DE112008000096B4

DE112008000096B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008000096B4
Application number: DE112008000096.4T
Authority: DE
Inventors: Kenji Umayahara; Michio Yoshida; Tadaichi Matsumoto; Motohiko Taniyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: JP5007665B2; CN101569044A; US9034495B2; KR20090097958A; JP2008218398A; DE112008000096T5; KR101109715B1; US20100055521A1; CN101569044B

Abstract

Brennstoffzellensystem (10) umfassend: eine Brennstoffzelle (20), die zur Leistungserzeugung ein zugeführtes Reaktionsgas empfängt, und eine Steuervorrichtung (60), die derart ausgebildet ist, dass sie, wenn eine Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) geringer ist als ein vorgegebener Wert, steuerbar die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle (20) stoppt, und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) gleich einer Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials hält, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, und, wenn die Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) gleich oder größer ist als ein vorgegebener Wert, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) steuert, wobei die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials als oberer Grenzwert eingestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das den Betrieb einer Brennstoffzelle durch Einstellung einer Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials, die niedriger ist als die Leerlaufspannung, als oberer Grenzwert für eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, regelt.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Leistungserzeugungssystem, das mittels eines elektrochemischen Verfahrens Brennstoff oxidiert, um Energie als Ergebnis einer Oxidationsreaktion abzugeben, und das die sich ergebende Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Der Brennstoffzellenstapel schließt eine Membran-Elektroden-Anordnung ein, die eine Polyelektrolytmembran aufweist, durch die selektiv Wasserstoffionen transportiert werden, und einander paarweise zugeordnete, aus einem porösen Material gefertigte Elektroden, die sandwichartig an gegenüberliegenden Seitenflächen der Polyelektrolytmembran anliegen. Jede der paarweisen Elektroden besteht hauptsächlich aus einem Kohlenstoffpulver, das einen platinhaltigen Katalysator enthält, und eine Katalysatorschicht, die in Kontakt mit der Polyelektrolytmembran steht, sowie eine Gasdiffusionsschicht, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist und die sowohl luftdurchlässig als auch elektronisch leitfähig ist.
Ein Brennstoffzellenfahrzeug mit dem darin eingebauten Brennstoffzellensystem als Leistungsquelle steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems derart, daß in einem Hochleistungsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzellenstapel Leistung erzeugt, die sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch einer Sekundärbatterie oder nur dem Brennstoffzellenstapel erlaubt, einem Fahrmotor Leistung zuzuführen, und daß in einem Niedrigleistungsbereich mit einem niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel angehalten wird, so daß nur der Sekundärbatterie gestattet wird, dem Fahrmotor Leistung zuzuführen. Ein derartiges Anhalten des Betriebs des Brennstoffzellenstapels im Niedriglastbereich, in dem das Brennstoffzellensystem den niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung anbietet, wird als ein intermittierender Betrieb bezeichnet. Im Niedriglastbereich, in dem das Brennstoffzellensystem den niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung anbietet, wird der intermittierende Betrieb durchgeführt, um den Brennstoffzellenstapel zu befähigen, mit einer hoch gehaltenen Effizienz der Energieumwandlung zu arbeiten. Es kann somit die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2004-172028 bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das den intermittierenden Betrieb durchführt, wenn die Lastanforderung für den Brennstoffzellenstapel gleich oder niedriger ist als ein vorgegebener Wert. Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2004-172028 bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Verhinderung einer möglichen Verzögerung beim Ansprechen auf eine Leistungserzeugungsforderung, wenn die Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels, der infolge des intermittierenden Betriebs in einen die Leistungserzeugung anhaltenden Zustand übergegangen ist, durch Betrieb eines Luftkompressors zur Zuführung von Sauerstoffgas zur Wiederherstellung der Zellenspannung niedriger ist als ein vorgegebener Wert.
Ein weiteres gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist Gegenstand der JP 2004 173 450 A .
Offenbarung der Efindung
Der herkömmliche intermittierende Betrieb stoppt die Zufuhr des Reaktionsgases zum Brennstoffzellenstapel und stellt eine Befehlsspannung für einen parallel zu einer Ausgangsklemme des Brennstoffzellenstapels geschalteten Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler auf die Leerlaufspannung ein, um die am Ausgang des Brennstoffzellenstapels anliegende Spannung auf die Leerlaufspannung (OCV) zu steuern. Indem die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gleich der Leerlaufspannung gehalten wird, kann der Brennstoffzellenstapel derart gesteuert werden, daß verhindert wird, daß während des intermittierenden Betriebs Strom aus dem Brennstoffzellenstapel fließt.
Wenn jedoch während des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstellenstapels gleich der Leerlaufspannung gehalten wird, kann der in der Katalysatorschicht enthaltene Platinkatalysator ionisiert und eluiert werden. Demzufolge wird es erforderlich, die Leistung des Brennstoffzellenstapels vor einer Minderung zu bewahren.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das sowohl den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle fördert, als auch deren Beständigkeit erhält. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 7.
Hierbei umfaßt ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, die zur Leistungserzeugung ein zugeführtes Reaktionsgas empfängt, und eine Steuervorrichtung, die, wenn eine Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle geringer ist als ein vorgegebener Wert, steuerbar die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle stoppt und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gleich einer Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials hält, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, und, wenn die Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle gleich oder größer ist als ein vorgegebener Wert, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle steuert, wobei die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials als oberer Grenzwert eingestellt ist.
Wenn der obere Grenzwert der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials eingestellt wird, die niedriger ist als die Leerlaufspannung, kann der Katalysator davor bewahrt werden, durch eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bis zur Leerlaufspannung beeinträchtigt zu werden.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt weiter einen Gleichspannungswandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle steuert. Wenn die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle geringer ist als der vorgegebene Wert, stoppt die Steuervorrichtung den Betrieb des Gleichspannungswandlers, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle um eine vorgegebene Spannung niedriger wird als die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials.
Der Betrieb des Gleichspannungswandlers wird gestoppt, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle um die vorgegebene Spannung niedriger wird als die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials. Dadurch kann ein möglicher Schaltverlust im Gleichspannungswandler verhindert werden. Außerdem kann eine mögliche Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verhindert werden, die durch das in der Brennstoffzelle verbleibende Reaktionsgas verursacht wird.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt weiter eine elektrische Speichervorrichtung. Falls die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung die Summe der Leistung übersteigt, die in die elektrische Speichervorrichtung geladen und von einer Hilfsvorrichtung verbraucht werden kann, gestattet die Steuervorrichtung die Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bis zur Leerlaufspannung.
Falls die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung die Leistung übersteigt, die in die elektrische Speichervorrichtung geladen werden kann, wird der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gestattet, bis zur Leerlaufspannung anzusteigen. Dadurch kann eine mögliche Beschädigung der elektrischen Speichervorrichtung vermieden werden.
Das Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung umfaßt weiter einen Fahrmotor. Während der Fahrmotor regeneratives Bremsen durchführt, läßt die Steuervorrichtung eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bis zur Leerlaufspannung zu.
Während der Fahrmotor regeneratives Bremsen durchführt, wird der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine Zunahme bis zur Leerlaufspannung gestattet. Dadurch wird die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle während des regenerativen Bremsens gestoppt, damit mehr regenerative Leistung in die elektrische Speichervorrichtung geladen werden kann.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt weiter eine Mehrzahl von Absperrventilen in einem Versorgungszweig für die Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle. Die Steuervorrichtung schließt zur Bildung eines geschlossenen Raums in diesem Versorgungszweig die Mehrzahl der Absperrventile. Während zur Feststellung einer möglichen Gasleckage eine mögliche Änderung des Gasdrucks innerhalb des geschlossenen Raums festgestellt wird. läßt die Steuervorrichtung eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle bis zur Leerlaufspannung zu.
Während die mögliche Gasleckage festgestellt wird, wird der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gestattet, bis zur Leerlaufspannung zuzunehmen. Dadurch wird das Reaktionsgas daran gehindert, während der Ermittlung der möglichen Gasleckage durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle verbraucht zu werden. Die ermöglicht eine Verbesserung der Genauigkeit der Feststellung einer Gasleckage.
Dabei ist die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von gestapelten Zellen aufweist. Die Steuervorrichtung korrigiert vorzugsweise die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials derart, daß die höchste Ausgangsspannung aus der Zellenmehrheit gleich oder geringer ist als ein vorgegebener Wert. Eine Änderung der Zellenspannung kann die höchste der Ausgangsspannungen aus der Mehrzahl der Zellen höher machen als die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials pro Zelle. Es wird dadurch die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials derart gesteuert, daß die höchste der Ausgangsspannungen der Mehrzahl von Brennstoffzellen gleich oder niedriger ist als der vorgegebene Wert (beispielsweise ein Spannungswert, der durch Division einer Zielspannung für den Brennstoffzellenstapel durch die Gesamtzahl der Zellen erhalten wird). Folglich kann die Lebensdauer davor bewahrt werden, durch die Änderung der Zellenspannung verschlechtert zu werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild der Konstruktion eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegende Erfindung;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einen Brennstoffzellenstapel bildenden Zellen;
3 ist eine Zeittafel, die die Steuerungsaktion des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Diagramm, das einen Fehler bei der Feststellung der Stapelspannung zeigt;
5 ist ein Diagramm das ein Veränderung der Zellenspannung zeigt;
6 ist eine Zeittafel, die einen Zwischenstopp des Gleichspannungswandlers zeigt;
7 ist eine Tafel, die die Ausführungsbedingungen einer Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials zeigt;
8 ist eine Zeittafel, die die Betriebssteuerung zeigt, die die EIN- und AUS-Schaltung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials erlaubt, abhängig davon, ob regeneratives Bremsen durchgeführt wird oder nicht;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Fahrweise und der Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials darstellt; und
10 ist eine Zeittafel, die die Betriebssteuerung zeigt, die die EIN- und AUS-Schaltung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials erlaubt, abhängig davon, ob die Feststellung einer Gasleckage durchgeführt wird oder nicht.
Beste Weise, die Erfindung auszuführen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die 1 zeigt ein Schaltbild einer Konstruktion eines Brennstoffzellensystems 10, das als ein bordeigenes Leistungsversorgungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs fungiert. Das Brennstoffzellensystem 10 schließt einen Brennstoffzellenstapel 20 ein, der zur Leistungserzeugung mit einem Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, einen Oxidationsgasversorgungszweig 30, über den dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft als Oxidationsgas zugeführt wird, einen Brenngasversorgungszweig 40, über den dem Brennstoffzellenstapel 20 Wasserstoffgas als Brenngas zugeführt wird, einen Leistungszweig 50, der das Laden und Entladen von Leistung steuert, und eine Steuervorrichtung 60, die einheitlich das gesamte Brennstoffzellensystem 10 steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein fester Polyelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der von einer Mehrzahl von in Reihe gestapelten Zellen gebildet ist. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet an einer Anode eine durch die Formel (1) ausgedrückte Oxidationsreaktion statt, und eine durch die Formel (2) ausgedrückte Reduktionsreaktion tritt an einer Kathode auf. Für den ganzen Brennstoffzellenstapel 20 findet eine elektromotorische Reaktion nach der Formel (3) statt H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Der Brennstoffzellenstapel 20 schließt einen daran angebrachten Spannungsfühler 71 ein, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzelienstapels (Brennstoffzellenspannung) festzustellen, und einen daran angebrachten Stromfühler 72 zur Feststellung eines Ausgangsstroms (Brennstoffzellenstrom).
Der Oxidationsgasversorgungszweig 30 schließt einen Oxidationsgaskanal 33 ein, durch den ein der Kathode des Brcnnstoffzellenstapels 20 zuzuführendes Oxidationsgas strömt, und einen Oxidationsabgaskanal 34, durch den aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführtes Oxidationsabgas strömt. Der Oxidationsgaskanal 33 schließt einen Luftkompressor 32 ein, der aus der Atmosphäre über einen Filter 31 Oxidationsgas aufnimmt, einen Befeuchter 35, der das durch den Kompressor zu verdichtende Oxidationsgas befeuchtet, und ein Absperrventil A1, das die Zufuhr von Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel 20 absperrt. Der Oxidationsabgaskanal 34 schließt ein Absperrventil A2 ein, das die Ableitung von Oxidationsabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 20 sperrt, ein Rückdruckregelventil A3, das den Versorgungsdruck des Oxidationsgases regelt, und einen Befeuchter 35, der Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsabgas (feuchtes Gas) austauscht.
Der Brenngasversorgungszweig 40 schließt eine Brenngasversorgungsquelle 41 ein, sowie einen Brenngasversorgungskanal 43, durch den das Brenngas strömt, das von der Brenngasversorgungsquelle 41 der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, einen Kreislaufkanal 44, über den ein vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgeleitetes Brennstoffabgas zum Brenngaskanal 43 zurückgeführt wird, eine Umwälzpumpe 45, durch die das Brennstoffabgas im Kreislaufkanal 44 unter Druck dem Brenngaskanal 43 zugeführt wird, und einen Ausblas- und Ableitungskanal 46, der divergierend mit dem Kreislaufkanal 44 verbunden ist.
Die Brenngasversorgungsquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruckwasserstofftank oder einer Wasserstoff einschließenden Legierung und speichert ein Wasserstoffgas unter hohem Druck (beispielsweise 35 Mpa bis 70 Mpa). Das Öffnen eines Absperrventils H1 erlaubt es dem Brenngas, von der Brenngasversorgungsquelle 41 zum Brenngaskanal 43 zu strömen. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regler H2 oder einen Injektor 42 vor der Einleitung in den Brennstoffzellenstapel 20 auf beispielsweise etwa 200 kPa reduziert.
Die Brenngasversorgungsquelle 41 kann von einem Reformer gebildet werden, der ein wasserstoffreiches Reformgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff erzeugt, und einem Hochdruckgastank, in dem das vom Reformer erzeugte Reformgas unter Druck gesetzt und gespeichert wird.
Der Brenngaskanal 43 schließt ein Absperrventil H1 ein, das die Zufuhr von Brenngas aus der Brenngasversorgungsquelle 41 sperrt oder zuläßt, ein Regelventil H2, das den Druck des Brenngases regelt, einen Injektor 42, der die Menge des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Brenngases regelt, ein Absperrventil H3, das die Zufuhr des Brenngases zum Brennstoffzellenstapel 20 sperrt, und einen Druckfühler 74.
Das Regelventil H2 ist eine Vorrichtung, die einen Druck auf der stromauf gelegenen Seite (Primärdruck) auf einen voreingestellten Druck regelt und besteht beispielsweise aus einem mechanischen Druckminderventil, das den Primärdruck reduziert. Das mechanische Druckminderventil schließt ein Gehäuse ein, in dem eine Rückdruckkammer und eine Druckregulierkammer einander beiderseits einer Membran gegenüberliegend ausgebildet sind. Im Druckminderventil reduziert ein Rückdruck in der Rückdruckkammer den Primärdruck in der Druckregulierkammer auf den vorgegebenen Druck. Auf diese Weise wird der Sekundärdruck erhalten. Das Regelventil H2 befindet sich stromauf vom Injektor 42, um eine wirksame Reduktion des Drucks stromauf vom Injektor zu ermöglichen. Dadurch kann die mechanische Konstruktion (ein Ventilteller, ein Gehäuse, ein Kanal, eine Betätigungsvorrichtung und dergleichen) freizügiger gestaltet werden. Außerdem ermöglicht es der stromauf vom Injektor 42 reduzierte Druck, eine Situation zu verhindern, in der eine Bewegung des Ventiltellers des Injektors 42 durch einen Anstieg der Differenz zwischen den Drücken stromauf und stromab vom Injektor 42 behindert wird. Dies ermöglicht eine Vergrößerung des Regelbereichs des veränderlichen Drucks stromab vom Injektor 42 und erlaubt es, eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens des Injektors 42 zu verhindern.
Der Injektor 42 ist ein elektromagnetisch betätigtes EIN-AUS-Ventil, das die Regelung eines Gasdurchflusses oder Gasdrucks durch direkten Antrieb des Ventiltellers während einer vorgegebenen Betätigungsperiode mittels einer elektromagnetischen Betätigungskraft ermöglicht, um den Ventilteller von einem Ventilsitz abzuheben. Der Injektor 42 schließt den Ventilsitz mit einem Injektionsloch ein, durch das ein gasförmiger Brennstoff, wie ein Brenngas, eingespritzt wird, einen Düsenkörper, durch den der gasförmige Brennstoff gefördert und dem Injektionsloch zugeführt wird, wobei der Ventilteller vom Düsenkörper aufgenommen und so gehalten wird, daß er in axialer Richtung des Düsenkörpers (der Richtung der Gasströmung) beweglich ist, um das Injektionsloch zu öffnen und zu schließen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilteller des Injektors 42 durch ein Solenoid betätigt, das eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ist. Durch Ein- und Ausschalten eines dem Solenoid zugeführten, pulsierenden Erregerstroms wird es ermöglicht, den Öffnungsbereich des Injektionslochs in zwei Stufen zu schalten. Ein von der Steuervorrichtung 60 ausgegebenes Steuersignal stgeuert die Dauer der Gasinjektion und die Periode der Gasinjektion des Injektors 42, um den Durchfluß und den Druck des Brenngases zu steuern. Der Injektor 42 öffnet und schließt durch direkte Betätigung das Ventil (Ventilteller und Ventilsitz) durch eine elektromagnetische Betätigungskraft. Der Injektor 42 spricht sehr empfindlich an, weil die Betätigungsperiode des Ventils bis hinauf in einen sehr empfindlichen Bereich gesteuert werden kann. Um stromab eine erforderliche Durchflußmenge zuzuführen, ändert der Injektor 42 wenigstens eine der beiden Größen Öffnungsbereich (Öffnungsgrad) und Öffnungsdauer des Ventiltellers in einem Gaskanal des Injektors 42, um den stromab erfolgenden Gasdurchfluß (oder die molare Wasserstoffkonzentration) zu regeln.
Ein Absperrventil H4 und ein Ausblas- und Ableitungskanal 46 sind mit dem Kreislaufkanal 44 verbunden, das Absperrventil H4 sperrt die Ableitung des Brennstoffabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Ausblas- und Ableitungskanal 46 divergiert vom Kreislaufkanal 44. Im Ausblas- und Ableitungskanal 46 ist ein Ausblas- und Ableitungsventil H5 angeordnet. Das Ausblas- und Ableitungsventil H5 wird ansprechend auf einen Befehl von der Steuervorrichtung 60 betätigt, um das Brennstoffabgas nach außen abzuführen, das Verunreinigungen aus dem Kreislaufkanal 44 und Feuchtigkeit enthält. Das Öffnen des Ausblas- und Ableitungsventils H5 erhöht die Konzentration der Verunreinigungen im Brennstoffabgas im Kreislaufkanal 44, um eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration in dem im Kreislaufzweig zirkulierenden Brennstoffabgas zu ermöglichen.
Das über das Ausblas- und Ableitungsventil H5 abgeführte Brennstoffabgas wird mit dem durch den Oxidationsabgaskanal 34 strömenden Oxidationsabgas vermischt und durch einen (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Verdünner verdünnt. Die Kreislaufpumpe 45 führt zyklisch durch die Betätigung eines Motors das Brennstoffabgas im Zirkulationszweig dem Brennstoffzellenstapel 20 zu.
Der Leistungszweig 50 schließt einen Gleichspannungswandler 51, eine Batterie 52, einen Fahrinverter 53, einen Fahrmotor 54 und Hilfsvorrichtungen 55 ein. Das Brennstoffzellensystem 10 ist als ein paralleles Hybridsystem gestaltet, in dem der Gleichspannungswandler 51 und der Fahrinverter 53 zum Brennstoffzellenstapel 20 parallel geschaltet sind. Der Gleichspannungswandler 51 schließt eine Funktion zur Erhöhung der Gleichspannung ein, die durch die Batterie 52 zugeführt wird, und zur Ausgabe der erhöhten Gleichspannung an den Fahrinverter 53, und eine Funktion zur Verringerung der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Gleichstromleistung oder der regenerativen, vom Fahrmotor durch regeneratives Bremsen zurückgewonnenen Leistung, um die Batterie 52 zu laden. Die Funktionen des Gleichspannungswandlers 51 steuern das Laden und Entladen der Batterie 52. Die vom Gleichspannungswandler durchgeführte Spannungsumwandlungssteuerung steuert die Betriebspunkte (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20.
Die Batterie 52 fungiert als eine Speicherquelle für Zusatzleistung, eine Speicherquelle für regenerative Energie während des regenerativen Bremsens und als Energiepuffer für eine mit Beschleunigung und Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs verbundene Laständerung. Beispielsweise ist eine Sekundärbatterie, wie eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithiumsekundärbatterie als Batterie 62 geeignet. Ein SOC-Sensor 73 ist an der Batterie 52 angebracht, um den Ladungszustand SOC (State of Charge) festzustellen.
Der Fahrinverter 53 ist beispielsweise ein Inverter mit Impulsbreitenmodulation, der nach einem Impulsbreitenmodulationschema betrieben wird. Gemäß einem Steuerbefehl von der Steuervorrichtung 60 wandelt der Fahrinverter 53 die Gleichspannung vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 in eine Dreiphasen-Wechselspannung zur Steuerung des Drehmoments des Fahrmotors 54 um. Der Fahrmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor, der eine Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug bildet.
Die Hilfsvorrichtungen 55 umfassen kollektiv die Motoren (Leistungsquellen beispielsweise für Pumpen), die in verschiedenen Bereichen des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind, Inverter, die den Betrieb der Motoren ermöglichen und verschiedene bordeigene Hilfsvorrichtungen (beispielsweise einen Luftkompressor, einen Injektor, eine Kühlwasserumwälzpumpe und einen Kühler).
Die Steuervorrichtung 60 ist ein Computersystem, das eine CPU, ein ROM, ein RAM und eine Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle zur Steuerung der entsprechenden Abschnitte des Brennstoffzellensystems 10 umfaßt. Beispielsweise startet die Steuervorrichtung 60 nach dem Empfang eines von einem Zündschalter ausgegebenen Startsignals IG den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Die Steuervorrichtung 60 stellt dann auf der Basis eines dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entsprechenden, von einem Fahrpedalsensor ausgegebenen Signals ACC und eines von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen, der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Signals VC die Leistungsanforderung für das gesamte System fest. Die Leistungsanforderung für das gesamte System ist die Summe der Leistung für die Fahrzeugbewegung und den Betrieb der Hilfsvorrichtungen.
Dabei schließt die Leistung für die Hilfsvorrichtungen die Leistung ein, die durch bordeigene Hilfsvorrichtungen (der Befeuchter, der Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe, die Kühlwasserumwälzpumpe und dergleichen) verbraucht wird, die Leistung, de durch Vorrichtungen verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs erforderlich sind (ein Gangwechselgetriebe, eine Radsteuerungsvorrichtung, eine Lenkvorrichtung, ein Aufhängesystem und der gleichen) und Leistung, die von Vorrichtungen in einem Raum für die Insassen verbraucht wird (eine Klimaanlage, ein Beleuchtungssystem, ein Audiosystem und dergleichen).
Die Steuervorrichtung 60 bestimmt die Zuweisung der Ausgangsleistung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Ausgangsleistung aus der Batterie 52, um den Oxidationsgasversorgungszweig 30 und den Brenngasversorgungszweig 40 derart zu steuern, das die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Leistungsmenge der Zielmenge gleicht. Die Steuervorrichtung 60 steuert auch den Gleichspannungswandler 51 zur Regelung des Ausgangsspannung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Steuerung der Betriebspunkte des Brennstoffzellenstapels 20 (dessen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom). Außerdem gibt die Steuervorrichtung 60 beispielsweise Wechselspannungsbefehlswerte für eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase als Schaltbefehle für die Steuerung des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl des Fahrmotors 54 aus, um abhängig vom Öffnungsgrad des Fahrpedals das Zieldrehmoment zu erhalten.
Die 2 ist eine Explosionsansicht der den Brennstoffzellenstapel 20 bildenden Zellen 21.
Jede der Zellen 21 besteht aus einer elektrolytischen Membran 22, einer Anode 23, einer Kathode 24 und Separatoren 26 und 27. Die Anode 23 und die Kathode. 24 sind Diffusionselektroden, die eine sandwichartige Struktur bilden, in welcher die elektrolytische Membran 22 zwischen der Anode 23 und der Kathode 24 sandwichartig eingefügt ist, die einander gegenüberliegen. Die von nicht luftdurchlässigem, leitendem Material gebildeten Separatoren 26 und 27 schließen weiter sandwichartig die sandwichartige Struktur zwischen sich derart ein, daß zwischen dem Separator 26 und der Anode 23 Kanäle für das Brenngas und zwischen dem Separator 27 und der Kathode 24 Kanäle für das Oxidationsgas gebildet werden. Im Separator 26 sind zwischen sich einen ausgenommenen Querschnitt formende Rippen 26a mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Die Anode 23 liegt an den Rippen 26a an, um die Öffnungen zwischen den Rippen 26a zur Bildung von Brenngaskanälen zu schließen. Im Separator 27 sind zwischen sich einen ausgenommenen Querschnitt formende Rippen 27a ausgebildet. Die Kathode 24 liegt an den Rippen 27a an, um die Öffnungen zwischen den Rippen 27a zur Bildung von Oxidationsgaskanälen zu schließen.
Die Anode 23 wird von einem hauptsächlich mit einem platinhaltigen metallischen Katalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Ptz-Ni, Pt-Ru oder dergleichen) versetzten Kohlenstoffpulver gebildet. Die Anode 23 schließt eine Katalysatorschicht 23a ein, die in Kontakt mit der elektrolytischen Membran 22 steht, und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig als auch elektrisch leitfähig ist. In ähnlicher Weise schließt die Kathode 24 eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b ein. Genauer werden die Katalysatorschichten 23a und 24a dadurch ausgebildet, daß in einem geeigneten organischen Lösungsmittel ein Kohlenstoffpulver dispergiert wird, das Platin oder eine aus Platin und einem anderen Metall bestehende Legierung enthält, wobei dem Lösungsmittel eine geeignete Menge einer elektrolytischen Lösung beigefügt wird, um eine pastenartige Mischung zu erhalten, die auf die elektrolytische Membran aufgetragen wird. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b werden aus einem Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder einem Kohlenstoffilz gebildet, erhalten durch Verweben von aus Kohlenstoff bestehenden Garnen. Die elektrolytische Membran 22 ist eine Protonen leitende Ionenaustauschmembran, gebildet aus einem festen Polymermaterial, beispielsweise einem Fluor enthaltenden Harz. Die elektrolytische Membran 22 zeigt in feuchtem Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die elektrolytische Mebran 22, die Anode 23 und die Kathode 24 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 25.
Die 3 ist eine Zeittafel, die die Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems 10 zeigt.
Das Brennstoffzellensystem 10 schaltet die Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels 20 in Abhängigkeit von einer Betriebslast, um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu verbessern. Beispielsweise steuert das Brennstoffzellensystem 10 in einem Niedriglastbereich mit geringer Effektivität der Leistungserzeugung (ein Betriebsbereich, in dem die Anforderung an die Leistungserzeugung geringer ist als ein vorgegebener Wert) die Aktion des Brennstoffzellenstapels 20 durch Einstellung eines Leistungserzeugungsbefehlswerts für den Brennstoffzellenstapel 20 auf Null. Das Brennstoffzellensystem 10 benützt die Leistung aus der Batterie 52 als die zum Antrieb des Fahrzeugs oder die für den Betrieb des Systems erforderliche Leistung (diese Betriebsweise wird nachfolgend als eine erste Betriebsweise bezeichnet). Andererseits steuert das Brennstoffzellensystem 10 in einem Hochlastbereich mit hoher Effektivität (ein Betriebsbereich, in dem die Anforderung an die Leistungserzeugung gleich oder höher ist als ein vorgegebener Wert) die Aktion des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Berechnung des Leistungserzeugungsbefehlswerts für den Brennstoffzellenstapel 20 auf der Basis eines Öffnungsgrads des Fahrpedals und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Das Brennstoffzellensystem 10 benutzt nur die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 oder sowohl die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 als auch die Leistung aus der Batterie 52 als erforderliche Leistung für die Bewegung des Fahrzeugs oder die Leistung für den Betrieb des Systems (diese Betriebsweise wird nachfolgend als eine zweite Betriebsweise bezeichnet).
Das Brennstoffzellensystem 10 überwacht ein Steuerflag, das die Betriebsweise als eine konstante Periode anzeigt. Wenn das Steuerflag eingeschaltet wird, steuert das Brennstoffzellensystem 10 die Aktion des Brennstoffzellenstapels 20 in der ersten Betriebsweise. Wenn das Steuerflag abgeschaltet ist, steuert das Brennstoffzellensystem 10 die Aktion des Brennstoffzellenstapels 20 in der zweiten Betriebsweise. In jeder Betriebsweise ist die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während der normalen Betriebsweise prinzipiell auf einen Betriebsbereich zwischen einem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung und einem unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung begrenzt.
Der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung entspricht vorzugsweise der Bedingung, daß sich der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung in einem Spannungsbereich befindet, der geeignet ist, eine mögliche Elution des in den Katalysatorschichten 23a und 24a des Brennstoffzellenstapels 20 enthaltenen Platinkatalysators zu verhindern. Überdies entspricht der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung vorzugsweise der Bedingung, daß der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung sich in einem Spannungsbereich befindet, der geeignet ist, bei gestoppter Zufuhr des Reaktionsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 den Hilfsvorrichtungen 55 zu gestatten, durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Leistung zu verbrauchen, wenn die Ausgangspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung gehalten wird. Wenn das Potential der Kathode 24 insbesondere während eines Betriebs mit niedriger Stromdichte oder einem Leerlaufbetrieb hoch gehalten wird, kann der Platinkatalysator in der Katalysatorschicht eluiert werden. In der Beschreibung wird die Steuerung, in welcher die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 steuerbar gleich dem oberen oder niedriger als der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung eingestellt wird, um die Beständigkeit des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhalten, als Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials bezeichnet. Der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung wird auch als Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird prinzipiell in jeder Betriebsweise die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials ausgeführt. Der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung wird geeignet so eingestellt, daß eine Spannung von 0,9 V pro Zelle vorhanden ist.
Der unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung entspricht vorzugsweise der Bedingung, daß der unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung sich innerhalb eines Spannungsbereichs befindet, der geeignet ist, die Zellenspannung daran zu hindern, in einen Reduktionsbereich abzusinken. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 kontinuierlich in einem Oxidationsbereich betrieben wird, wird auf einer Oberfläche eines in der Katalysatorschicht 24a enthaltenen Platinkatalysators ein oxidierter Film ausgebildet, der die wirksame Fläche des Platinkatalysators reduziert. Dann steigt eine aktive Spannung an und reduziert die I-V-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels 2. Ein Verfahren zur Aktivierung des Katalysators ermöglicht die Reduzierung des oxidierten Films und seine Entfernung vom Platinkatalysator, um die I-V-Charakteristik wiederherzustellen. Jedoch verringert ein häufiges Wechseln der Zellenspannung zwischen dem Oxidationsbereich und dem Reduktionsbereich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 20. Außerdem kann der den Platinkatalysator tragende Kohlenstoff oxidiert werden, wenn die Zellenspannung in den Reduktionsbereich abgesenkt und dann, wenn die Lastanforderung zunimmt, wieder bis in den Oxidationsbereich erhöht wird. Angesichts dieser Umstände kann eine mögliche Reduzierung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 20 durch die steuerbare Einstellung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 derart, daß sie gleich oder größer ist als der untere Grenzwert V2 der Betriebsspannung während des Normalbetriebs, verhindert werden. Der unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung wird in geeigneter Weise so eingestellt, daß pro Zelle eine Spannung von etwa 0,8 V besteht.
Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während des Normalbetriebs wird prinzipiell zwischen dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung und dem unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung gesteuert. Jedoch kann die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 steuerbar so eingestellt werden, daß sie gleich oder größer ist als der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung oder gleich oder kleiner ist als der untere Grenzwert V2 der Betriebsspannung. Beispielsweise wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 bis auf die Leerlaufspannung erhöht, wenn der Ladezustand der Batterie 52 einen vorgegebenen Wert oder mehr aufweist, oder wenn eine mögliche Gasleckage entdeckt wird, oder wenn regenerative Leistung durch regeneratives Bremsen gewonnen wird. Des weiteren wird für das Verfahren zur Aktivierung des Katalysators die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf den unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung oder darunter abgesenkt.
Bei der ersten Betriebsweise stellt die Steuervorrichtung 60 den Leistungserzeugungsbefehlswert auf Null, um die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 20 mit Reaktionsgas zu stoppen. Die Steuervorrichtung 60 stellt weiter den Spannungsbefehlswert für den Gleichspannungswandler 51 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung ein (Zeit t0 bis t4). Selbst nachdem die Zufuhr von Reaktionsgas gestoppt wurde, verbleibt ein unveränderter Teil des Reaktionsgases innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20. Somit erzeugt der Brennstoffzellenstapel 20 für eine gewisse Zeit noch eine kleine Leistungsmenge.
Eine Periode vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2 ist eine Leistungserzeugungsperiode, während welcher durch die Umwandlung der chemischen Energie des Reaktionsgases in elektrische Energie die Erzeugung einer kleinen Leistungsmenge fortgesetzt wird. Während der Leistungserzeugungsperiode bietet das verbleibende Reaktionsgas Energie an, die es der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 ermöglicht, gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung zu bleiben. Somit bleibt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung. Die während der Leistungserzeugungsperiode erzeugte Leistung wird durch die Hilfsvorrichtungen 55 verbraucht. Jedoch wird ein überschüssiger Teil der Leistung in die Batterie 52 geladen, wenn die Leistung nicht vollständig von den Hilfsvorrichtungen 55 verbraucht wird.
Während einer Periode von t0 bis t1 überschreitet die Leistungserzeugungsenergie des Brennstoffzellenstapels 20 die Verbrauchskapazität der Hilfsvorrichtungen 55. Deshalb wird ein Teil der vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebenen Leistungserzeugungsenergie in die Batterie 52 geladen. Jedoch nimmt die Leistungserzeugungsenergie des Brennstoffzellenstapels allmählich ab, wenn das verbleibende Reaktionsgas verbraucht wird. Folglich steht zum Zeitpnkt t1 die vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Leistungserzeugungsenergie im Gleichgewicht mit der Verbrauchskapazität der Hilfsvorrichtungen 55. Die in die Batterie 52 geladene Leistung sinkt damit auf Null. Während einer Periode vom Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t2 ist die vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebene Leistungserzeugungsenergie unzureichend für den Leistungsverbrauch der Hilfsvorrichtungen 55. Um die unzureichend Leistung auszugleichen, wird Leistung aus der Batterie 52 den Hilfsvorrichtungen 55 zugeführt.
Eine Periode vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t4 ist eine Periode mit gestoppter Leistungserzeugung, während welcher der Verbrauch des verbleibenden Reaktionsgases verhindert, daß die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung bleibt, um dadurch die Leistungserzeugung zu stoppen. Wenn das verbleibende Reaktionsgas keine ausreichende Energemenge mehr liefert, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung zu halten, wird die Leistungserzeugung gestoppt. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 nimmt allmählich ab. Während der Periode mit gestoppter Leistungserzeugung wird die Leistungserzeugungsenergie des Brennstoffzellenstapels 20 auf Null reduziert. Somit wird den Hilfsvorrichtungen 55 eine nahezu konstante Leistung aus der Batterie 52 zugeführt.
Zum Zeitpunkt t3, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf den unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung absinkt, wird der Oxidationsgasversorgungszweig 30 aktiviert, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Oxidationsgas zuzuführen. Der Brennstoffzellenstapel 20 empfängt das Oxidationsgas, um Leistung zu erzeugen, wobei die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zunimmt. Sobald die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 bis zu einer vorgegebenen Spannung (beispielsweise 360 V) angestiegen ist, wird die Zufuhr von Oxidationsgas gestoppt. Auf diese Weise wird während der Periode mit gestoppter Leistungserzeugung, jedesmal wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 bis zum unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung absinkt, das Oxidationsgas in geeigneter Weise zugeführt, um gesteuert die Ausgangsspannung davon abzuhalten, unter den unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung abzusinken.
Bei der zweiten Betriebsweise berechnet die Steuervorrichtung 60 den Leistungserzeugungsbefehlswert basierend auf der Lastanforderung und steuert die Zufuhr des Reaktionsgases zum Brennstoffzellenstapel 20. Die Steuervorrichtung 60 steuert weiter die Betriebspunkte (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 über den Gleichspannungswandler 51 (Zeitpunk t4 bis Zeitpunk t5). Zu diesem Zeitpunkt ist der Spannungsbefehlswert für den Gleichspannungswandler 51 auf den Betriebsbereich zwischen dem obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung und dem unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung beschränkt.
Wie in 4 gezeigt, kann eine durch den Spannungsfühler 71 gemessene Spannung V_DC um ΔV_stack niedriger sein als eine aktuelle Spannung V_TC des Brennstoffzellenstapels 20. Ein möglicher Hauptgrund für den Fehler ΔV_stack ist ein Spannungsabfall an einer Diode 75, die zur Verhinderung eines möglichen Rückflusses eines Stapelstroms vorgesehen ist, oder ein Meßfehler durch den Spannungsfühler 71. Ein solcher Fehler veranlaßt die Steuervorrichtung 60 den Gleichspannungswandler 51 derart zu steuern, daß die gemessene Spannung V_DC, die um ΔV_stack niedriger ist als die aktuelle Spannung V_TC, einer Zielspannung gleicht.
Dadurch wird die aktuelle Spannung V_TC auf einen Wert gesteuert, der um ΔV_stack größer ist als die Zielspannung.
Wenn die aktuelle Spannung V_TC auf den Wert gesteuert wird, der um ΔV_stack größer ist als de Zielspannung, wird eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 20 gefördert. Deshalb wird vorzugsweise die gemessene Spannung V_DC unter Berücksichtigung des Fehlers ΔV_stack korrigiert und der Gleichspannungswandler 51 wird derart gesteuert, daß die aktuelle Spannung V_TC der Zielspannung gleicht. Insbesondere kann, wenn der Spannungsabfall an der Diode 75 oder der Meßfehler des Spannungsfühlers 71 als ein Dauerzustand zu betrachten ist, ΔV_steck der gemessenen Spannung V_DC als ein Korrekturwert hinzugefügt werden, um die aktuelle Spannung V_TC zu erhalten. Dann kann der Gleichspannungswandler 51 derart gesteuert werden, daß er die aktuelle Spannung V_TC der Zielspannung angleicht.
Die aktuelle Spannung V_TC ist gleich der Summe V_{cell_all} der durch einen Zellenwächter gemessenen Zellenspannungen der Zellen 21. Somit kann der Fehler ΔV_stack zwischen den Werten V_{cell_all} und V_DC unter Benutzung einer vorgegebenen arithmetischen Periode berechnet werden. Dann kann die gemessene Spannung V_DC in Echtzeit unter Berücksichtigung des Fehlers ΔV_stack korrigiert werden und der Gleichspannungswandler 51 kann derart gesteuert werden, daß die aktuelle Spannung V_TC der Zielspannung gleicht.
Selbst wenn der DC/DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler 51 so gesteuert wird, daß die aktuelle Spannung V_TC der Zielspannung gleicht, kann jedoch die Zellenspannung einiger der Zellen 21 die Zielspannung pro Zelle (die Zielspannung pro Zelle bezieht sich auf einen Spannungswert, der durch Division der Zielspannung des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Gesamtzahl der Zellen erhalten wird) überschreiten, weil die Ausgangsspannung (Zellenspannung) der Zellen 21, wie in 5 gezeigt, zwischen den Zellen unterschiedlich ist. In diesem Falle korrigiert die Steuervorrichtung 60, weil die Verschlechterung einiger der Zellen 21 gefördert wird, vorzugsweise die Zielspannung derart, daß die Zellenspannung einer jeden der Zellen 21 daran gehindert wird, die Zielspannung pro Zelle zu überschreiten. Insbesondere benutzt die Steuervorrichtung 60 eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Zellenspannungsermittlungsvorrichtung, um die Zellenspannung einer jeden der den Brennstoffzellenstapel 20 bildenden Zellen 21 überwachen. Die Steuervorrichtung 60 korrigiert somit steuerbar die Zielspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf der Basis eines Unterschieds ΔV_stack zwischen einer maximalen Zellenspannung V_{cell_max} und einer durchschnittlichen Zellenspannung V_{cell_ave}, um die Zellenspannung einer jeden Zelle 21 daran zu hindern, die Zielspannung pro Zelle zu überschreiten.
Die 6 ist eine Zeittafel, die den Zwischenstopp des Gleichspannungswandlers 51 zeigt.
Die Zeittafel zeigt eine Reihe von Steuerverfahren, bei welchen das Brennstoffzellenfahrzeug die Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit beginnt, dann allmählich beschleunigt und schließlich gestoppt wird.
Eine Last des mit geringer Geschwindigkeit fahrenden Brennstoffzellenfahrzeugs nimmt ab. Zum Zeitpunkt t10, wen n die Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel 20 niedriger ist als ein vorgegebener Schwellenwert, wird das ausgeschaltete Steuerflag eingeschaltet. Damit schaltet die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 10 von der zweiten Betriebsweise auf die erste Betriebsweise um. Zum Zeitpunkt t11, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger ist als ein vorgegebener Wert (beispielsweise um mehrere km/h), wird ein eingeschaltetes Fahrflag ausgeschaltet. Das Fahrflag stellt eine Flaginformation dar, die anzeigt, ob sich das Fahrzeug bewegt oder nicht. Während der Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs (die Fahrzeuggeschwindigkeit ist gleich einem vorgegebenen oder größer als ein vorgegebener Wert, ist das Fahrflag eingeschaltet. Während das Brennstoffzellenfahrzeug gestoppt ist (die Fahrzeuggeschwindigkeit ist kleiner als der vorgegebene Wert) ist das Fahrflag ausgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t12, wenn das Fahrzeug vollständig gestoppt ist, wird ein eingeschaltetes Zulassungsflag für den Motorbetrieb ausgeschaltet. Das Zulassungsflag für den Motorbetrieb ist eine Flaginformation die anzeigt, ob der Betrieb des Fahrmotors 54 zulässig ist oder nicht. Falls das Betreiben des Fahrmotors 54 zulässig ist, ist das Zulassungsflag für den Motorbetrieb eingeschaltet. Falls das Betreiben des Fahrmotors 54 nicht zugelassen werden kann (der Fahrmotor 54 ist abgeschaltet), ist das Zulassungsflag für den Motorbetrieb ausgeschaltet.
In der ersten Betriebsweise setzt die Steuervorrichtung 60 den Leistungserzeugungsbefehlswert auf Null, um die Zufuhr von Reaktionsgas zum Brennstoffzellenstapel 20 zu stoppen. Die Steuervorrichtung 60 stellt zudem den Spannungsbefehlswert für den Gleichspannungswandler 51 derart ein, daß er dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung gleicht. Unmittelbar nachdem die Zufuhr des Reaktionsgases gestoppt wird, verbleibt eine Menge des Reaktionsgases innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20, die ausreichend ist, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf gleichem Niveau zu halten wie den oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung. Weil das verbleibende Reaktionsgas jedoch benutzt wird, um eine kleine Leistungsmenge zu erzeugen, nimmt die Menge des verbleibenden Reaktionsgases allmählich ab. Wenn das verbleibende Reaktionsgas nicht länger Energie anbietet, die erforderlich ist, um die Ausgansgspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf gleichem Niveau wie den obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung zu halten, wird die Leistungserzeugung gestoppt. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 nimmt allmählich ab.
Zum Zeitpunkt t13, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 vom obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung um ΔV abnimmt, wird ein eingeschaltetes Zulassungsflag für Konverterbetrieb ausgeschaltet. Das Zulassungsflag für Korverterbetrieb ist eine Flaginformation die anzeigt, ob der Betrieb des Gleichspannungswandlers 51 zulässig ist oder nicht. Falls der Betrieb des Gleichspannungswandlers 51 zugelassen werden kann, wird das Zulassungsflag für Konverterbetrieb eingeschaltet. Falls der Betrieb des Gleichspannungswandlers 51 nicht zugelassen werden kann, ist das Zulassungsflag für Konverterbetrieb ausgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t14, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 niedriger ist als der untere Grenzwert V2 der Betriebsspannung, aktiviert die Steuer-vorrichtung 60 den Oxidationsgasversorgungszweig 40, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Oxidationsgas zuzuführen. Weil der Brennstoffzellenstapel 20 das zugeführte Oxidationsgas zur Leistungserzeugung empfängt, nimmt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu. Außerdem wird zum Zeitpunkt t14, wenn die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 20 mit Oxidationsgas gestartet wird, das ausgeschaltete Zulassungsflag für den Konverterbetrieb eingeschaltet, um den Gleichspannungswandler 51 wieder in Betrieb zu setzen. Zum Zeitpunkt t14, wenn der Gleichspannungswandler 51 wieder in Berieb gesetzt wird, bleibt das Steuerflag eingeschaltet und der Spannungsbefehlswert für den Gleichspannungswandler 51 wird so eingestellt, daß er gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung ist. Damit wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf einen Wert zwischen dem unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung und dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung gesteuert.
Auf diese Weise wird der Betrieb des Gleichspannungswandlers 51 (eine Schaltaktion des Transistors) gestoppt (dies wird nachfolgend als intermittierender Stopp bezeichnet) unter den Bedingungen: „der Fahrmotor 54 ist abgeschaltet” und „die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 nimmt gegenüber dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung um ΔV ab”. Dies ermöglicht eine Reduzierung eines Schaltverlusts im Gleichspannungswandler 51 und eine Zunahme der Energieeffizienz.
Der Grund dafür, daß die vorstehend beschriebenen zwei Bedingungen für den intermittierenden Stopp des Gleichspannungswandlers 51 benutzt werden, wird nachfolgend erläutert. Falls der Betrieb des Gleichspannungswandlers 51 gestoppt wird, bevor der Fahrmotor 54 abgeschaltet ist, funktioniert die Spannungssteuerung des Brennstoffzellenstapels 20 durch den Gleichspannungswandler 51 nicht.
Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 wird damit durch den Fahrinverter 53 verringert. Als ein Ergebnis kann die Steuerung ausfallen oder die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 kann unter den unteren Grenzwert V2 der Betriebsspannung absinken.
Während die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung gehalten wird, kann eine ausreichende Menge des Reaktionsgases im Brennstoffzellenstapel 20 verbleiben, der deshalb die Leistungserzeugung fortsetzen kann. Falls in diesem Zustand die Aktion des Gleichspannungswandlers 51 gestoppt wird, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 um einen Betrag erhöht, der gleich einem Teil der Leistung des Brennstoffzellenstapels ist, der nicht vom Fahrinverter 53 verbraucht wird. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 kann dadurch den oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung überschreiten.
Andererseits, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gegenüber dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung um ΔV abnimmt, verbleibt nur eine kleine Menge des Reaktionsgases und die Leistungserzeugung wird gestoppt. Deshalb wird trotz des Stoppens der Aktion des Gleichspannungswandlers 51 die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 an einer Zunahme gehindert. Aus den vorstehend genannten Gründen werden die beiden oben genannten Bedingungen für den intermittierenden Stopp des Gleichspannungswandlers 51 benutzt.
Die 7 ist eine Tafel, die die Ausführungsbedingungen einer Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials zeigt.
Wie in der Zeichnung gezeigt, müssen alle der folgenden Bedingungen erfüllt werden, damit die Durchführung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials gestattet wird: (A1) der Ladezustand (SOC) der Batterie 52 weist einen Wert auf, der gleich oder niedriger ist als der Wert SOC1. (B1) das Fahrzeug führt kein regeneratives Bremsen durch und (C1) die Ermittlung zur Feststellung einer Gasleckage wird nicht durchgeführt. Andererseits müssen alle der folgenden Bedingungen erfüllt werden, damit die Durchführung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials verhindert wird: (A2) der Ladezustand der Batterie 52 weist einen Wert auf, der gleich oder niedriger ist als SOC2, (B2) das Fahreug führt ein regeneratives Bremsen durch und (C2) die Ermittlung zur Feststellung einer Gasleckage wird durchgeführt. (Batterie)
Die Steuervorrichtung 60 liest Signale, die von einem SOC-Fühler 73 ausgegeben werden, um periodisch einen Ladezustand der Batterie 52 festzustellen. Wenn der SOC der Batterie 52 gleich oder höher ist als SOC2 (beispielsweise 75%), schaltet die Steuervorrichtung 60 die eingeschaltete Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials aus, die Erfüllung der Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials, die gestattet wurde, wird verhindert. Während die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials abgeschaltet ist, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich der Leerlaufspannung gehalten. Andererseits schaltet die Steuervorrichtung 60, wenn der SOC der Batterie 52 gleich oder niedriger ist als SOC1 (beispielsweise 70%) die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials, die abgeschaltet wurde, wieder ein. Während die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials eingeschaltet ist, wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 steuerbar so eingestellt, daß sie gleich oder niedriger ist als der obere Grenzwert V1 der Betriebsspannung.
Bei der ersten Betriebsweise hält die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung, obwohl der Leistungserzeugungsbefehlswert für den Brennstoffzellenstapel 20 Null ist. Der Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt eine kleine Leistungsmenge als Ergebnis einer durch das verbleibende Reaktionsgas verursachten elektrochemischen Reaktion. Es wird erwartet, daß die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte kleine Leistungsmenge von den Hilfsvorrichtungen 55 als Verlust verbraucht werden kann. Jedoch kann es aufgrund einer Änderung der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung, einer Änderung des Leistungsverbrauchs der Hilfsvorrichtungen 55, oder dergleichen, mißlingen, die Leistung vollständig ausschließlich durch die Hilfsvorrichtungen 55 zu verbrauchen. In diesem Falle wird ein Teil der Leistung, der nicht von den Hilfsvorrichtungen verbraucht wird, in die Batterie 52 geladen. Falls jedoch die Batterie 52 einen hohen SOC aufweist, kann die Batterie überladen und zerstört werden. Deshalb wird, wie oben beschrieben, die eingeschaltete Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials unter der Bedingung ausgeschaltet, daß der SOC der Batterie 52 gleich oder höher ist als SOC2. Als Ergebnis kann die Batterie 52 davor bewahrt werden, durch Überladung zerstört zu werden.
In der obigen Beschreibung ist das Beispiel gezeigt, bei dem die Entscheidungsbedingung, aufgrund deren die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials ein- und ausgeschaltet wird, auf der Basis des SOC der Batterie 52 eingestellt wird. Jedoch kann die Entscheidungsbedingung so eingestellt werden, daß die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials auf der Basis der Ladekapazität der Batterie 52 ein- und ausgeschaltet wird. Beispielsweise wird die ausgeschaltete Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials eingeschaltet, wenn die Ladekapazität der Batterie 52 gleich oder niedriger wird als Win1 (beispielsweise –4 kW). Wenn die Ladekapazität der Batterie 52 gleich oder höher wird als Win2 (beispielsweise –2 kW), wird die eingeschaltete Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials ausgeschaltet. Jedoch muß die Entscheidungsbedingung, aufgrund deren die Steuerungsfunktion zur Vermeidung eines Hochpotentials ein- und ausgeschaltet wird, nicht notwendigerweise Hysteresismerkmale aufweisen.
(Regeneratives Bremsen)
Unter Bezugnahme auf die in 8 dargestellte Zeittafel wird die Steueraktion beschrieben, die es ermöglicht, daß die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials abhängig davon, ob regeneratives Bremsen durchgeführt wird oder nicht, ein- und ausgeschaltet wird. Die Zeittafel zeigt eine Reihe von Verfahren, bei welchen das Brennstoffzellenfahrzeug vom Fahrzustand zum regenerativen Bremsen übergeht. Wenn ein Fahrer zu einem Zeitpunkt t20 Druck auf das Bremspedal ausübt, führt der Fahrmotor 54 ein regeneratives Bremsen aus, um die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Zudem wird zum Zeitpunkt t20 ein ausgeschaltetes Regenerationsflag eingeschaltet. Das Regenerationsflag ist ein Informatkionsflag, das anzeigt, ob das Fahrzeug ein regeneratives Bremsen durchführt oder nicht. Während das Fahrzeug kein regeneratives Bremsen durchführt, ist das Regenerationsflag ausgeschaltet. Während das Fahrzeug regeneratives Bremsen durchführt, ist das Regenerationsflag eingeschaltet.
Wenn das Regenerationsflag eingeschaltet wird, ändert die Steuervorrichtung 60 den oberen Grenzwert der Spannung des Brennstoffzellenstapels 20 von dem oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung zur Leerlaufspannung, um der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels zu erlauben, den oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung zu überschreiten und die Leerlaufspannung zu erreichen. Während des regenerativen Bremsens ist die Lastanforderung für den Brennstoffzellenstapel 20 niedrig. Deshalb nimmt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 allmählich zu, gleicht der Leerlaufspannung zum Zeitpunkt t21 und bleibt dann gleich der Leerlaufspannung. Zum Zeitpunkt t21 und danach, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 gleich der Leerlaufspannung ist, ist der Leistungserzeugungsstrom Null.
Der Leistungserzeugungsstrom des Brennstoffzellenstapels 20 auf Null reduziert bedeutet, daß der Breimstoffzellenstapel 20 die Leistungserzeugung stoppt und die Notwendigkeit beseitigt, die erzeugte Leistung in der Batterie 52 zu speichern. Damit kann eine ausreichende Menge regenerativer Leistung in die Batterie 52 geladen werden. Dabei kennzeichnet die durch eine durchgehende Linie dargestellte regenerative Energie die Leistung, die während des regenerativen Bremsens durch Verhinderung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials in die Batterie 52 geladen werden kann. Die durch eine gepunktete Linie dargestellte regenerative Energie kennzeichnet die Leistung, die während des regenerativen Bremsens durch Ausführung der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials in der Batterie 52 gespeichert werden kann. Eine Differenz ΔW zwischen den beiden Leistungsarten zeigt, daß als Ergebnis der Beseitigung der Notwendigkeit, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Leistung während des regenerativen Bremsens in die Batterie 52 zu laden, mehr regenerative Leitung in der Batterie 52 zurückgewonnen werden kann.
Deshalb wird, wenn das Fahrzeug ein regeneratives Bremsen durchführt, die Funktion der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials abgeschaltet, um die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Leistung auf Null zurückzuführen. Demzufolge kann mehr regenerative Leistung in die Batterie 52 geladen werden, um die Energieeffizienz zu erhöhen.
Während des regenerativen Bremsens kann eine Steuerfunktion ausgeführt werden, die eher den oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung auf eine Spannung erhöht, die niedriger ist als die Leerlaufspannung, als die Funktion der Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials abzuschalten. Außerdem können, wenn die Batterien 52 einen niedrigen SOC aufweist, nicht nur die durch den Fahrmotor 54 zurück gewonnene regenerative Leistung, sondern auch die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Leistung in die Batterie 52 geladen werden. Somit kann die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials unter der Bedingung abgeschaltet werden, daß das regenerative Bremsen ausgeführt wird, wenn der SOC der Batterie 52 gleich oder höher ist als ein vorgegebener Wert.
Zudem kann der Zielwert der Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials während des regenerativen Bremsens abhängig von der Fahrweise (D-B-Bereich) des Fahrzeugs verändert werden. Dabei ist D der Bereich für das normale Fahren. Der B-Bereich ist eine Fahrweise, die verwendet wird, wenn eine Bremskraft erforderlich ist, die stärker ist als jene, die während der normalen Fahrweise benutzt wird, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn das Fahrzeug bergab fährt. Während des regenerativen Bremsens durch den Fahrmotor 54 wird ein Rückgewinnungsdrehmoment in Leistung umgewandelt, die dann in die Batterie 52 geladen wird. Damit wird, wenn die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials selbst während des regenerativen Bremsens ausgeführt wird, das nachfolgende Leistungsgleichgewicht bewirkt: Geladene Batterieleistung + Verbrauchsleistung der Hilfsvorrichtung = Regenerativleistung des Motors + erzeugte Brennstoffzellenleistung (4)
Die Formel (4) weist darauf hin, daß eine erhöhte Menge der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung während des Bremsens des Fahrzeugs die Regenerativleistung des Motors reduziert. In diesem Falle ist ein ausreichendes Bremsmoment nicht sichergestellt. Somit wird während des Bremsens des Fahrzeugs vorzugsweise die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials erhöht, um die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zu reduzieren und ein ausreichendes Bremsmoment zur Verfügung zu stellen. Deshalb stellt die Steuervorrichtung 60 veränderlich die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials ein, so daß die Formel (5) während des Bremsens des Fahrzeugs zutrifft: Geladene Batterieleistung + Verbrauchsleistung der Hilfsvorrichtung ≥ Regenerativleistung des Motors + erzeugte Brennstoffzellenleistung (5)
Dabei kann die aus der Beziehung in der Formel (5) hergeleitete Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials in einem ROM in der Steuervorrichtung 60 als solche Kurvendaten festgehalten werden, wie sie in 9 gezeigt sind. In 9 zeigt die Abszissenachse die regenerative Leistung. Die Ordinatenachse zeigt die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials. Die B- und D/R-Bereiche involvieren unterschiedliche Bremsmomente und werden deshalb als unterschiedliche Kurvendaten dargestellt. Eine durchgehende Linie stellt die Kurvendaten für den D-Bereich, eine gestrichelte Linie die Kurvendaten für den B-Bereich dar. Die Steuervorrichtung 60 stellt basierend auf einer Schaltposition fest, ob die Fahrweise des Fahrzeugs dem D-Bereich oder dem B-Bereich zuzuordnen ist. Falls die Fahrweise der B-Bereich ist, erhöht die Steuervorrichtung 60 den Zielwert der Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials im Vergleich zu jenem, der eingestellt ist, wenn die Fahrweise der D-Bereich ist, um eine starke Bremskraft zu sichern. Somit kann das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessert werden.
(Feststellen einer Gasleckage)
Unter Bezugnahme auf eine in 10 gezeigte Zeittafel wird eine Betriebssteuerung beschrieben, die es ermöglicht, die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials ein- und auszuschalten, abhängig davon, ob die Feststellung einer Gasleckage stattfindet oder nicht. Die Zeittafel zeigt eine Reihe von Steuerverfahren zur Feststellung, ob Gas (Wasserstoff) aus dem Brenngaszweig im Brennstoffzellensystem 10 leckt oder nicht, während die gestoppte Brennstoffzellenbatterie in der ersten Betriebsweise betrieben wird.
Zum Zeitpunkt t30 wird, wenn aufgrund des Stopps des Brennstoffzeflenfahrzeugs die Leistungsanforderung für den Brennstoffzellenstapel 20 niedriger wird als ein vorgegebener Wert, das abgeschaltete Steuerflag eingeschaltet. Dann betreibt die Steuervorrichtung 60 steuerbar den Brennstoffzellenstapel 20 in der ersten Betriebsweise.
Wenn das gestoppte Brennstoffzellenfahrzeug startet, um gesteuert in der ersten Betriebsweise betrieben zu werden, aktiviert die Steuervorrichtung 60 eine Routine zur Feststellung einer Gasleckage, um zu ermitteln, ob Wasserstoff aus dem Brenngaszweig leckt oder nicht. Wenn die Routine zur Feststellung einer Gasleckage aktiviert ist, werden sowohl das Absperrventil H3, das stromauf von einer Brenngaseinmündung in den Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wie auch ein Absperrventil H4, das stromab von einer Brenngasausmündung angeordnet ist, geschlossen. Somit wird ein geschlossener Raum innerhalb des Brenngaszweigs ausgebildet. Der Gasdruck innerhalb des geschlossenen Raums wird durch den Druckfühler 74 festgestellt. Das Auftreten einer Gasleckage wird festgestellt, wenn der Betrag, um den der Gasdruck innerhalb des geschlossenen Raums pro Zeiteinheit abnimmt, gleich oder größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Zum Zeitpunkt t30, wenn die Routine zur Feststellung einer Gasleckage aktiviert ist, wird ein abgeschaltetes Gasleckageermittlungsflag eingeschaltet. Das Gasleckageermittlungsflag ist ein Informationsflag, das anzeigt, ob das Verfahren zur Feststellung einer Gasleckage ausgeführt wird oder nicht. Während das Verfahren zur Feststellung einer Gasleckage ausgeführt wird, ist das Gasleckageermittlungsflag eingeschaltet. Während das Verfahren zur Feststellung einer Gasleckage nicht ausgeführt wird, ist das Gasleckageermittlungsflag ausgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t30, wenn das Gasleckageermittlungsflag eingeschaltet wird, wird ein der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnetes Flag ausgeschaltet. Das der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnete Flag ist ein Informationsflag, das anzeigt, ob eine Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials zugelassen ist oder nicht. Wenn die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials zugelassen ist, ist das der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnete Flag eingeschaltet. Wenn die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials untersagt ist, ist das der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnete Flag ausgeschaltet. Wenn während der Feststellung einer Gasleckage die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials untersagt ist, beginnt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 allmählich vom oberen Grenzwert V1 zum Zeitpunkt t30 an anzusteigen und erreicht möglicherweise die Leerlaufspannung. Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 einmal der Leerlaufspannung gleicht, wird die Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 gestoppt.
Zum Zeitpunkt t31, wenn die für die Feststellung der Gasleckage erforderliche Zeit abläuft, um das Verfahren zur Feststellung einer Gasleckage zu vollenden, wird ein abgeschaltetes Flag zur Anzeige der Vollendung der Leckagefeststellung eingeschaltet. Das Flag zur Anzeige der Vollendung der Leckagefeststellung ist ein Informationsflag, das anzeigt, ob die Feststellung der Gasleckage vollendet wurde oder nicht. Wenn die Feststellung der Gasleckage vollendet wurde, wird das Flag zur Anzeige der Vollendung der Leckagefeststellung eingeschaltet. Bevor die Feststellung der Gasleckage vollendet wird, ist das Flag zur Anzeige der Vollendung der Leckagefeststellung ausgeschaltet.
Des weiteren wird zum Zeitpunkt t31, wenn die Feststellung der Gasleckage vollendet ist, das eingeschaltete Gasleckageermittlungsflag ausgeschaltet und das ausgeschaltete, der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnete Flag wird eingeschaltet. Wenn das ausgeschaltete, der Vermeidung eines Hochpotentials zugeordnete Flag eingeschaltet wird, beginnt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zum Zeitpunkt t31 sich allmählich gegenüber der Leerlaufspannung zu verringern und erreicht eventuell den oberen Grenzwert V1 der Betriebsspannung. Wenn das Verfahren zur Feststellung einer Gasleckage vollendet ist, werden die Absperrventile 81 und 82 geöffnet.
Auf diese Weise wird der geschlossene Raum innerhalb des Brenngaszweigs ausgebildet und der Betrag der Abnahme des Gasdrucks innerhalb des geschlossenen Raums nach der vorgegebenen Zeitspanne gemessen. Demzufolge erzeugt der Brennstoffzellenstapel 20, wenn die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials während der Feststellung einer Gasleckage gestattet ist, Leistung, um das Wasserstoffgas innerhalb des geschlossenen Raums zu verbrauchen, was zu einer möglicherweise falschen Feststellung führt. Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Steuerung zur Vermeidung eines Hochpotentials während der Feststellung einer Gasleckage untersagt. Dies gestattet die Verhinderung des durch Leistungserzeugung mittels des Brennstoffzellenstapels 20 verursachten Verbrauchs von Wasserstoffgas innerhalb des geschlossenen Raums, was eine genaue Feststellung der Gasleckage ermöglicht.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Konstruktion dargestellt, in der das Brennstoffzellensystem 10 als ein in ein Fahrzeug eingebautes Leistungsversorgungssystem benutzt wird. Jedoch ist die Gestaltung des Brennstoffzellensystems 10 nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 10 in jedem beliebigen beweglichen Objekt (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen) anders als ein Brennstoffzellenfahrzeug, als Leistungsquelle benutzt werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Leistungserzeugungseinrichtung (stationäres Leistungserzeugungssystem) eines Bauwerks, wie ein Haus oder ein Gebäude, benutzt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der obere Grenzwert der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle derart eingestellt, daß er gleich der Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials niedriger als die Leerlaufspannung ist. Dadurch kann der Katalysator davor bewahrt werden, durch eine Zunahme der Ausgangsspannung bis zur Leerlaufspannung beeinträchtigt zu werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10) umfassend: eine Brennstoffzelle (20), die zur Leistungserzeugung ein zugeführtes Reaktionsgas empfängt, und eine Steuervorrichtung (60), die derart ausgebildet ist, dass sie, wenn eine Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) geringer ist als ein vorgegebener Wert, steuerbar die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle (20) stoppt, und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) gleich einer Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials hält, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, und, wenn die Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) gleich oder größer ist als ein vorgegebener Wert, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) steuert, wobei die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials als oberer Grenzwert eingestellt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Gleichspannungswandler (51), der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) steuert, wobei falls die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle (20) geringer ist als der vorgegebene Wert, stoppt die Steuervorrichtung (60) den Betrieb des Gleichspannungswandlers (51), wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) um eine vorgegebene Spannung niedriger wird als die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine elektrische Speichervorrichtung (52), wobei, falls die von der Brennstoffzelle (20) erzeugte Leistung die Summe der Leistung übersteigt, die in die elektrische Speichervorrichtung (52) geladen und von einer Hilfsvorrichtung verbraucht werden kann, die Steuervorrichtung (60) die Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung gestattet.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Fahrmotor (54), wobei, während der Fahrmotor (54) regeneratives Bremsen durchführt, die Steuervorrichtung (60) eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung zuläßt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Mehrzahl von Absperrventilen (A1, A2) in einem Versorgungszweig (30, 40) für die Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle (20), wobei die Steuervorrichtung (60) zur Bildung eines geschlossenen Raums in diesem Versorgungszweig (30, 40) die Mehrzahl der Absperrventile schließt und die Steuervorrichtung (60) eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung zuläßt, während zur Feststellung einer möglichen Gasleckage eine mögliche Änderung des Gasdrucks innerhalb des geschlossenen Raums festgestellt wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (20) ein Brennstoffzellenstapel ist, der eine Mehrzahl von gestapelten Zellen aufweist, und eine Steuervorrichtung (60) die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials derart korrigiert, daß die höchste Ausgangsspannung aus der Zellenmehrheit gleich oder geringer ist als ein vorgegebener Wert.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (20), die zur Leistungserzeugung ein zugeführtes Reaktionsgas empfängt, wobei das Verfahren aufweist: steuerbares Stoppen der Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle (20), wenn eine Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) geringer ist als ein vorgegebener Wert, und Halten einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) gleich einer Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials, die niedriger ist als eine Leerlaufspannung, und, wenn die Leistungsanforderung für die Brennstoffzelle (20) gleich oder größer ist als ein vorgegebener Wert, Steuern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20), wobei die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials als oberer Grenzwert eingestellt ist.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter einen Gleichspannungswandler (51) umfasst, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) steuert, wobei falls die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle (20) geringer ist als der vorgegebene Wert, der Betrieb des Gleichspannungswandlers (51) gestoppt wird, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) um eine vorgegebene Spannung niedriger wird als die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter eine elektrische Speichervorrichtung (52) umfasst, wobei, falls die von der Brennstoffzelle (20) erzeugte Leistung die Summe der Leistung übersteigt, die in die elektrische Speichervorrichtung (52) geladen und von einer Hilfsvorrichtung verbraucht werden kann, die Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung gestattet wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter einen Fahrmotor (54) umfasst, wobei, während der Fahrmotor (54) regeneratives Bremsen durchführt, eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung zugelassen wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (10) weiter eine Mehrzahl von Absperrventilen (A1, A2) in einem Versorgungszweig (30, 40) für die Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle (20) umfasst, wobei die Mehrzahl der Absperrventile zur Bildung eines geschlossenen Raums in diesem Versorgungszweig (30, 40) geschlossen wird und eine Zunahme der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) bis zur Leerlaufspannung zugelassen wird, während zur Feststellung einer möglichen Gasleckage eine mögliche Änderung des Gasdrucks innerhalb des geschlossenen Raums festgestellt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei die Brennstoffzelle (20) ein Brennstoffzellenstapel ist, der eine Mehrzahl von gestapelten Zellen aufweist, und die Spannung zur Vermeidung eines Hochpotentials derart korrigiert wird, daß die höchste Ausgangsspannung aus der Zellenmehrheit gleich oder geringer ist als ein vorgegebener Wert.