modifiziert werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Beschreibung der Ausführungsform beschränkt. Aus den Ansprüchen geht hervor, dass auch solche kombinierten, geänderten oder modifizierten Gestaltungen im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Beispielsweise werden in der obigen Ausführungsform sowohl die Zellengruppe, die am anodenpolseitigen Ende des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, als auch die Zellengruppe, die am kathodenpolseitigen Ende des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, als Gruppe A bezeichnet, und die Zellengruppe, die im Wesentlichen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, wird als Gruppe B bezeichnet. Jedoch wird beispielsweise die Zellengruppe, die am anodenpolseitigen Ende des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, als Gruppe A bezeichnet, die Zellengruppe, die im Wesentlichen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, wird als Gruppe B bezeichnet, die Zellengruppe, die am kathodenpolseitigen Ende des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, wird als Gruppe C bezeichnet, und es können unterschiedlichen Arten von Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlungen für die Gruppen A, B bzw. C durchgeführt werden. Insbesondere besteht während des Zellenbetriebs die Tendenz, dass der Wassergehalt am kathodenpolseitigen Ende steigt. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 in die Gruppen A, B bzw. C aufgeteilt ist, kann somit eine feinere Zellenspannungssteuerung verwirklicht werden.
In diesem Fall wird ein Verfahren in Betracht gezogen, bei dem zuerst die Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Oxidierungsgaszufuhr als Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchgeführt wird, wenn die Zellen, die zur Gruppe C gehören, die Senkung der Zellenspannung bewirken; die Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Reaktionsgaszufuhr durchgeführt wird, wenn die Zellenspannung sich immer noch nicht erholt hat; und die Beschränkung des Ausgangsstroms, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 entnommen wird, durchgeführt wird, wenn die Zellenspannung sich noch immer nicht erholt hat.
Als weiteres Beispiel für die Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung wird ein Verfahren in Betracht gezogen, bei dem zu einer Zeit, zu der die Zellen, die zur Gruppe C gehören, die Senkung der Zellenspannung bewirken, zuerst die Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Brenngaszufuhr durchgeführt wird; die Behandlung für die Eliminierung des Mangels in der Oxidationsgaszufuhr durchgeführt wird, wenn die Zellenspannung sich immer noch nicht erholt hat; und die Begrenzung des Ausgangsstroms, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 entnommen wird, durchgeführt wird, wenn die Zellenspannung sich immer noch nicht erholt hat.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung zu einer Zeit, zu der die Zellen, die zu den Gruppen A und B gehören, die Senkung der Zellenspannung bewirken, in einem Fall, wo der Brennstoffzellenstapel 20 in die Gruppen A, B und C unterteilt ist, der Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung zu einer Zeit, zu der die Zellen, die zu den Gruppen A und B gehören, die Senkung der Zellenspannung bewirken, in einem Fall, wo der Brennstoffzellenstapel 20 in die Gruppen A und B unterteilt ist, ähnlich ist.
Darüber hinaus wird in der obigen Ausführungsform ein Nutzungsanordnung, bei der das Brennstoffzellensystem 10 als eingebautes Fahrzeug-Leistungsversorgungssystem verwendet wird, dargestellt, aber die Nutzungsanordnung des Brennstoffzellensystems 10 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 10 außer für das Brennstoffzellen-Fahrzeug auch als Leistungsquelle eines mobilen Körpers (eines Roboters, eines Schiffes, eines Flugzeugs oder dergleichen) verwendet werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Leistungserzeugungsanlage (als stationäres Leistungserzeugungssystem) eines Wohnhauses oder eines Gebäudes oder dergleichen verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine angemessene Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung gemäß einem Ort, wo eine Zelle angeordnet ist, in der die Senkung der Zellenspannung bewirkt wird, durchgeführt werden, und somit kann der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenstapels verbessert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (20), in dem eine Vielzahl von Zellen (21) gestapelt sind; und eine Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70), die eine erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchführt, wenn die Zellenspannung einer ersten Zellengruppe (A), die sich an den jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels (20) befindet, unter einem ersten unteren Spannungsgrenzwert (Vth1) liegt, und eine zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchfühft, die sich von der ersten Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung unterscheidet, wenn die Zellenspannung einer zweiten Zellengruppe (B), die sich in der Mitte des Brennstoffzellenstapels (20) befindet, unter einem zweiten unteren Spannungsgrenzwert (Vth2) liegt, wobei der zweite untere Spannungsgrenzwert niedriger ist als der erste untere Spannungsgrenzwert (Vth1).
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70) als erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durchführt, um den Mangel in der Brenngasversorgung der ersten Zellengruppe (A) zu beseitigen.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei auch dann, wenn die Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70) die Behandlung, mit der der Mangel in der Brenngasversorgung der ersten Zellengruppe (A) beseitigt werden soll, als erste Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung durchführt, die Zellenspannung der ersten Zellengruppe (A) sich nicht auf oder über den ersten unteren Spannungsgrenzwert (Vth1) erholt, die Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70) eine Behandlung durchführt, um den Mangel in der Oxidierungsgasversorgung der ersten Zellengruppe (A) zu beseitigen.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70) als zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durchführt, um den Umfang der Befeuchtung eines Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe (B) zu erhöhen, wenn der Umfang der Befeuchtung der zweiten Zellengruppe (B) unter einem vorgegebenen Umfang liegt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Zellenspannungs-Steuereinrichtung (70) als zweite Zellenspannungs-Regenerierungsbehandlung eine Behandlung durchführt, um den Mangel in der Brenngasversorgung der zweiten Zellengruppe (B) zu beseitigen, wenn der Umfang der Befeuchtung eines Elektrolytfilms der zweiten Zellengruppe (B) bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt.