DE112008003019T5

DE112008003019T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008003019T5
Application number: DE112008003019T
Authority: DE
Inventors: Shinji Toyota Aso; Shigeto Toyota Kajiwara; Naohisa Toyota Tsuchiya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2028-10-18
Also published as: DE112008003019B4; JP2010135341A; JP2009135066A; JP5077836B2; US8951685B2; CN101855762A; US20100291446A1; JP4479787B2; CN101855762B

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle; und
eine Steuereinrichtung, die Betriebsabläufe der Brennstoffzelle steuert, wobei
die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle gemäß einer Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle trocken steuert.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, und genauer eine Wassergehaltsteuerung einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
In einem Brennstoffzellensystem werden ein Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoffgas, und ein Oxidierungsgas, wie beispielsweise Luft, zu einer Brennstoffzelle geliefert. Die Brennstoffzelle erzeugt anhand einer Leistungserzeugungsreaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidierungsgas Leistung, und erzeugt auf einer Luftelektroden-Seite Wasser. Bei einer Protonentauschermembran-Brennstoffzelle ist eine Elektrolytmembran für die Leitung der Protonen während der Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidierungsgas zuständig. Um die Leistungserzeugungsreaktion wirksam aufrechtzuerhalten, muss daher eine Feuchtigkeitsbedingung bzw. die Feuchtigkeit der Elektrolytmembran überwacht und auf einen geeigneten Zustand gesteuert werden.
Die Protonentauschermembran-Brennstoffzelle wird bei etwa 60 bis 80 Grad C betrieben. Es kann jedoch vorkommen, dass die Brennstoffzelle in Umgebungen verwendet wird, wo die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Wenn die Brennstoffzelle in einer Umgebung, wo die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen, über längere Zeit abgeschaltet bleibt, könnte das innerhalb der Brennstoffzelle enthaltene Wasser (erzeugtes Wasser oder erzeugter Wasserdampf) bis zur nächsten Aktivierung des Systems gefrieren, und infolgedessen könnte die nächste Systemaktivierung nicht zufriedenstellend ablaufen oder sie könnte länger dauern als üblich.
Die japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2004-111196 offenbart ein Verfahren zum Unterdrücken des Einfrierens einer Zelle nach deren Abschaltung. In diesem Verfahren wird, wenn Abschaltbedingungen erfüllt sind, die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidierungsgases unterbrochen, und ein Ausgangsstrom, der aus der Brennstoffzelle abgenommen werden soll, wird unterbrochen. Nach dieser Unterbrechung werden getrocknetes Brenngas und getrocknetes Oxidierungsgas (im Folgenden als „Trockengase” bezeichnet) zur Brennstoffzelle geliefert, und ein relativ geringer Ausgangsstrom wird aus der Brennstoffzelle abgenommen. Anschließend wird die Trockengaszufuhr unterbrochen, und der Betrieb der Brennstoffzelle wird unterbrochen bzw. angehalten.
Offenbarung der Erfindung
Probleme, die der Erfindung zugrunde liegen
Ein solches Verfahren zur Unterdrückung eines Einfrierens bzw. einer Eisbildung beinhaltet jedoch eine vorübergehende Aussetzung der Abnahme von Ausgangsstrom aus der Brennstoffzelle und eine anschließende Wiederaufnahme der Ausgangsstromabnahme. Infolgedessen dauert es lange, bis das Brennstoffzellensystem schließlich zum Stillstand kommt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das in der Lage ist, die erforderliche Zeit zum Anhalten des Brennstoffzellensystems zu verkürzen und das Einfrieren einer Brennstoffzelle zu unterdrücken.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die oben beschriebenen Ziele zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb der Brennstoffzelle steuert, auf, wobei die Steuereinrichtung die Brenn stoffzelle gemäß einer Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle in einer Trockenheitsbedingung bzw. trocken betreibt.
Da die so ausgelegte Brennstoffzelle schon während des Betriebs der Brennstoffzelle trocken betrieben werden kann, kann daher der Wassergehalt der Brennstoffzelle vorab gesenkt werden. Somit kann ein Einfrieren der Brennstoffzelle unterdrückt werden, ohne dass eine Behandlung zum Senken des Wassergehalts in der Brennstoffzelle durchgeführt werden müsste, nachdem ein Befehl zum Anhalten des Brennstoffzellensystems ausgegeben wurde. Falls eine solche Behandlung doch durchgeführt wird, kann die benötigte Zeit zum Abschalten des Brennstoffzellensystems verkürzt werden, da die Zeit, die für die Behandlung nötig ist, verkürzt werden kann. Da die Brennstoffzelle gemäß der Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle trocken betrieben werden kann, können außerdem Operationen durchgeführt werden, die auf den Zustand der Brennstoffzelle abgestimmt sind.
Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle trocken betreiben, bevor der Systemabschaltbefehl ausgegeben wird, oder, anders ausgedrückt, bevor ein Befehl zum Anhalten des Brennstoffzellensystems ausgegeben wird.
Eine solche Anordnung ermöglicht die Senkung des Wassergehalts der Brennstoffzelle vor Ausgabe des Systemabschaltbefehls. Somit kann im Vergleich zu dem Fall, dass die Brennstoffzelle trocken betrieben wird, nachdem ein Systemabschaltbefehl ausgegeben wurde, das Trocknen der Brennstoffzelle nach Ausgabe des Systemabschaltbefehls in kürzerer Zeit durchgeführt werden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle aus einem Betrieb unter einer Trockenheitsbedingung bzw. einem Trockenbetrieb in einen Betrieb unter einer Nässebedingung bzw. einen Nassbetrieb umschalten, wenn eine von der Brennstoffzelle geforderte Ausgangsleistung bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt.
Infolgedessen kann die Leistung, die vom Brennstoffzellensystem verlangt wird, gewährleistet werden. Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich, wenn ein Trockenbetrieb der Brennstoffzelle in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beschränkt ist.
Gemäß einem anderen bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle von einem Trockenbetrieb in einen Nassbetrieb umschalten, wenn eine Fahrgeschwindigkeit eines beweglichen Objekts, in dem das Brennstoffzellensystem installiert ist, bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt.
Infolgedessen kann eine Antriebsleistung des beweglichen Objekts gewährleistet werden, und eine benötigte Fahrgeschwindigkeit des beweglichen Objekts kann erreicht werden. Man beachte, dass der Ausdruck „wenn eine Fahrgeschwindigkeit bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt” beispielsweise einen Fall meint, wo die Geschwindigkeit eines beweglichen Objekts während einer Abbremsung eine Geschwindigkeit erreicht oder übertrifft, unter der die Brennstoffzelle wieder zu einer Trockenheitsbedingung zurückkehren kann.
Vorzugsweise kann die oben genannte Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle eine Impedanz der Brennstoffzelle sein.
Somit kann die Feuchtigkeitsbedingung bzw. die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle mit einem hohen Grad an Genauigkeit festgestellt werden, und es kann auf angemessene Weise entschieden werden, ob die Brennstoffzelle trocken oder nass betrieben werden soll.
Wenn ein Impedanz-Sollwert deutlich von einem entsprechenden Messwert abweicht, kann die Steuervorrichtung vorzugsweise die Brennstoffzelle durch stufenweises Erhöhen des Trockenheitsgrads der Brennstoffzelle trocken betreiben.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Brennstoffzellensystem ferner eine Zufuhreinrichtung aufweisen, die ein Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, und die Steuereinrichtung kann eine Messeinrichtung zum Messen einer Impedanz aufweisen. Außerdem kann die Steuereinheit auf Basis einer gemessenen Impedanz einen Restwassermengen-Sollwert der Brennstoffzelle für eine Trockenheitsbedingung bestimmen und eine Sollmenge für das zur Brennstoffzelle gelieferte Oxidierungsgas bestimmen, damit der Sollwert erreicht wird. Dabei kann die Steuereinrichtung einen in der Brennstoffzelle aktuell vorhandenen Wassergehalt auf Basis der gemessenen Impedanz schätzen, die Sollmenge für das zur Brennstoffzelle gelieferte Oxidierungsgas auf Basis des Wassergehalts korrigieren und die Zufuhreinrichtung derart steuern, dass die korrigierte Zufuhrmenge erreicht wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung eine Messeinheit zum Messen einer Impedanz und eine Recheneinheit zum Berechnen einer Restwassermenge der Brennstoffzelle beinhalten. Wenn die Messeinheit die Impedanz nicht messen kann, kann die Steuereinrichtung einen Wassergehalt der Brennstoffzelle unter Verwendung einer Restwassermenge, die von der Recheneinheit berechnet wird, schätzen und die Brennstoffzelle auf Basis des geschätzten Wassergehalts trocken betreiben.
Auch wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann, kann somit eine Fehlersicherung, bei der die Brennstoffzelle trocken betrieben werden kann, durch Schätzen des Wassergehalts der Brennstoffzelle unter Verwendung der Restwassermenge erreicht werden.
Stärker bevorzugt kann die Steuereinrichtung bei der Schätzung des Wassergehalts der Brennstoffzelle die Impedanz, die als letztes von der Messeinheit gemessen wurde, zusätzlich zur Restwassermenge, die von der Recheneinheit berechnet wird, verwenden.
Somit kann die Genauigkeit der Wassergehaltsschätzung für die Brennstoffzelle verbessert werden.
Gemäß einem anderen bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung den Trockenbetrieb der Brennstoffzelle verhindern, wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann.
Infolgedessen kann in einem Zustand, wo nicht klar ist, ob die Brennstoffzelle nass oder trocken ist, eine Steuerung der Brennstoffzelle, die bewirkt, dass die Brennstoffzelle eine Trockenheitsbedingung annimmt und die Brennstoffzelle zu stark austrocknet, vermieden werden.
Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Zeitnehmer zum Messen eines Impedanzmessintervalls aufweisen. Die Steuereinrichtung kann einen Trockenbetrieb der Brennstoffzelle verhindern, wenn das vom Zeitnehmer gemessene Messintervall einen Schwellenwert überschreitet.
Wenn das Messintervall den Schwellenwert nicht überschreitet, kann somit die Brennstoffzelle unter der Annahme, dass die Impedanz normal gemessen werden kann, auf Basis des Messwerts trocken betrieben werden. Wenn das Messintervall den Schwellenwert dagegen überschreitet, kann unter der Annahme, dass die Impedanz nicht normal gemessen werden kann, ein Trockenbetrieb der Brennstoffzelle verhindert werden. Eine solche Handhabung des Zeitnehmers trägt dazu bei, ein zu starkes Austrocknen der Brennstoffzelle zu unterdrücken.
Wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann, kann die Steuereinrichtung vorzugsweise den Betrieb der Brennstoffzelle von trocken auf normal umschalten.
Somit kann ein Trockenbetrieb der Brennstoffzelle vermieden werden und eine Wassergehaltsbedingung bzw. ein Wassergehalt der Brennstoffzelle kann wieder auf normal zurückgebracht werden.
Hierbei gibt es viele Methoden für die Änderung einer Brennstoffzellen-Betriebsbedingung in trocken oder nass. Beispielsweise kann die Bedingung in der Brennstoffzelle durch Begrenzen der Elektrizitätserzeugungskapazität der Brennstoffzelle, Erhö hen der Brennstoffzellentemperatur oder Verringern einer Abkühlung durch ein Kühlmittel in trocken geändert werden. Außerdem kann die Brennstoffzellen-Betriebsbedingung durch Variieren einer Strömungsrate, eines Drucks, einer Temperatur oder einer Taupunkttemperatur des Oxidierungsgases oder einer Strömungsrate, eines Drucks, einer Spülfrequenz oder einer Taupunkttemperatur des Brenngases in trocken oder nass geändert werden.
Beste Weise für die Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, kann ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Fahrzeug 100 eingebaut sein, bei dem es sich um ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV), ein Elektroauto, ein Hybridauto oder dergleichen handelt. Jedoch ist das Brennstoffzellensystem 1 außer auf das Fahrzeug 100 auch auf andere bewegliche Objekte (beispielsweise ein Schiff, ein Flugzeug oder einen Roboter) oder auf stationäre Leistungsquellen anwendbar.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist auf: eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Brenngas-Leitungssystem 4, das Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Kühlmittel-Leitungssystem 5, das ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Leistungssystem 6, das Leistung des Systems 1 lädt/entlädt, und eine Steuereinrichtung 7, die den Betrieb des Systems 1 insgesamt steuert. Das Oxidierungsgas und das Brenngas können mit dem Oberbegriff Reaktionsgas bezeichnet werden.
Die Brennstoffzelle 2 besteht beispielsweise aus einer Protonentauschermembran-Brennstoffzelle und weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine große Zahl von Einzelzellen gestapelt ist. Eine Einzelzelle weist auf: eine Luftelektrode an einer Fläche eines Elektrolyten, der aus einer Ionentauschermembran besteht, und eine Brennstoffelektrode an der anderen Fläche des Elektrolyten, sowie ein Paar Separatoren, die von zwei Seiten an der Luftelektrode bzw. der Brennstoffelektrode anliegen. Das Oxidierungsgas wird zu einem Oxidierungsgas-Strömungskanal 2a eines der Separatoren geliefert, während das Brenngas zu einem Brenngas-Strömungsweg 2b des anderen Separators geliefert wird. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem zugeführten Brenngas und Oxidierungsgas. Die elektrochemische Reaktion an der Brennstoffzelle 2 ist eine exotherme Reaktion, und die Protonentauschermembran-Brennstoffzelle 2 erreicht während des Betriebs eine Temperatur von ungefähr 60 bis 80 Grad C.
Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist einen Zufuhrkanal 11 und einen Ausfuhrkanal 12 auf. Das Oxidierungsgas, das zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird, strömt durch den Zufuhrkanal 11. Oxidationsabgas, das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, strömt durch den Ausfuhrkanal 12. Das Oxidationsabgas enthält Feuchtigkeit, die durch die Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 erzeugt wird, und ist daher sehr feucht.
Die Zufuhrleitung 11 ist mit einem Kompressor 14 und einem Befeuchter 15 versehen. Der Kompressor 14 ist eine Zufuhreinrichtung, die Außenluft über einen Luftreiniger 13 ansaugt und die Luft unter Druck zur Brennstoffzelle 2 liefert. Der Befeuchter 15 führt einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem kaum feuchten Oxidierungsgas, das durch den Zufuhrkanal 11 strömt, und dem sehr feuchten Oxidationsabgas, das durch den Ausfuhrkanal 12 strömt, durch und befeuchtet das Oxidierungsgas, das zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird, ausreichend. Ein Gegendruck-Regelventil 16 reguliert den Gegendruck auf einer Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2. Das Gegendruck-Regelventil 16 ist in der Nähe eines Luftelektroden-Auslasses des Ausfuhrkanals 12 angeordnet. Ein Druck-Sensor P1, der den Druck im Ausfuhrkanal 12 erfasst, ist in der Nähe des Gegendruck-Regelventils 16 vorgesehen. Das Oxidationsabgas wird schließlich als Abgas über das Gegendruck-Regelventil 16 und den Befeuchter 15 aus dem System in die Außenluft ausgeführt.
Das Brenngas-Leitungssystem 4 weist auf: eine Wasserstoff-Zufuhrquelle 21, einen Zufuhrkanal 22, durch den Wasserstoffgas, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 21 geliefert wird, zur Brennstoffzelle 2 strömt, einen Umwälzkanal 23 für die Rückführung von Wasserstoffabgas, das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, zu einer Mündung A des Zufuhrkanals 22, eine Pumpe 24 für die Zwangszuführung des Wasserstoffabgases im Umwälzkanal 23 zum Zufuhrkanal 22 und einen Spülkanal 25, der vom Umwälzkanal 23 abzweigt. Wenn ein Quellenventil 26 geöffnet wird, wird das Wasserstoffgas, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 21 zum Zufuhrkanal 22 strömt, über ein Regulierungsventil 27 und andere Druckentlastungsventile und über ein Sperrventil 28 zur Brennstoffzelle 2 geliefert. Ein Spülventil 33 zum Ausführen von Wasserstoffabgas zu einem Wasserstoffverdünner (nicht dargestellt) ist im Spülkanal 25 vorgesehen.
Das Kühlmittel-Leitungssystem 5 weist auf: einen Kühlmittel-Strömungskanal 41, der mit einem Kühlmittel-Strömungskanal 2c in der Brennstoffzelle 2 in Verbindung steht, eine Kühlpumpe 42, die im Kühlmittel-Strömungskanal 41 vorgesehen ist, einen Kühler 42, der ein Kühlmittel, das aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, kühlt, einen Umgehungskanal 44, der den Kühler 43 umgeht, und ein Schaltventil 45, um einen Kühlwasserstrom, der am Kühler 43 und am Umgehungskanal 44 vorbeiströmt, einzustellen. Der Kühlmittel-Strömungskanal 41 weist einen Temperatur-Sensor 46 auf, der in der Nähe eines Kühlmittel-Einlasses der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist, und einen Temperatur-Sensor 47, der in der Nähe eines Kühlmittel-Auslasses der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist.
Die Kühlpumpe 42 wird von einem Motor angetrieben, um das Kühlmittel im Kühlmittel-Strömungskanal in Bezug auf die Brennstoffzelle 2 umzuwälzen. Die Kühlmitteltemperatur, die vom Temperatur-Sensor 47 erfasst wird, gibt eine Innentemperatur der Brennstoffzelle 2, oder anders ausgedrückt eine Zelleninnentemperatur (im Folgenden als „BZ-Temperatur” bezeichnet) wieder. Alternativ dazu kann der Temperatur-Sensor separat vorgesehen sein, um die Temperatur der Brennstoffzelle 2 direkt zu erfassen. Das Schaltventil 45 umfasst beispielsweise ein Drehventil.
Das Leistungssystem 6 weist einen Hochspannungswandler 61, eine Batterie 62, einen Traktionswechselrichter 63, einen Fahrmotor 64 und Hilfswechselrichter 65, 66 und 67 verschiedener Arten auf. Der Hochspannungswandler 61 ist ein Gleichspannungswandler und beinhaltet eine Funktion zum Regulieren einer Gleichspannung, die von der Batterie 62 eingegeben wird, und zum Ausgeben der Gleichspannung an die Seite des Traktionswechselrichters 63, sowie eine Funktion zum Regulieren einer Gleichspannung, die von der Brennstoffzelle 2 oder vom Fahrmotor 64 eingegeben wird, und zum Ausgeben der Gleichspannung an die Batterie 62. Das Aufladen/Entladen der Batterie 62 wird von diesen Funktionen des Hochspannungswandlers 61 verwirklicht. Außerdem wird eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 vom Hochspannungswandler 61 gesteuert.
Der Traktions-Wechselrichter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom um und liefert den dreiphasigen Wechselstrom zum Fahrmotor 64. Der Fahrmotor 64 ist beispielsweise ein dreiphasiger Wechselstrommotor. Der Fahrmotor 64 stellt eine primäre Leistungsquelle des Fahrzeugs 100 dar, in dem das Brennstoffzellensystem 1 installiert ist, und ist mit Rädern 101L und 101R des Fahrzeugs 100 gekoppelt. Die Hilfswechselrichter 65, 66 und 67 steuern die Ansteuerung der Motoren des Kompressors 14, der Pumpe 24 bzw. der Kühlpumpe 42.
Die Steuereinrichtung 7 ist als Mirkocomputer aufgebaut, der intern mit einer CPU, einem ROM und einem RAM versehen ist. Die CPU führt gewünschte Berechnungen gemäß einem Steuerprogramm durch und führt verschiedene Verarbeitungen und Steuerungen aus, beispielsweise eine Steuerung des Wassergehalts der Brennstoffzelle 2. Das ROM speichert Steuerprogramme und Steuerdaten, die von der CPU verarbeitet werden. Das RAM wird in erster Linie für verschiedene Aufgaben bzw. Arbeitsgebiete im Zusammenhang mit Steuerungen und Verarbeitungen verwendet.
Die Steuereinrichtung 7 empfängt als Eingaben Erfassungssignale von verschiedenen Sensoren, einschließlich eines Druck-Sensors (P1), der Temperatur-Sensoren (46 und 47), eines Spannungs-Sensors, eines Strom-Sensors, eines Beschleunigungselementöffnungs-Sensors, eines Umgebungslufttemperatur-Sensors 71 und eines Geschwindigkeits-Sensors 75. Der Beschleunigungselementöffnungs-Sensor erfasst eine Öffnung des Beschleunigungselements bzw. Gaspedals des Fahrzeugs 100. Der Umgebungslufttemperatur-Sensor 71 erfasst eine Außenlufttemperatur der Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 1 sich befindet. Der Geschwindigkeits-Sensor 75 erfasst eine Reisegeschwindigkeit (Fortbewegungsgeschwindigkeit) des Fahrzeugs 100. Die Steuereinrichtung 7 empfängt eine Eingabe von Erfassungssignalen von diesen Sensoren und gibt Steuersignale an die verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 aus.
Als Funktionsblöcke zum Verwirklichen einer Wassergehaltssteuerung der Brennstoffzelle 2 weist die Steuereinrichtung 7 eine Speichereinheit 121, eine Impedanzmesseinheit 122, eine Restwassermengen-Berechungseinheit 123 und eine Betriebssteuereinheit 125 auf. Die Speichereinheit 121 speichert verschiedene Programme, um eine Steuerung des Wassergehalts der Brennstoffzelle 2 zu verwirklichen, ebenso wie verschiedene Kennfelder, die noch beschrieben werden. Die verschiedenen Kennfelder werden vorab entweder experimentell oder durch Simulationen ermittelt.
Die Impedanzmesseinheit 122 misst eine aktuelle Impedanz der Brennstoffzelle 2 beispielsweise anhand einer Wechselstromimpedanz-Methode. Durch Messen der Impedanz der Brennstoffzelle 2 kann ein Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 geschätzt werden. Anders ausgedrückt kann auf Basis eines Messergebnisses der Impedanzmesseinheit 122 festgestellt werden, ob die Brennstoffzelle 2 trocken oder nass ist. Die Impedanzmesseinheit 122 misst die Impedanz der Brennstoffzelle 2 auf Basis eines Überlagerungs-Sinuswellensignals anhand eines bekannten Verfahrens.
Die Restwassermengen-Berechnungseinheit 123 berechnet eine Restwassermenge W der Brennstoffzelle 2. Eine Restwassermenge bzw. ein Wasserausgleich bzw. eine Wasserbilanz W kann aus einer in die Brennstoffzelle 2 einströmenden Wassermenge Wx, einer aus der Brennstoffzelle 2 abströmenden Wassermenge Xy und einer von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Wassermenge Wz berechnet werden. Ein Vergleichsausdruck dafür kann wie folgt ausgedrückt werden. W = Wx – Wy + Wz
Die Wasserbilanz bzw. Restwassermenge W ist eine Restwassermenge der gesamten Brennstoffzelle 2, eine Restwassermenge auf der Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2 oder eine Restwassermenge auf der Brennstoffelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2. Vorzugsweise ist die Restwassermenge W entweder die Restwassermenge der gesamten Brennstoffzelle 2 oder eine Restwassermenge auf der Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2.
Was beispielsweise die Restwassermenge der gesamten Brennstoffzelle 2 betrifft, so ist die einströmende Wassermenge Wx eine Wassermenge, die im Oxidierungsgas und im Brenngas enthalten ist, die zur Brennstoffzelle 2 geliefert werden, und kann aus einer Zufuhrströmungsrate, einem Zufuhrdruck und einer Feuchtigkeit des Reaktionsgases berechnet werden. Außerdem ist die abströmende Wassermenge Wy eine Wassermenge, die im Oxidierungsgas und im Brenngas enthalten ist, die aus der Brennstoffzelle 2 ausgeführt werden, und kann aus einer Abfuhrströmungsrate, einem Gegendruck und einer Feuchtigkeit des Reaktionsgases berechnet werden. Die erzeugte Wassermenge Wz ist eine Wassermenge, die aus einer elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle entsteht, und kann durch eine Elektrizitäts-/Erzeugungskapazität (Spannung, Strom) der Brennstoffzelle 2, bei der es sich um eine Korrelationsbeziehung handelt, berechnet werden.
Die Betriebssteuereinheit 125 steuert Betriebsabläufe in der Brennstoffzelle 2 auf Basis von Ergebnissen von der Impedanzmesseinheit 122, der Restwassermengen-Berechnungseinheit 123 und dergleichen. Genauer übermittelt die Betriebssteuereinheit 125 Steuerbefehle an die verschiedenen Komponenten (den Kompressor 14, das Gegendruck-Regelventil 16, die Pumpe 24, das Spülventil 33, die Kühlpumpe 42, das Schaltventil 45, einen Ventilator für den Kühler 43, den Hochspannungswandler 61 und dergleichen) und steuert den Betrieb der Brennstoffzelle 2, um eine gewünschte Betriebsbedingung zu erreichen.
Nun wird eine Vielzahl von Beispielen für eine Wassergehaltssteuerung der Brennstoffzelle 2 durch die Steuereinrichtung 7 beschrieben.
<Erstes Steuerungsbeispiel>
Wie in 2 dargestellt, führt das Brennstoffzellensystem 1 zunächst einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 aus (Schritt S1). In diesem Fall wird die Brennstoffzelle 2 im Normalbetrieb in einem Zustand betätigt (wird elektrische Leistung erzeugt), wo ein stöchiometrisches Luftverhältnis auf oder über 1,0 (theoretischer Wert) eingestellt ist, um einen Leistungsverlust zu unterdrücken und eine hohe Leistungsausbeute zu erhalten. Stöchiometrisches Luftverhältnis bezieht sich auf eine überschüssige Sauerstoffrate, die anzeigt, wie viel zugeführter Sauerstoff in Bezug auf einen für die Reaktion mit Wasserstoff angemessenen Sauerstoffanteil überschüssig ist.
Dann wird während eines Normalbetriebs die Impedanz der Brennstoffzelle 2 durch die Impedanzmesseinheit 122 gemessen (Schritt S2). Auf Basis der gemessenen Impedanz wird ein in der Brennstoffzelle 2 aktuell vorhandener Wassergehalt als Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle 2 geschätzt. Die Schätzung wird beispielsweise unter Verwendung eines Kennfelds durchgeführt, das eine Korrelationsbeziehung zwischen Impedanz und Wassergehalt anzeigt. Das Kennfeld muss in der Speichereinheit 121 gespeichert sein. Gemäß dem geschätzten Wassergehalt wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob die Brennstoffzelle 2 trocken betrieben werden soll oder nicht (Schritt S3). Wenn die Brennstoffzelle 2 nicht getrocknet werden muss (Schritt S3: Nein), wird der Prozess abgebrochen und der Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 wird fortgesetzt. Wenn dagegen die Brennstoffzelle 2 getrocknet werden muss (Schritt S3: Ja), wird von der Betriebssteuereinheit 125 ein Trockenbetrieb durchgeführt (Schritt S4).
Hierbei bezeichnet Trockenbetrieb einen Betrieb, während dem das Innere der Brennstoffzelle 2 in einem ziemlich trockenen Zustand ist, während die Brennstoffzelle 2 dazu gebracht wird, eine geforderte Ausgangsleistung auszugeben, die von verschiedenen Parametern eingestellt wird. Anders ausgedrückt ist ein Trockenbetrieb ein Be trieb, in dem der Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 im Vergleich zum Normalbetrieb verringert ist. Ein Trockenbetrieb muss die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 2 (Elektrolytmembran, Diffusionsschicht und Strömungskanäle) nicht unbedingt auf 0% senken, sondern muss den Wassergehalt nur verringern. Wenn der Trockenbetrieb durchgeführt wird, wird die Elektrolytmembran beispielsweise im Vergleich zum Normalbetrieb trockener. Der Trockenbetrieb kann auf verschieden Weise unter Verwendung eines Steuerparameters durchgeführt werden, der sich von einem Wert, der während des Normalbetriebs verwendet wird, unterscheidet.
Genauer wird in einem ersten Beispiel der Trockenbetrieb dadurch durchgeführt, dass die BZ-Temperatur im Vergleich zum Normalbetrieb erhöht wird. Dies kann beispielsweise durch einen Selbsterwärmungsbetrieb oder einen verringerten Kühlungsumfang der Brennstoffzelle 2 realisiert werden. Eine Selbsterwärmung der Brennstoffzelle 2 kann beispielsweise dadurch durchgeführt werden, dass ein Niedereffizienzbetrieb ausgeführt werden. Eine Verringerung des Kühlungsumfangs der Brennstoffzelle 2 kann beispielsweise durch Steuern einer Drehzahl der Kühlpumpe 42 und/oder einer Drehzahl eines Ventilators des Kühlers 43 in einem Zustand, wo die Brennstoffzelle 2 elektrisch erzeugt wird, um den Kühlungsumfang, der auf den Kühler 43 zurückgeht, zu unterdrücken, oder durch Umschalten des Schaltventils 45 zur Seite des Umgehungskanal 44 durchgeführt werden. Durch Durchführen dieses Trockenbetriebs kann die Verdampfung der Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 2 zurückgehalten wird, gefördert werden und die verdampfte Feuchtigkeit kann durch das Oxidationsabgas oder das Brennstoffabgas abtransportiert werden.
In einem zweiten Beispiel wird der Trockenbetrieb durch Ändern mindestens einer der Größen Strömungsrate, Druck, Temperatur und Taupunkttemperatur des Oxidierungsgases im Vergleich zum Normalbetrieb durchgeführt. Genauer wird der Trockenbetrieb durch Erhöhen einer Zufuhrströmungsrate des Oxidierungsgases durch Erhöhen der Drehzahl des Kompressors 14, Senken eines Zufuhrdrucks des Oxidierungsgases durch Regeln der Öffnung des Gegendruck-Regelventils 16, Erhöhen der Temperatur des Oxidierungsgases mit einer externen Heizeinrichtung, die hier nicht dargestellt ist, oder Senken der Taupunkttemperatur durchgeführt. Darüber hinaus kann im Trockenbe trieb das Oxidierungsgas unter Umgehung des Befeuchters 15 zur Brennstoffzelle 2 geliefert werden, oder eine Steuerung kann derart durchgeführt werden, dass ein Befeuchtungsumfang des Oxidierungsgases durch den Befeuchter gesenkt wird.
In einem dritten Beispiel wird der Trockenbetrieb durch Ändern mindestens einer der Größen Strömungsrate, Druck, Spülfrequenz und Taupunkttemperatur des Brenngases im Vergleich zum Normalbetrieb ausgeführt. Genauer wird der Trockenbetrieb durch Erhöhen einer Strömungsrate des Brenngases durch Regeln der Pumpe 24 und/oder eines Injektors, der nicht dargestellt ist, Senken eines Zufuhrdrucks des Brenngases durch Regeln des Reglers 28 oder des Injektors, Erhöhen der Spülfrequenz des Spülventils 33 oder Senken der Taupunkttemperatur durchgeführt.
Man beachte, dass der Trockenbetrieb zwar dadurch durchgeführt werden kann, dass die oben beschriebenen ersten bis dritten Beispiele je nach Bedarf kombiniert werden, dass aber das zweite Beispiel die Brennstoffzelle 2 effektiver trocknen kann als das dritte Beispiel. Das liegt daran, dass das Brenngas-Leitungssystem 4 ein Umwälzsystem aufweist und daher weniger gut auf eine Änderung eines Steuerparameters anspricht als das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3. Als Verfahren mit einer besonders hohen Ansprechempfindlichkeit wird vorzugsweise ein Verfahren angewendet, das einen Anstieg der Zufuhrströmungsrate eines Oxidierungsgases verwendet.
Der Trockenbetrieb, wie diejenigen, die oben beschrieben sind, wird in Schritt S4 ausgeführt, und der Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 wird im Vergleich zum Normalbetrieb gesenkt. Anschließend wird bestimmt, ob ein Systemstoppbefehl von einem Nutzer (Anwender) vorliegt oder nicht vorliegt (Schritt S5). Systemstoppbefehl bedeutet einen Befehl, der einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 unterbricht bzw. anhält. Wenn beispielsweise der Systemstoppbefehl nicht in einem vorgegebenen Zeitraum nach Änderung eines Steuerparameters für den Trockenbetrieb ausgegeben wird (Schritt S5: Nein), wird wieder eine Impedanzmessung (Schritt S2) ausgeführt und eine Rückkopplungssteuerung wird durchgeführt. Wenn dagegen der Systemstoppbefehl ausgegeben wurde (Schritt S5: Ja), wirkt der Systemstoppbefehl als Auslöser, und es wird ein Schalten vom Trockenbetrieb auf einen Spülbetrieb durchgeführt (Schritt S6).
Hierbei bezeichnet Spülbetrieb das Spülen des Inneren der Brennstoffzelle 2 am Ende des Betriebs der Brennstoffzelle 2 (beim Anhalten des Systems) durch vollständiges oder annähernd vollständiges Abführen der Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 2 nach außen. Der Spülbetrieb wird beispielsweise in einem Zustand, wo die Brennstoffzelle 2 im Leerlaufbetrieb ist oder in einem Zustand, wo die Zufuhr von Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 2 unterbrochen worden ist, dadurch ausgeführt, dass vom Kompressor 14 Oxidierungsgas zum Oxidierungsgas-Strömungskanal 2a geliefert wird und Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist, unter Verwendung des Oxidierungsgases ausgeführt wird. Demgemäß gehen die Elektrolytmembran oder die Elektroden der Brennstoffzelle 2 in einen trockenen Zustand über. Anschließend wird das Brennstoffzellensystem angehalten und steht für eine nächste Aktivierung in Bereitschaft.
Wie oben beschrieben, wird die Brennstoffzelle 2 gemäß dem ersten Steuerungsbeispiel gemäß dem Wassergehalt, bei dem es sich um eine Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle 2 handelt, trocken betrieben, und daher kann der Wassergehalt reduziert werden, bevor der Systemstoppbefehl ausgegeben wird. Somit kann die Brennstoffzelle 2 in einer kurzen Zeit nach Ausgabe des Systemstoppbefehls gespült (getrocknet) werden, und der Zeitraum, der nötig ist, um das Brennstoffzellensystem 1 anzuhalten, kann verkürzt werden, und Leistung, die benötigt wird, um die Brennstoffzelle 2 zu trocknen, kann eingespart werden. Außerdem kann ein Einfrieren der Brennstoffzelle 2 nach Ausgabe des Systemstoppbefehls unterdrückt werden, und die Brennstoffzelle 2 kann auch dann stabil aktiviert werden, wenn die nächste Systemaktivierung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt stattfindet. Da die Brennstoffzelle 2 gemäß einer Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle 2 trocken betrieben wird, kann außerdem ein Betrieb, der an den Zustand der Brennstoffzelle angepasst ist, durchgeführt werden.
Man beachte, dass abhängig von einer Nutzungsumgebung und einer Nutzungszeit des Fahrzeugs 100 vorab bestimmt werden kann, ob die Brennstoffzelle 2 aus dem Normalbetrieb in den Trockenbetrieb umgeschaltet werden soll. Beispielsweise können in Gebieten oder während Zeiten, in denen es nicht zu einem Einfrieren der Brennstoffzelle 2 kommt, Maßnahmen ergriffen werden, damit regelmäßig kein Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2 durchgeführt wird, bevor der Systemstoppbefehl ausgegeben wird. Beispielsweise kann im Winter der in 2 dargestellte Ablauf als Wassergehaltssteuerung der Brennstoffzelle 2 ausgeführt werden, während im Sommer und in anderen Jahreszeiten der in 2 dargestellte Ablauf nicht ausgeführt wird und das Brennstoffzellensystem seinen Betrieb einstellen kann, ohne dass ein Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2 durchgeführt wird. Ein weiteres Beispiel wäre die Ausführung des in 2 dargestellten Ablaufs als Wassergehaltssteuerung der Brennstoffzelle 2, wenn die vom Umgebungslufttemperatur-Sensor 71 erfasste Temperatur beispielsweise bei höchstens 0 Grad C liegt, bzw. die Nichtausführung, wenn die erfasste Temperatur über 0 Grad C liebt.
<Zweites Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein zweites Steuerungsbeispiel mit Bezug auf 3 beschrieben. Der Unterschied zum ersten Steuerungsbeispiel ist, dass die Schritte S14 und S15 hinzugefügt wurden. Da die Schritte S11 bis S13 und S16 bis S18 die gleichen sind wie die Schritte S1 bis S6 in 2, wird auf ihre Beschreibung hier verzichtet.
In Schritt S14 bestimmt die Steuereinrichtung 7, ob der in Schritt S12 gemessene Impedanzwert erheblich von einem Impedanz-Sollwert abweicht oder nicht. In diesem Fall bezeichnet Impedanz-Sollwert einen Sollwert für den Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2, der in der Speichereinheit 121 hinterlegt ist.
Wenn der Unterschied zwischen dem gemessenen Impedanzwert bzw. Impedanz-Messwert und dem Impedanz-Sollwert mindestens so groß ist wie ein Schwellenwert (Schritt S14: Ja), wird der Trockenbetrieb durchgeführt, wobei der Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle 2 stufenweise angehoben wird (Schritt S15). Beispielsweise wird die Zufuhrströmungsrate von Oxidierungsgas stufenweise bis zu einem Sollwert erhöht. Wenn dagegen der Unterschied zwischen dem Impedanz-Messwert und dem Impedanz-Sollwert kleiner ist als der Schwellenwert (Schritt S14: Nein), wird der Trockenbetrieb durchgeführt, ohne den Trockenheitsgrad zu ändern (Schritt S16), wie dies im ersten Steuerungsbeispiel der Fall war.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem zweiten Steuerungsbeispiel zusätzlich zu den Verfahrensschritten und den erreichten Wirkungen des ersten Steuerungsbeispiels ein Trockenbetrieb durchgeführt werden, während dem der Trocknungsgrad nach Bedarf geändert wird. Durch Ausführen des Trockenbetriebs unter allmählichem Erhöhen des Trocknungsgrads, wie oben beschrieben, kann die Impedanz der Brennstoffzelle 2 schnell einem Sollwert angenähert werden. Obwohl Abweichungen des Geräusches, des Kraftstoffverbrauchs und der Erhöhung zunehmen, wenn der Trocknungsgrad angehoben wird, ermöglicht eine stufenweise Steuerung außerdem eine Verringerung solcher Abweichungen.
<Drittes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein drittes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf 4 beschrieben. Ein Unterschied zum ersten Steuerungsbeispiel liegt darin, dass versucht wird, Abweichungen aufgrund eines Trockenbetriebs den Umständen angepasst aufzufangen Daher werden im dritten Steuerungsbeispiel eine Bestimmung der nötigen Ausgangsleistung (Schritt S25) und eine Nasssteuerung (Schritt S26) zum ersten Steuerungsbeispiel hinzugefügt. Da die Schritte S21 bis S24 und S27 bis S28 den Schritten S1 bis S6 in 2 gleich sind, wird auf ihre Beschreibung hier verzichtet.
Während der Ausführung des Trockenbetriebs (Schritt S24) bestimmt die Steuereinrichtung, ob die benötigte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 bei oder über einem Schwellenwert liegt (Schritt S25). Der „Schwellenwert” kann beispielsweise auf die halbe oder die maximale Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 oder auf eine Ausgangsleistung eingestellt werden, die es dem Fahrzeug 100 ermöglicht, mit 60 km pro Stunde zu fahren. Obwohl ein Kriterium für die Bestimmung auf eine benötigte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 eingestellt wurde, können alternativ dazu eine Steigerungsrate der benötigten Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2, eine Be schleunigungselementöffnung oder eine benötigte Ausgangsleistung des gesamten Brennstoffzellensystems 1 als Kriterium für die Bestimmung eingestellt werden.
Falls die benötigte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 niedriger ist als der Schwellenwert (Schritt S25: Nein), wird der Trockenbetrieb fortgesetzt, da die benötigte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 auch im Trockenbetrieb erhalten werden kann. Falls dagegen die benötigte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 mindestens so hoch ist wie der Schwellenwert (Schritt S25: Ja), kann der Trockenbetrieb die geforderte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 nicht erreichen. Wenn das Fahrzeug 100 beispielsweise während der Ausführung des Trockenbetriebs beschleunigt, kann die geforderte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 eine Ausgangsleistung, die von der Brennstoffzelle 2 während einer Ausführung des Trockenbetriebs erzeugt werden kann, übertreffen. In einem solchen Fall (Schritt S25: Ja) wird der Betrieb der Brennstoffzelle 2 von trocken auf nass umgeschaltet (Schritt S26).
Die in Schritt S26 durchgeführte Nasssteuerung bezeichnet eine Steuerung, die einen Betrieb ermöglicht, mit dem die Brennstoffzelle 2 innen ziemlich nass wird, oder, anders gesagt, der Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 im Vergleich zum Normalbetrieb oder zum Trockenbetrieb zunimmt. Die Nasssteuerung wird dadurch verwirklicht, dass ein Betrieb durchgeführt wird, der das Gegenteil ist vom zweiten oder dritten Beispiel des oben beschriebenen Trockenbetriebs. Beispielsweise wird die Feuchtigkeitsmenge, die vom Abgas des Reaktionsgases (vom Oxidationsabgas oder vom Brennstoffabgas) abtransportiert wird, durch Senken der Zufuhrströmungsrate des Oxidierungsgases, Erhöhen des Zufuhrdrucks des Oxidierungsgases oder Senken der BZ-Temperatur verringert. Anschließend wird eine Bestimmung, ob die Brennstoffzelle 2 trocken betrieben werden soll oder nicht, gemäß einer neu ermittelten Impedanz getroffen (Schritt S23).
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem dritten Steuerungsbeispiel eine Nasssteuerung der Brennstoffzelle 2 durchgeführt, wenn die während des Trockenbetriebs geforderte Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 mindestens so hoch ist wie ein Schwellenwert (einen vorgegebenen Wert erreicht oder übertrifft). Demgemäß kann eine Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 schnell wiederhergestellt werden, und eine benötigte Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 1 kann sichergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann eine Steigerungsrate der benötigten Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 in Schritt S25 mit dem Schwellenwert verglichen werden. Außerdem kann im dritten Steuerungsbeispiel der Trockenheitsgrad stufenweise gesteuert werden (23: Schritte S14 und S15), ebenso wie im zweiten Steuerungsbeispiel.
<Viertes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein viertes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf 5 beschrieben. Ein Unterschied zum dritten Steuerungsbeispiel liegt darin, dass durch Ausführen einer Fahrzeuggeschwindigkeitsbestimmung (Schritt S35) anstelle der Bestimmung der benötigten Ausgangsleistung (Schritt 25) versucht wird, Abweichungen aufgrund eines Trockenbetriebs den Umständen angepasst aufzufangen. Da die Schritte S31 bis S34 und S36 bis S38 den Schritten S21 bis S24 und S26 bis S28 in 4 gleich sind, wird auf ihre Beschreibung hier verzichtet.
In Schritt S35 bestimmt die Steuereinrichtung 7, ob die Reisegeschwindigkeit (d. h. die Fahrzeuggeschwindigkeit) des Fahrzeugs 100 bei oder über einem Schwellenwert liegt. Die Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs 100 wird vom bereits genannten. Geschwindigkeits-Sensor 75 erfasst. Der Schwellenwert wird vorzugsweise auf einen relativ hohen Geschwindigkeitswert, wie 80 km/h oder 100 km/h, eingestellt. Vorzugsweise wird der Schwellenwert, wie noch beschrieben wird, so eingestellt, dass er bei oder über einer Geschwindigkeit liegt, die gewährleistet, dass die Brennstoffzelle 2 genügend Zeit hat, während der Abbremsung des Fahrzeugs 100 wieder zur Trockenheitsbedingung zurückzukehren.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit niedriger ist als der Schwellenwert (Schritt S35: Nein), wird der Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2 fortgesetzt. Der Grund dafür ist, dass das geforderte Ausgangsleistungsniveau der Brennstoffzelle 2 auch im Trockenbetrieb erreicht werden kann.
Falls dagegen die Fahrzeuggeschwindigkeit bei oder über dem Schwellenwert liegt (Schritt S35: Ja), wird der Betrieb der Brennstoffzelle 2 von trocken auf nass umgeschaltet (Schritt S36). Der Grund dafür ist, dass das von der Brennstoffzelle 2 geforderte Ausgangsleistungsniveau die Ausgangsleistung, die von der Brennstoffzelle 2 während eines Trockenbetriebs erreicht werden kann, fallweise überschreiten kann. Außerdem würde es auch im Falle einer Nasssteuerung eine gewisse Zeit dauern, bis das Fahrzeug 100 langsamer wird und stehen bleibt, wenn das Fahrzeug 100 mit einigermaßen hoher Geschwindigkeit fährt. Daher kann der Betrieb in der Zeit, in der das Fahrzeug 100 zum Stehen kommt, erneut auf Trockenbetrieb umgeschaltet und trocken betrieben werden. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit bei oder über dem Schwellenwert liegt (Schritt S35: Ja), wird daher vorzugsweise eine Nasssteuerung der Brennstoffzelle 2 durchgeführt (Schritt S36).
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem vierten Beispiel die Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 schnell wiederhergestellt werden, und eine Leistungsforderung vom Fahrmotor 64 kann auf ähnliche Weise wie im dritten Steuerungsbeispiel erfüllt werden.
<Fünftes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein fünftes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf die 6 bis 9 beschrieben. Das vorliegende Steuerungsbeispiel betrifft eine spezielle Steuerung für einen Betrieb, der eine hohe Impedanz der Brennstoffzelle 2 aufrechterhält, oder, anders ausgedrückt, einen Trockenbetrieb. Das fünfte Steuerungsbeispiel wird beispielsweise in Schritt S4 von 2 durchgeführt.
Wie in 6 dargestellt, führt die Steuereinrichtung 7 auf der Basis eines Impedanz-Messwerts Z_A eine Berechnung durch, die von einem gepunkteten Rahmen 200 eingegrenzt ist, und bestimmt einen Luftströmungsraten-Befehlswert, der für einen Trockenbetrieb geeignet ist. Hierbei ist der Impedanz-Messwert Z_A ein Wert, der von der Impedanzmesseinheit 122 gemessen wird. Ein Luftströmungsraten-Befehlswert ist ein Befehlswert für eine Strömungsrate, mit der Oxidierungsgas vom Kompressor 14 gelie fert wird. Im Folgenden bezeichnet Luftströmungsrate eine Strömungsrate, mit der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird.
Zuerst wird eine Mittelwertbildungsoperation am Impedanz-Messwert Z_A durchgeführt. Als Folge davon kann ein Nacheilen der Luftströmungsrate verhindert werden. Dann wird der Impedanz-Messwert Z_A in eine erste Linie 201 und eine zweite Linie 210 eingeführt.
Auf der ersten Linie 201 wird zunächst eine Restwasser-Sollmenge W₀ unter Verwendung eines Restwasser-Sollmengenkennfelds 202 aus dem Impedanz-Messwert Z_A ermittelt. Dann wird eine Luftströmungs-Sollrate F₁ unter Verwendung eines Luftströmungs-Sollratenkennfelds 203 aus der Restwasser-Sollmenge W₀ ermittelt.
7 ist ein Diagramm, welches das Restwasser-Sollmengenkennfeld 202 darstellt. Das Restwasser-Sollmengenkennfeld 202 zeigt eine Beziehung zwischen der Impedanz der Brennstoffzelle 2 und einer Restwasser-Sollmenge auf der Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2 an und ist in der Speichereinheit 121 hinterlegt. Je weiter rechts auf der Abszisse des Restwasser-Sollmengenkennfelds 202 die Restwasser-Sollmenge liegt, desto mehr Nässe bedingt sie, was anzeigt, dass eine aktuelle Feuchtigkeitsbedingung der Brennstoffzelle 2 eine Trockenheitsbedingung ist. Dagegen bedingt die Restwasser-Sollmenge, je weiter links sie auf der Abszisse des Restwasser-Sollmengenkennfelds 202 liegt, eine desto größere Trockenheit, was anzeigt, dass die aktuelle Feuchtigkeitsbedingung der Brennstoffzelle 2 eine Nässebedingung ist.
In dem in 7 dargestellten Beispiel ist der Impedanz-Messwert Z_A niedriger als ein Impedanz-Sollwert Z₀, der für einen Normalbetrieb geeignet ist, und die Brennstoffzelle 2 ist nass. Wie aus 7 hervorgeht, kann die Restwasser-Sollmenge W₀ durch Anlegen des Impedanz-Messwerts Z_A an eine Steuerlinie L₁ eindeutig berechnet werden.
8 ist ein Diagramm, welches das Luftströmungs-Sollratenkennfeld 203 darstellt. Das Luftströmungs-Sollratenkennfeld 203 zeigt eine Beziehung zwischen einer Luftströmungs-Sollrate, einem Strom der Brennstoffzelle 2 (nachstehend als „BZ-Strom” bezeichnet) und einer Restwassermenge an und ist in der Speichereinheit 121 hinterlegt. Eine Vielzahl von Luftströmungs-Sollratenkennfeldern 203 wird gemäß Kombinationen aus Temperaturen der Brennstoffzelle 2 und Gegendrücken auf der Luftelektroden-Seite erstellt. Hier sind als Beispiel drei äquivalente Restwassermengen-Linien (Restwassermenge W₀, Restwassermenge W₁ und Restwassermenge W₂) für einen Fall dargestellt, wo die BZ-Temperatur 70 Grad C ist und der Gegendruck auf der Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2 bei 120 kPa liegt.
Im vorliegenden Steuerungsbeispiel wird, wenn ein Strom-Sensor einen aktuellen Stromwert I₁ der Brennstoffzelle 2 misst, eine Luftströmungs-Sollrate F₁ aus der Beziehung zwischen dem Stromwert I₁ und der bereits errechneten Restwasser-Sollmenge W₀ eindeutig berechnet.
Nun wird die zweite Linie 210 beschrieben.
An der zweiten Linie 210 wird zunächst unter Verwendung eines Wassergehaltschätzungs-Kennfelds 205 ein geschätzter Wassergehalt X₁ aus dem Impedanz-Messwert Z_A ermittelt.
9 ist ein Diagramm, welches das Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld 205 darstellt. Das Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld 205 zeigt eine Beziehung zwischen der Impedanz und dem Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 an und ist in der Speichereinheit 121 hinterlegt. Impedanz und Wassergehalt haben eine Korrelationsbeziehung, wie von einer Kurve M1 dargestellt. Eine Vielzahl von Wassergehaltsschätzungs-Kennfeldern 205 wird vorab gemäß Temperaturen der Brennstoffzelle 2 erstellt. Im vorliegenden Steuerungsbeispiel wird aus dem Impedanz-Messwert Z_A geschätzt, dass ein Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 bei X₁ liegt.
Zurück zu 6: wie hier dargestellt, differenziert die Steuereinrichtung 7 nach Ermitteln des geschätzten Wassergehalts X₁ den geschätzten Wassergehalt X₁ in Bezug auf die Zeit (6: Bezugszahl 206), um eine Restwassermenge (einen Restwasser mengen-Beobachtungswert Y₁) für die gesamte Brennstoffzelle 2 zu erhalten. Anschließend wird eine PI-Berechnung mit dem Restwassermengen-Beobachtungswert Y₁ als Betätigungssignal durchgeführt, und eine Korrektur-Luftströmungsrate F₂ wird berechnet. Dann wird die Korrektur-Luftströmungsrate F₂ durch einen Addierer zur Luftströmungs-Sollrate F₁ addiert, um die Luftströmungs-Sollrate zu korrigieren. Die korrigierte Luftströmungs-Sollrate (F₁ + F₂) wird als Luftströmungsraten-Befehlswert in den Kompressor 14 eingegeben.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem fünften Steuerungsbeispiel die Impedanz als Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle 2 gemessen werden, und der Kompressor 14 kann durch den Luftströmungsraten-Befehlswert auf Basis des Messergebnisses gesteuert werden, und daher kann die Brennstoffzelle 2 vorzugsweise trocken betrieben werden. Daher kann auf ähnliche Weise wie oben beschrieben die Brennstoffzelle 2 in kurzer Zeit nach Ausgabe des Systemstoppbefehls gespült (getrocknet) werden, und Schwankungen der Spülzeiten können verringert werden.
<Sechstes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein sechstes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf 10 beschrieben. Das vorliegende Steuerungsbeispiel betrifft eine spezielle Steuerung für den Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2 in einem Fall, wo aus irgendwelchen Gründen die Impedanz der Brennstoffzelle 2 nicht gemessen werden kann. Das sechste Steuerungsbeispiel ist eine Ausnahmebehandlung, die anstelle des fünften Steuerungsbeispiels durchgeführt wird und die beispielsweise in Schritt S4 von 2 durchgeführt wird. Ein Fall, wo die Impedanz der Brennstoffzelle 2 nicht gemessen werden kann, liegt beispielsweise vor, wenn kein Sinuswellensignal für eine Impedanzmessung über das Leistungssystem 6 gelegt werden kann
Wie in 10 dargestellt, schätzt die Steuereinrichtung 7 zunächst unter Verwendung eines Wassergehaltsschätzungs-Kennfelds 221 einen Wassergehalt X_b der Brennstoffzelle 2 aus einem jüngsten Impedanz-Messwert Z_b. Das Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld 221 ähnelt dem in 9 dargestellten Kennfeld und wird von einer Kurve M2 definiert, die eine Korrelationsbeziehung zwischen einer Impedanz und einem Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 gemäß einer vorgegebenen Temperatur anzeigt. In diesem Fall bedeutet jüngster Impedanz-Messwert Z_b eine Impedanz, die von der Impedanzmesseinheit 122 zuletzt gemessen wurde.
Außerdem führt die Restwassermengen-Berechnungseinheit 133 der Steuereinrichtung 7 eine Restwassermengen-Berechnung 222 aus. Infolgedessen kann beispielsweise eine Restwassermenge W_b auf der Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle 2 aus einer Luftströmungsrate, einem Luftgegendruck (einem Gegendruck auf der Luftelektroden-Seite) und einer BZ-Spannung (einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2) berechnet werden. Dann wird die geschätzte Restwassermenge X_b durch einen Addierer 223 zur Restwassermenge W_b addiert, und ein geschätzter Wassergehalt X_c der Brennstoffzelle 2 wird berechnet. Anschließend wird ein Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld 224 verwendet, um aus dem geschätzten Wassergehalt X_c zu schätzen, dass die aktuelle Impedanz der Brennstoffzelle 2 einen Wert Z_c annimmt. Das Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld 224 ähnelt dem in 9 dargestellten Kennfeld und wird von einer Kurve M3 definiert, die eine Korrelationsbeziehung zwischen einer Impedanz und einem Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 gemäß einer vorgegebenen Temperatur darstellt.
Anschließend wird die geschätzte Impedanz Z_c in die erste Linie 201 eingeführt, die in 6 dargestellt ist. Infolgedessen ermittelt die Steuereinrichtung 7 unter Verwendung des Restwasser-Sollmengenkennfelds 203 eine Restwasser-Sollmenge W₀ und ermittelt dann unter Verwendung des Luftströmungs-Sollratenkennfelds 203 eine Luftströmungs-Sollrate F₁ aus der Restwasser-Sollmenge W₀. Die Steuereinrichtung 7 steuert dann den Kompressor 14 so, dass die Luftströmungs-Sollrate F₁ zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird, und führt einen Trockenbetrieb der Brennstoffzelle 2 aus.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem vorliegenden Steuerungsbeispiel auch in dem Fall, dass die Impedanz nicht gemessen werden kann, unter Verwendung der Restwassermenge und des jüngsten Impedanz-Messwerts Z_b. ein Wert für den Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 geschätzt werden, der so exakt wie möglich ist. Demgemäß kann die Brennstoffzelle 2 trocken betrieben werden, und es kann eine Fehlersicherung erreicht werden.
<Siebtes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein siebtes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf die 11 bis 13 beschrieben. Im Gegensatz zum fünften Steuerungsbeispiel betrifft das vorliegende Steuerungsbeispiel eine spezielle Steuerung für einen Betrieb, der eine niedrige Impedanz der Brennstoffzelle 2 aufrechterhält, oder, anders ausgedrückt, einen Nassbetrieb. Das siebte Steuerungsbeispiel wird beispielsweise in Schritt S26 von 4 und in Schritt S36 von 5 durchgeführt.
Im siebten Steuerungsbeispiel wird eine Verarbeitung durchgeführt, die derjenigen ähnlich ist, die im fünften Steuerungsbeispiel durchgeführt wird und die in 6 dargestellt ist. Genauer wird ein Impedanz-Messwert Z_c, nachdem er einer Mittelwertsbildungsoperation unterzogen wurde, in eine erste Linie 301 und in eine zweite Linie 310 eingeführt. Auf der ersten Linie 301 wird zunächst ein in 12 dargestelltes Restwasser-Sollmengenkennfeld 302 verwendet, um den Impedanz-Messwert Z_c an eine Steuerlinie L₁ anzulegen, und eine Restwasser-Sollmenge W₃ für eine Nassbedingung wird berechnet. Dann wird ein Luftgegendruck-Sollwertkennfeld 303, das in 13 dargestellt ist, verwendet, um einen Soll-Luftgegendruck P_a aus der Beziehung zwischen dem aktuellen BZ-Strom I₁ und der oben genannten Restwasser-Sollmenge W₃ zu berechnen.
Das Restwasser-Sollmengenkennfeld 302 ist das gleiche wie das in 7 dargestellte Restwasser-Sollmengenkennfeld 202. Dagegen zeigt das Luftgegendruck-Sollwertkennfeld 303 eine Beziehung zwischen einem Soll-Luftgegendruck, einem BZ-Strom und einer Restwassermenge an, und eine Vielzahl davon ist gemäß Kombinationen von Temperaturen und Luftströmungsraten der Brennstoffzelle 2 in der Speichereinheit 121 hinterlegt. Hier sind als Beispiel drei äquivalente Restwassermengen-Linien (Restwassermenge W₃, Restwassermenge W₄ und Restwassermenge W₅) dargestellt.
Auf der zweiten Linie 310 wird zuerst ein geschätzter Wassergehalt X_i unter Verwendung des in 9 dargestellten Wassergehaltschätzungs-Kennfelds 205 aus dem Impedanz-Messwert Z_c ermittelt. Anschließend ermittelt die Steuereinrichtung 7 durch Differenzieren des geschätzten Wassergehalts X₁ in Bezug auf die Zeit einen Restwassermengen-Beobachtungswert Y₁ und führt eine PI-Berechnung an dem Restwassermengen-Beobachtungswert Y₁ durch, um einen Korrektur-Luftgegendruck P_b zu berechnen. Dann wird der Korrektur-Luftgegendruck P_b durch einen Addierer 304 zum Soll-Luftgegendruck P_a addiert, um den Soll-Luftgegendruck zu korrigieren, und der korrigierte Soll-Luftgegendruck (P_a + P_b) wird als Luftgegendruck-Befehlswert in das Gegendruck-Regelventil 16 eingegeben.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem siebten Steuerungsbeispiel das Gegendruck-Regelventil 16 durch den Luftgegendruck-Befehlswert auf Basis der Impedanz der Brennstoffzelle 2 gesteuert werden, und daher kann die Brennstoffzelle 2 vorzugsweise nass betrieben werden. Obwohl andere Verfahren, wie eine Senkung der Luftströmungsrate, angewendet werden können, um eine Nasssteuerung durchzuführen, sorgt die oben beschriebene Regulierung des Luftgegendrucks für eine hohe Ansprechempfindlichkeit und ist daher bevorzugt.
Man beachte, dass, obwohl nicht ausführlich beschrieben, die Impedanz vorzugsweise anhand des im sechsten Steuerungsbeispiel beschriebene Verfahrens (10) geschätzt wird, wenn die Impedanz im vorliegenden Steuerungsbeispiel nicht gemessen werden kann, wobei der Soll-Luftgegendruck P₁ durch Einführen der geschätzten Impedanz in die erste Linie 301, die in 11 dargestellt ist, erhalten wird. Demgemäß kann eine Fehlersicherung erreicht werden, die einen Nassbetrieb der Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
<Achtes Steuerungsbeispiel>
Nun wird ein achtes Steuerungsbeispiel mit Bezug auf die 14 und 15 beschrieben. Das vorliegende Steuerungsbeispiel betrifft eine Steuerung, mit der ein Tro ckenbetrieb der Brennstoffzelle 2 verhindert wird, falls die Impedanz der Brennstoffzelle 2 nicht gemessen werden kann. Das achte Steuerungsbeispiel ist eine Ausnahmebehandlung, die anstelle der fünften und sechsten Steuerungsbeispiele, die oben beschrieben wurden, durchgeführt wird.
Fälle, in denen die Impedanz der Brennstoffzelle 2 nicht gemessen werden kann, können hierbei zusätzlich zu einem Fall, wo kein Sinuswellensignal für eine Impedanzmessung über das Leistungssystem 6 gelegt werden kann, wie oben beschrieben, einen Fall einschließen, wo aufgrund einer hohen Ladungsmenge (SOC) der Batterie 62 kein Strom durchgeleitet werden kann. Darüber hinaus schließen Fälle, wo die Ladungsmenge der Batterie 62 steigt, einen Fall ein, wo regenerative Leistung vom Fahrmotor 64 aufgrund eines fortgesetzten Abbremsens des Fahrzeugs in die Batterie 62 geladen wird.
Wie in 14 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 400 zusätzlich zu dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1, das in 1 dargestellt ist, einen Zeitnehmer 410 auf. Der Zeitnehmer 410 ist mit der Steuereinrichtung 7 verbunden und misst ein Impedanzmessintervall der Impedanzmesseinheit 122. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 2 misst die Impedanzmesseinheit 122 eine Impedanz der Brennstoffzelle 2 je nach Bedarf, und die Steuereinrichtung 7 führt eine Steuerung durch, mit der die Brennstoffzelle 2 in einem gewünschten Betriebszustand (trocken, nass oder im Normalbetrieb) betrieben werden kann, während sie einen Messwert von der Impedanzmesseinheit 122 nach Bedarf aktualisiert. Der Zeitnehmer 410 misst den Zeitraum (das Messintervall) von einer Aktualisierung eines Impedanz-Messwerts bis zu dessen nächster Aktualisierung.
Wie in 15 dargestellt, wird während der Ausführung des Trockenbetriebs (Schritt S41) die Impedanz der Brennstoffzelle 2 von der Impedanzmesseinheit 122 gemessen (Schritt S42). Dann wird bestimmt, ob ein Messintervall, das vom Zeitnehmer 410 gemessen wird, bei oder über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt (Schritt S43). Der vorgegebene Schwellenwert wird vorzugsweise z. B. unter Berücksichtigung der Kapazität des Hochspannungswandlers 61 eingestellt und wird beispielsweise auf 30 Sekunden eingestellt.
Wenn das Messintervall höchstens so lang ist wie der vorgegebene Schwellenwert (Schritt S43: Nein), wird angenommen, dass der Impedanz-Messwert von der Impedanzmesseinheit 122 normal aktualisiert wird. Auf Basis der aktualisierten Impedanz wird der Steuerparameter geändert und der Trockenbetrieb wird fortgesetzt (Schritt S44). Man beachte, dass der Trockenbetrieb vorzugsweise unter Verwendung eines Verfahrens, das die Erhöhung der BZ-Temperatur mit der Kühlpumpe 42, dem Schaltventil 45 und dergleichen, die Erhöhung der Zufuhrströmungsrate des Oxidierungsgases durch das Gegendruck-Regelventil 16 oder dergleichen, beinhaltet, durchgeführt wird wie bereits in den ersten bis dritten Beispielen beschrieben. Anschließend wird davon abgezweigt, abhängig davon, ob der Systemstoppbefehl vorliegt oder fehlt (Schritt S45), um entweder eine Impedanzmessung (Schritt S42) durchzuführen oder auf einen Spülbetrieb umzuschalten.
Wenn dagegen das Messintervall länger ist als der vorgegebene Schwellenwert (Schritt S43: Ja), wird angenommen, dass die Impedanzmesseinheit 122 nicht in der Lage ist, die Impedanz zu messen, und der Trockenbetrieb, der bis zu diesem Punkt durchgeführt wurde, wird verhindert (Schritt S47). Anschließend wird die Brennstoffzelle 2 vom Trockenbetrieb auf den Normalbetrieb umgeschaltet (Schritt S48). Das Umschalten auf Normalbetrieb wird vorzugsweise durch Ausführen eines Betriebs, der den oben beschriebenen ersten bis dritten Beispielen in Bezug auf den Trockenbetrieb entgegengesetzt ist, erreicht. Beispielsweise wird ein Umschalten auf den Normalbetrieb im Gegensatz zu einem Trockenbetrieb vorzugsweise durch Senken der Rate, mit der das Oxidierungsgas vom Kompressor 14 geliefert wird, Erhöhen des Zufuhrdrucks des Oxidierungsgases durch das Gegendruck-Regelventil 16, Senken der Drehzahl der Kühlpumpe 42 oder dergleichen durchgeführt. Jedoch wird in Schritt S48 keine Nasssteuerung der Brennstoffzelle 2 (drittes Steuerungsbeispiel, viertes Steuerungsbeispiel) durchgeführt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem achten Steuerungsbeispiel, wenn die Impedanz während des Trockenbetriebs nicht gemessen werden kann und der Messwert nicht normal aktualisiert werden kann, der Trockenbetrieb verboten und die Brennstoffzelle 2 wird wieder in den Normalbetrieb zurückgebracht. Infolgedessen kann die Verhinderung des Trockenbetriebs das Risiko einer Übertrocknung (eines sogenannten Austrocknens) der Brennstoffzelle 2, das gegeben ist, wenn der Trockenbetrieb in einem Zustand durchgeführt wird, wo nicht klar ist, ob die Ionentauschermembran der Brennstoffzelle eher trocken oder eher nass ist, unterdrücken. Daher kann auch ohne eine Schätzung des Wassergehalts der Brennstoffzelle 2, wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann, wie im Fall des sechsten Steuerungsbeispiels, die Brennstoffzelle in einem angemessen Zustand betrieben werden und eine Fehlersicherung kann erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Aufbauschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Ablaufschema, das ein erstes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ist ein Ablaufschema, das ein zweites Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist ein Ablaufschema, das ein drittes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein Ablaufschema, das ein viertes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Blockschema, das ein fünftes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist ein Restwasser-Sollmengenkennfeld, das im fünften Steuerungsbeispiel verwendet wird und das eine Beziehung zwischen einer Impedanz einer Brennstoffzelle und einem Restwassermengen-Sollwert auf einer Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle darstellt;
8 ist ein Luftströmungs-Sollratenkennfeld, das im fünften Steuerungsbeispiel verwendet wird und das eine Beziehung zwischen einer Luftströmungs-Sollrate, einem BZ-Strom und einer Restwassermenge zeigt;
9 ist ein Wassergehaltsschätzungs-Kennfeld, das im fünften Steuerungsbeispiel verwendet wird und das eine Beziehung zwischen einer Impedanz einer Brennstoffzelle und einem Wassergehalt der Brennstoffzelle anzeigt;
10 ist ein Blockschema, das ein sechstes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist ein Blockschema, das ein siebtes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; 12 ist ein Restwasser-Sollmengenkennfeld, das im siebten Steuerungsbeispiel verwendet wird und das eine Beziehung zwischen einer Impedanz einer Brennstoffzelle und einem Restwassermengen-Sollwert auf einer Luftelektroden-Seite der Brennstoffzelle darstellt;
13 ist ein Luftgegendruck-Sollwertkennfeld, das im siebten Steuerungsbeispiel verwendet wird und das eine Beziehung zwischen einem Soll-Luftgegendruck, einem BZ-Strom und einer Restwassermenge zeigt;
14 ist ein Aufbauschema des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf ein achtes Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung; und
15 ist ein Ablaufschema, welches das achte Steuerungsbeispiel für eine Wassergehaltssteuerung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verkürzung einer Zeit, die nötig ist, um ein Brennstoffzellensystem anzuhalten und ein Einfrieren einer Brennstoffzelle zu unterdrücken. Das Brennstoffzellensystem weist eine Steuereinrichtung auf, die Betriebsabläufe einer Brennstoffzelle steuert, und die Steuereinrichtung betreibt die Brennstoffzelle in einer Trockenheitsbedingung gemäß einer Zustandsgröße (z. B. Impedanz) der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle. Die Steuereinrichtung kann die Brennstoffzelle trocken betreiben, bevor ein Systemstoppbefehl ausgegeben wird. Außerdem kann die Steuereinrichtung einen Betrieb der Brennstoffzelle von trocken auf nass umschalten, wenn eine geforderte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit eines Fahrzeugs einen vorgegebenen Wert erreicht oder übertrifft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-111196 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; und eine Steuereinrichtung, die Betriebsabläufe der Brennstoffzelle steuert, wobei die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle gemäß einer Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle trocken steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle trocken steuert, bevor ein Systemstoppbefehl ausgegeben wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle von einem Trockenbetrieb auf einen Nassbetrieb umschaltet, wenn eine geforderte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wert erreicht oder übertrifft.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle von einem Trockenbetrieb auf einen Nassbetrieb umschaltet, wenn eine Fortbewegungsgeschwindigkeit eines beweglichen Objekts, in dem das Brennstoffzellensystem eingebaut ist, einen vorgegebenen Wert erreicht oder übertrifft.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zustandsgröße der in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle eine Impedanz der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, ferner eine Zufuhreinrichtung aufweisend, die Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, wobei die Steuereinrichtung eine Messeinheit aufweist zum Messen der Impedanz, die Steuereinrichtung einen Restwassermengen-Sollwert der Brennstoffzelle für eine Trockenheitsbedingung auf Basis einer gemessenen Impedanz bestimmt und eine Sollmenge für das Oxidierungsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, so bestimmt, dass der Sollwert erreicht wird, und die Steuereinrichtung einen aktuellen Wassergehalt der Brennstoffzelle auf Basis der gemessenen Impedanz schätzt, die Sollmenge für das Oxidierungsgas auf Basis des Wassergehalts korrigiert und die Zufuhreinrichtung so steuert, dass die korrigierte Zufuhr-Sollmenge erreicht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung eine Messeinheit zum Messen der Impedanz und eine Recheneinheit zum Berechnen einer Restwassermenge der Brennstoffzelle aufweist, und die Steuereinrichtung einen Wassergehalt der Brennstoffzelle unter Verwendung einer von der Recheneinheit berechneten Restwassermenge schätzt, wenn die Messeinheit nicht in der Lage ist, die Impedanz zu messen, und die Brennstoffzelle auf Basis des geschätzten Wassergehalts trocken betreibt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit beim Schätzen des Wassergehalts der Brennstoffzelle zusätzlich zu der von der Recheneinheit errechneten Restwassermenge eine Impedanz verwendet, die von der Messeinheit als letztes gemessen wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung einen Trockenbetrieb der Brennstoffzelle verhindert, wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, ferner einen Zeitnehmer zum Messen eines Impedanzmessintervalls aufweisend, wobei die Steuereinrichtung einen Trockenbetrieb der Brennstoffzelle verhindert, wenn das vom Zeitnehmer gemessene Messintervall einen Schwellenwert überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuereinrichtung, wenn die Impedanz nicht gemessen werden kann, den Betrieb der Brennstoffzelle von trocken auf normal umschaltet.