DE112008003451T5

DE112008003451T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben

Info

Publication number: DE112008003451T5
Application number: DE112008003451T
Authority: DE
Inventors: Kenji Toyota-shi Umayahara; Takeshi Toyota-shi Maenaka; Atsushi Toyota-shi Imai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: WO2009084553A1; DE112008003451B4; US20100239930A1; JP2009158383A; CN101911361A; US9905869B2; JP4407750B2; CN101911361B

Abstract

Brennstoffzellensystem aufweisend:
eine Brennstoffzelle;
einen Hydrierungszustandsdetektor, der angepaßt ist, einen Hydrierungszustandsindex zu erfassen, der mit einem Hydrierungszustand im Inneren der Brennstoffzelle in Verbindung steht; und
eine Steuerung, die angepaßt ist, eine Ausgabe der Brennstoffzelle gemäß einem Ausgabeerfordernis für das Brennstoffzellensystem zu steuern;
wobei die Steuerung einen Strombegrenzungsprozess ausführt, um einen Stromwert der Brennstoffzelle auf einen Wert zu bringen, der niedriger als ein benötigter Stromwert ist, welcher gleich dem Ausgabeerfordernis ist, um die Ausgabe der Brennstoffzelle zeitweise zu begrenzen; und
falls der Hydrierungszustandsindex ein niedrigeres Hydrierungslevel anzeigt, wird das Ausführen des Strombegrenzungsprozesses unter milderen Umständen getriggert, im Vergleich zu einem Fall, in dem ein höheres Hydrierungslevel angezeigt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine typische Brennstoffzelle hat eine gestapelte Struktur, die eine Anzahl von gestapelten Leistungserzeugungselementen (oder Membran-Elektroden-Anordnungen) aufweist, von denen jedes eine Elektrolytmembran aufweist, die zwischen Elektroden sandwichartig eingebracht ist. Da eine Brennstoffzelle elektrische Leistung sammelt, die durch die individuellen bzw. einzelnen Erzeugungselemente erzeugt wird, und diese zu einer externen Last zuführt, ist es erwünscht, dass die einzelnen Erzeugungselemente in der Lage sind, eine elektrische Leistung einheitlich zu erzeugen. Zu diesem Zweck sind Erhol- bzw. Wiederherstellungsverfahrensabläufe vorgeschlagen worden, wobei, falls ein signifikanter Abfall beim Erzeugen einer Leistung eines Abschnitts der Erzeugungselemente erfasst worden ist, die Ausgabe der gesamten Brennstoffzelle beschränkt wird, so dass sich dieser Abschnitt der Erzeugungselemente erholen kann bzw. dieser wiederhergestellt werden kann (siehe unter anderem JP 2005-197008A und JP 2002-164065A ).
Darüber hinaus ist es in einer Brennstoffzelle erwünscht, die Elektrolytmembran während der kontinuierlichen Erzeugung von Elektrizität in einem angemessenen hydrierten Zustand aufrecht zu erhalten. Falls eine Brennstoffzelle weiterhin Elektrizität erzeugt, obwohl die Elektrolytmembran trocken geworden ist, besteht die Möglichkeit bzw. die Gefahr, dass die Elektrolytmembran geschwächt bzw. schlechter wird. Allerdings erzeugt die Brennstoffzelle, selbst wenn die Elektrolytmembran einen Zustand von Trockenheit erreicht hat, der möglicherweise zu einer solchen Schwächung bzw. Verschlechterung führen könnte, weiter Elektrizität, falls kein Abfall beim Erzeugen der Leistung, die zum Triggern bzw. Ansteuern des Wiederherstellungsprozesses erforderlich ist, erfasst wird, wodurch ein Zerfall bzw. ein Schwächung der Brennstoffzelle verursacht werden kann. Derzeit existiert noch kein zufriedenstellendes Messverfahren, um dieses Problem zu beheben.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologe zum Unterdrücken der Schwächung bzw. des Zerfalls einer Brennstoffzelle vorzusehen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die obenstehenden Aufgaben dieser Erfindung können gemäß der folgenden Aspekte und Modi der Erfindung zumindest teilweise gelöst.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Brennstoffzelle; einen Hydrierungszustandsdetektor, der angepaßt ist, einen Hydrierungszustandsindex zu erfassen, der mit dem Hydrierungszustand im Inneren der Brennstoffzelle in Verbindung steht; und eine Steuerung, die angepaßt ist, eine Ausgabe der Brennstoffzelle gemäß einem Ausgabeerfordernis für das Brennstoffzellensystem zu steuern, wobei die Steuerung einen Strombegrenzungsprozess ausführt, um einen Stromwert der Brennstoffzelle auf einen Wert zu bringen, der niedriger als ein erforderlicher Stromwert ist, welcher gleich dem Ausgabeerfordernis ist, um die Ausgabe der Brennstoffzelle zeitweise zu begrenzen, und falls der Hydrierungszustandsindex ein niedrigeres Hydrierungslevel anzeigt, wird die Ausführung des Strombegrenzungsprozesses unter mildernen Umständen (engl.: more lenient conditions) getriggert bzw. angesteuert, im Vergleich zu einem Fall, in dem ein höheres Hydrierungslevel angezeigt wird.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird die Wahrscheinlichkeit, dass der Strombegrenzungsprozess angesteuert wird, in Verbindung mit niedrigeren Hydrierungslevel im Inneren der Brennstoffzelle schrittweise höher, und das Anlegen einer übermäßigen Last, während sich die Elektrolytmembran in einem getrockneten Zustand aufgrund einer unzureichenden Hydrierung im Inneren der Brennstoffzelle befindet, wird vermieden. Folglich kann die Schwächung der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
Das Brennstoffzellensystem kann weiter einen Spannungsmessabschnitt aufweisen, der angepaßt ist, um die Spannung der Brennstoffzelle zu messen, wobei der Strombegrenzungsprozess angesteuert bzw. getriggert wird, wenn die Messung bzw. das Messergebnis, das durch den Spannungsmessabschnitt aufgenommen wird, kleiner als ein Grenzwert ist, und die Steuerung den Grenzwert in Verbindung mit höheren Hydrierungslevel, wie durch den Hydrierungszustandsindex angezeigt, schrittweise auf kleinere Werte einstellt.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird der Spannungsgrenzwert, bei welchem der Strombegrenzungsprozess angesteuert wird, in Verbindung mit höheren Hydrierungslevel, wie durch den Hydrierungszustandsindex angezeigt, schrittweise kleiner, wenn ein Spannungsabfall der Brennstoffzelle erfasst worden ist. Folglich wird der Strombegrenzungsprozess einfacher angesteuert und die Schwächung der Brennstoffzelle zufriedenstellender unterdrückt, wenn das Hydrierungslevel im Inneren der Brennstoffzelle niedrig ist.
In dem Brennstoffzellensystem kann die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Leistungserzeugungselementen umfassen, der Spannungsmessabschnitt Spannung einzeln für jede der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente messen, und der Strombegrenzungsprozess angesteuert bzw. getriggert werden, wenn die Messung bzw. das Messergebnis für mindestens eine der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente unter den Grenzwert gefallen ist.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem wird das Anlegen einer übermäßigen Last an nur einem Abschnitt der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente, die die Brennstoffzelle ausmachen, vermieden, so dass die Schwächung dieses Abschnitts der Leistungserzeugungselmente unterdrückt wird.
Im Brennstoffzellensystem kann der Hydrierungszustandsdetektor einen Impedanzmessabschnitt umfassen, der angepaßt ist, einen Widerstand der Brennstoffzelle als den Hydrierungszustandsindex zu messen, wobei die Steuerung den Grenzwert in Verbindung mit kleineren Messungen bzw. Messergebnissen, die durch den Impedanzmessabschnitt aufgenommen werden, schrittweise auf kleinere Werte einstellen kann.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem steht die höhere Impedanz der Brennstoffzelle mit einem niedrigeren Hydrierungslevel im Inneren der Brennstoffzelle und einem niedrigeren Spannungsgrenzwert, bei welchem der Strombegrenzungsprozess angesteuert wird, in Verbindung, und steuert dadurch den Strombegrenzungsprozess relativ früh bzw. frühzeitig an. Folglich kann die Schwächung der Brennstoffzelle zufriedenstellender unterdrückt werden.
In dem entsprechenden Brennstoffzellensystem kann der Hydrierungszustandsindex einen ersten Wert umfassen, der ein relativ niedriges Hydrierungslevel angezeigt, und einen zweiten Wert, der ein relativ hohes Hydrierungslevel anzeigt, wobei die Steuerung den Hydrierungszustandsindex auf den ersten Wert einstellen kann, bis der Hydrierungszustandsindex durch den Hydrierungszustandsdetektor erfasst worden ist.
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem bleibt der Hydrierungszustandsindex während der Dauer zwischen dem Starten des Brennstoffzellensystems und der Erfassung des Hydrierungszustandsindexes auf den ersten Wert eingestellt, der als Initialwert bzw. Anfangswert bereitgestellt wird. Somit wird während des Anfangsbetriebs des Brennstoffzellensystems, zu welchem Zeitpunkt typischerweise eine übermäßige Last von der Brennstoffzelle benötigt wird, die Wahrscheinlichkeit des Ansteuerns des Strombegrenzungsprozesses auf die Brennstoffzelle relativ hoch sein. Somit kann die Schwächung der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
Zum Ausführen der vorliegenden Erfindung gibt es eine beliebige Anzahl möglicher Modi, z. B., eine Brennstoffzelle; ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle vorgesehen ist; oder ein Fahrzeug mit einem darauf installierten, solchen Brennstoffzellensystem.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems beschreibt;
2 zeigt ein schematisches Diagramm, das die elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems darstellt;
3A bis 3C zeigen Figuren, die das Steuern einer Brennstoffzelle während eines Normalbetriebs illustrieren.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Prozessablauf eines Spannungswiederherstellungsprozesses darstellt;
5 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Prozessablauf eines Elektrolytmembranhydrierungslevelerfassungsprozesses darstellt;
6A und 6B zeigen Figuren, die ein spezifisches Beispiel eines ersten und zweiten Stromgrenzwertkennfeldes beschreiben; und
7 zeigt eine Figur, die einen Strombegrenzungsprozess und einen Stromwiederherstellungsprozess darstellt.
Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
A. Ausführungsform 1:
1 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der folgenden Erfindung beschreibt. Dieses Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstack bzw. Brennstoffzellenstapel 10, ein Wasserstoffzuführsystem 20 und ein Luftzuführsystem 30, welche mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden sind, und eine Steuerung 40.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist eine Fest-Polymer-Brennstoffzelle bzw. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, und erzeugt einen elektrischen Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen diesen Reaktionsgasen. Der Brennstoffzellenstapel 10 muss jedoch nicht notwendigerweise eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle sein, da es auch möglich ist, die Erfindung in eine beliebige Brennstoffzelle zu implementieren.
Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Stapelstruktur auf, die eine Mehrzahl von Einheitszellen 1 umfasst, wobei jede ein Leistungserzeugungselement mit einer Elektrolytmembran aufweist, die sandwichartig zwischen Elektroden vorgesehen ist. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist zudem mit einem Spannungssensor 11 eingerichtet, der angebracht ist, ein Potential in jeder einzelnen Einheitszelle 1 zu messen.
Das Wasserstoffzuführsystem 20 umfasst einen Wasserstofftank 21 zum Speichern des Wasserstoffs, und eine Wasserstoffspeiseleitung 22. Der Wasserstofftank 21 ist durch die Wasserstoffspeiseleitung 22 mit einem Wasserstoffspeiserohr (nicht dargestellt) verbunden, dass an dem Brennstoffzellenstapel 10 so vorgesehen ist, dass das Wasserstoffzuführsystem 20 den Brennstoffzellenstapel 10 Wasserstoff zuführen kann. An der Wasserstoffspeiseleitung 22 sind beginnend vom stromaufwärtigen Ende, ein Druckregelventil 23 zum Regulieren des Druckes des Wasserstoffs, und ein Gasdurchflussmeter 24 zum Messen der Durchflussrate des Wasserstoffs, angeordnet.
Das Wasserstoffzuführsystem 20 ist außerdem mit einer Wasserstoffablassleitung 25 eingerichtet, die mit einem Wasserstoffablassrohr (nicht dargestellt) des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Die Wasserstoffablassleitung 25 lässt das Anodenabgas, welches im Wasserstoff enthalten ist, und nicht während der elektrochemischen Reaktion verbraucht worden ist, an die Umgebung des Brennstoffzellenstapels 10 ab. An der Wasserstoffablassleitung 25 sind beginnend vom Stromaufwärtsende eine Druckanzeige 26 zum Messen des Wasserstoffdrucks, und ein Wasserstoffablassventil 27, das aus einem An-Aus-Ventil zum Unterbrechen des Ablassens des Anodenabgases besteht, falls dies benötigt wird, angeordnet.
Das Luftzuführsystem 30 umfasst einen Luftkompressor 31 und eine Luftspeiseleitung 32. Der Luftkompressor 31 ist durch die Luftspeiseleitung 32 mit einem Luftspeiserohr (nicht dargestellt), das am Brennstoffzellenstapel 10 vorgesehen ist, verbunden, so dass das Luftzuführsystem 30 dem Brennstoffzellenstapel 10 komprimierte Luft zuführen kann. An der Wasserstoffspeiseleitung 32 sind beginnend vom Stromaufwärtsende ein Befeuchter 35 zum Befeuchten der komprimierten Luft, ein Druckregelventil 33 zum Regeln des Druckes der komprimierten Luft, und ein Gasdurchflussregler 34 zum Messen der Durchflussrate der komprimierten Luft, angeordnet.
Das Luftzuführsystem 30 ist außerdem mit einer Luftablassleitung 36 eingerichtet, die mit einem Luftablassrohr (nicht dargestellt) des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Die Luftablassleitung 36 lässt das Kathodenabgas, welches Sauerstoff enthält, der nicht in bzw. während der elektrochemischen Reaktion verbraucht worden ist, an die Umgebung des Brennstoffzellenstapels 10 ab. Eine Druckanzeige 37 zum Messen eines Druckes des Kathodenabgases ist an der Luftablassleitung 36 vorgesehen.
Wo das Brennstoffzellensystem 100 an einem sich bewegenden Körper wie zum Beispiel einem Auto installiert worden ist, wird die Steuerung 40 das Ausgabeerfordernis für das Brennstoffzellensystem 100 (bezeichnet als „externes Ausgabeerfordernis”) basierend auf einer externen Last erfassen, die abhängig vom Level bzw. Grad des Niederdrückens des Gaspedals 50 ist. Die Steuerung 40 erfasst auch Statusinformationen für das System von verschiedenen Sensoren, wie zum Beispiel den zwei Gasdurchflussmetern 24, 34, den zwei Druckanzeigen 26, 37, und dem vorher erwähnten Spannungssensor 11. Basierend auf dem externen Ausgabeerfordernis und diesen Systemstatusinformationen, wird die Steuerung 40 das Öffnen und Schließen der Druckregelventile 23, 33 und des Wasserstoffablassventils 27 steuern, um die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 zu steuern. Die Steuerung 40 regelt auch das Feuchtigkeitslevel bzw. den Feuchtigkeitsgrad, der durch den Befeuchter 35 in der komprimierten Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, erzeugt wird.
2 zeigt ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 100 darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst weiter eine Sekundärzelle 60, einen DC/DC-Wandler 70, einen DC/AC-Inverter 80, und einen Impedanzmessabschnitt 90.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist mit dem DC/AC-Inverter 80 über eine DC-Leistungszuführleitung DCL verbunden. Die Sekundärzelle 60 ist mit der DC-Leistungszuführleitung DCL über den DC/DC-Wandler 70 verbunden. Der DC/AC-Inverter 80 ist mit einer externen Last verbunden, in diesem Fall einem Motor 200.
Die Sekundärzelle 60 funktioniert als eine Hilfsleistungseinheit für den Brennstoffzellenstapel 10, und kann zum Beispiel aus einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zelle bestehen. Der DC/DC-Wandler 70 funktioniert als Lade-/Entladesteuerung zum Steuern des Ladens und Entladens der Sekundärzelle 60, und führt verschiedene Einstellungen am Spannungslevel der DC-Leistungszuführleitung DCL als Antwort bzw. in Erwiderung auf Instruktionen bzw. Befehle von der Steuerung 40 durch. Falls die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 nicht ausreichend ist, um das externe Ausgabeerfordernis zu erfüllen, wird der DC/DC-Wandler 70 Elektrizität von der Sekundärzelle 60 entladen bzw. die Sekundärzelle 60 entladen, um dieses Defizit zu kompensieren.
Der DC/AC-Inverter 80 wandelt DC-Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Sekundärzelle 60 erhalten wird, in AC-Leistung um. Der Motor 200 kann aus einem 3-Phasen-Motor bzw. Drehstrommotor oder dergleichen bestehen, und erzeugt in Erwiderung auf eine AC-Leistung vom DC/AC-Inverter 80 eine Antriebskraft. Wenn seine äußeren Rotoren durch externe Kräfte rotiert werden, funktioniert der Motor 200 als ein Generator und erzeugt AC-Leistung (regenerative Leistung). Diese regenerative Leistung wird durch den DC/AC-Inverter 80 in DC-Leistung gewandelt, und verwendet, um die Sekundärzelle 60 über den DC/DC-Wandler 70 zu laden.
Der Impedanzmessabschnitt 90 ist mit einem Messinstrument 91 zum Messen einer Impedanz, und einer AC-Stromversorgung bzw. einem AC-Netzteil 92 eingerichtet. Das Messinstrument 91 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, und misst die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 während der Leistungserzeugung. Der Impedanzmessabschnitt 90 sendet die gemessenen Ergebnisse an die Steuerung 40.
Durch Messungen bzw. Messergebnisse, die durch den Spannungssensor 11 (1) vorgesehen sind, erfasst die Steuerung 40 Ausgabeleistungsmesswerte (den Zustand der Leistungserzeugung) des Brennstoffzellenstapels 10. Die Steuerung 40 erfasst außerdem den Ladezustand (engl.: state of charge, SOC) der Sekundärzelle 60. Basierend auf diesen Informationsteilen stellt die Steuerung 40 die Ausgabespannung bzw. Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 70 ein und steuert die Ausgabeleistung bzw. Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 und der Sekundärzelle 60. Die Steuerung 40 steuert außerdem die AC-Leistungsfrequenz durch den DC/AC-Inverter 80, und verursacht den Motor 200 das erforderliche Moment bzw. Drehmoment (Momentbefehl) zu erzeugen.
3A bis 3C zeigen Figuren, die eine Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 während eines Normalbetriebs illustrieren. Hierbei steht „Normalbetrieb” für einen Zustand einer kontinuierlichen Leistungserzeugung ohne normale bzw. abweichende Spannungsabfälle in den Einheitszellen 1 des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einem Ausgabebefehl von der Steuerung 40.
3A zeigt einen Graphen, der eine Zeitveränderung einer Ausgabespannung bzw. Ausgangsspannung, die von einem Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird, durch eine Steuerung 40 (diese wird als „BZ-benötigte-Leistung” bezeichnet). Der Graph von 3A stellt dar, dass in Verbindung mit einem Anstieg eines externen Ausgabeerfordernisses zum Zeitpunkt t₀, die Steuerung 40 das Level für FZ-benötigte-Leistung von W₀ bis W₁ anhebt, und anschließend das Level der BZ-benötigte-Leistung auf W₁ aufrecht erhält.
Basierend auf den W-I-Kenndaten des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet die Steuerung 40 einen Stromwert für eine Ausgabe durch den Brennstoffzellenstapel 10 gemäß dem Level einer BZ-benötigten-Leistung, und legt im DC/DC-Wandler 70 (2) eine Ausgangsspannung gemäß diesem Stromwert an. Die Steuerung 40 wird dann die Durchflussraten der Reaktionsgase und die Mengen der Abgase durch die Druckregelventile 23, 33 und das Wasserstoffablassventil 27 (1) so steuern, dass der Brennstoffzellenstapel 10 in der Lage ist, die erforderliche Leistung auszugeben.
3B zeigt einen Graphen, der eine Zeitveränderung einer Ausgangsspannung in einer beliebigen Einheitszelle 1 des Brennstoffzellenstapels 10 beschreibt, wenn es dort eine Veränderung des Levels bzw. des Zustandes der BZ-benötigten-Leistung, wie in 3A dargestellt, gegeben hat. In 3B zeigt die durchgehende Linie des Graphen G1 an, dass der Ausgangsspannungswert von jeder einzelnen Einheitszelle 1 des Brennstoffzellenstapels 10 beginnend von einem Zeitpunkt t₀ von einem Spannungswert V₀ abfällt, zum Zeitpunkt t₁ dann einen Ausgangsspannungswert V₁ gleich dem Level der BZ-benötigten-Leistung erreicht, und anschließend auf einem Spannungswert V₁ aufrechterhalten wird. Die Ausgangsspannung des gesamten Brennstoffzellenstapels 10 ist dann die Summe der Ausgangsspannungen der einzelnen Einheitszellen 1.
3C zeigt einen Graphen, der eine Zeitveränderung eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 beschreibt, wenn eine Veränderung des Levels bzw. der Größe der BZ-benötigten-Leistung, wie in 3A dargestellt, aufgetreten ist. Basierend auf den V-I-Kenndaten des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht sich der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 während des Intervalls zwischen Zeitpunkt t₀ Zeitpunkt t₁ von einem Stromwert I₀ auf einen Stromwert I₁ synchron mit der Ausgangsspannungsveränderung, dargestellt in 3B, und wird anschließend auf einem Stromwert I₁ aufrechterhalten.
Während des hier beschriebenen Normalbetriebs geben die Einheitszellen 1 die Ausgangsspannung, wie in 3B angezeigt, auf eine im Wesentlichen Einheitliche Weise, wie vorstehend erwähnt, aus. Sobald jedoch der auszugebende Stromwert I₁ erreicht worden ist, können in manchen Fällen manche der Einheitszellen 1 in Brennstoffzellenstapeln 10 einen beträchtlichen Abfall bezüglich der Ausgangsspannung (wie durch die gestrichelte Linie des Graphen G2 in 3B angezeigt) erfahren und ferner, in manchen Fällen, auf eine negative Spannung abfallen. Mögliche Ursachen hierfür könnten ein merklicher Anstieg eines Innenwiderstandes in manchen der Einheitszellen aus irgendeinem Grund sein, eine unzureichende Reaktionsgasspeiserate, oder eine unzureichende Hydrierung der Elektrolytmembran.
Falls der Brennstoffzellenstapel 10 weiter Leistung erzeugt, während manche der Einheitszellen 1 diese Art von beträchtlichem Abfall der Ausgangsspannung erfahren haben, wird nicht nur der Brennstoffzellenstapel 10 als Ganzes einen Abfall einer Erzeugungseffizienz erfahren, sondern auch eine Schwächung bzw. ein Zerfall der besagten Einheitszellen 1 die Folge sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in solchen Fällen für die Einheitszelle 1, die aus der gesamten Mehrzahl von Einheitszellen 1 den größten Abfall der Spannung erfahren hat, der Spannungswiederherstellungsprozess, der untenstehend beschrieben wird, in dem Fall ausgeführt, in dem erfasst wird, dass das Spannungslevel der Einheitszelle unter einen vorgeschriebenen Grenzwert (bezeichnet als „Wiederherstellungsprozessansteuergrenzwert”) gefallen ist. Hiernach wird die Einheitszelle 1, die den größten Abfall der Spannung erfährt, als „Niederspannungszelle 1”, und die Spannung, die in der Niederspannungszelle 1 erfasst wird, als „niedrigste Zellspannung” bezeichnet.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf des Spannungswiederherstellungsprozesses in dem Brennstoffzellensystem 100 darstellt. In Schritt S110 wird ein Elektrolytmembranhydrierungslevelerfassungsprozess zum Erfassen eines Hydrierungslevels der Elektrolytmembranen im Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt.
Das Hydrierungslevel der Elektrolytmembran wird erfasst, um zu überprüfen, ob unzureichende Hydrierung der Elektrolytmembran die Ursache für den Spannungsabfall ist, der in der Niederspannungszelle 1 vermerkt wurde. Generell ist es in einer Brennstoffzelle wünschenswert, dass die Elektrolytmembran während der Elektrizitätserzeugung in einem Zustand einer angemessenen Hydrierung aufrechterhalten wird, denn falls die Brennstoffzelle weiter Elektrizität erzeugt, wenn sich die Elektrolytmembran in einem Zustand einer unzureichenden Hydrierung befindet, kann dies den Zerfall bzw. das Schwächen der Elektrolytmembran zur Folge haben. Aus diesem Grund wird das Hydrierungslevel der Elektrolytmembran des vorliegenden Brennstoffzellensystems 100 erfasst, und abhängig vom Hydrierungslevel der Elektrolytmembran ein angemessener Spannungswiederherstellungsprozess ausgeführt. Der Elektrolytmembranhydrierungslevelerfassungsprozess wird insbesondere wie folgt ausgeführt.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf des Elektrolytmembranhydrierungslevelerfassungsprozesses darstellt. In Schritt S210 misst die Steuerung 40 die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Impedanzmessabschnitt 90. Hierbei wird die Impedanz deshalb gemessen, da eine Impedanz einer Brennstoffzelle typischer Weise in Verbindung mit einem Abfall der Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle ansteigt, und es daher möglich ist, das Feuchtigkeitslevel bzw. den Feuchtigkeitsgehalt im Inneren der Brennstoffzelle durch Messen dessen Impedanz zu ermitteln. Das heißt, in diesem Brennstoffzellensystem 100 kann der Impedanzwert des Brennstoffzellenstapels 10 durch einen Hydrierungszustandsindex erfasst werden, der in Verbindung mit den Hydrierungszuständen im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 steht.
Im Schritt S220 führt die Steuerung 40 einen Vergleich des Impedanzwertes, der in Schritt 210 erhalten wird, mit einem ersten Impedanzwert Z₁ durch. Hierbei ist der „erste Impedanzwert Z₁” ein Grenzwert, der als ein Kriterium zum Entscheiden dient, ob sich die Elektrolytmembran in einem angemessenen hydrierten Zustand befindet oder nicht. Dieser erste Impedanzwert Z₁ ist in der Steuerung 40 vorher auf einen angemessenen Wert eingestellt worden, der durch Testen oder dergleichen erhalten wurde.
Falls der gemessene Impedanzwert gleich oder größer dem ersten Impedanzwert Z₁ ist, stellt die Steuerung 40 ein Trocken-Flag auf „AN” (Schritt S230). Das „Trocken-Flag” ist eine innere Variable der Steuerung 40, und zeigt dem Zustand des Brennstoffzellensystems 100 und zeigt an, ob sich der Brennstoffzellenstapel 10 in einem angemessenen hydrierten Zustand befindet oder nicht. Insbesondere wenn das Trocken-Flag „AN” ist, zeigt dies an, dass die Elektrolytmembran ein unzureichendes Hydrierungslevel bzw. einen unzureichenden Hydrierungsgrad hat, und sich das die Elektrolytmembran in einem getrockneten Zustand befindet. Wenn das Trocken-Flag hingegen „AUS” ist, zeigt dies an, dass sich die Elektrolytmembran in einem angemessenen hydrierten Zustand befindet. Das heißt, falls die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder größer als der erste Impedanzwert Z₁ ist, entscheidet die Steuerung 40, dass die Elektrolytmembran ein unzureichendes Hydrierungslevel aufweist.
In einer bevorzugten Anwendung wird das Trocken-Flag als Initialwert bzw. Startwert beim Starten des Brennstoffzellensystems 100 auf „AN” gesetzt bzw. eingestellt. In diesem Fall wird das Trocken-Flag in dem „AN”-Zustand vom Zeitpunkt des Startens des Brennstoffzellensystems 100 bis zur Impedanzmessung von Schritt 210 und der Aktualisierung des Trocken-Flags aufrechterhalten.
Der Grund zum Setzen bzw. Einstellen des Anfangswertes des Trocken-Flags auf „AN” ist folgender. Während dem Starten des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere unter Niedrigtemperaturbedingungen (z. B. unter dem Gefrierpunkt), besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Elektrolytmembran trocken sein wird, als auch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass übermäßige Lasterfordernisse am Brennstoffzellenstapel 10 angelegt sein werden. Durch Einstellen des Anfangswertes des Trocken-Flags auf „AN” und Erhöhen der Wahrscheinlichkeit der Ansteuerung des Strombegrenzungsprozesses (4: Schritt S150) beim Starten (später beschrieben), wird das Anlegen einer übermäßigen Last am Brennstoffzellenstapel 10 vermieden.
In Schritt S240 führt die Steuerung 40 einen Vergleich des Impedanzwertes des Brennstoffzellenstapels 10 mit einem zweiten Impedanzwert Z₂ durch, und, falls der Impedanzwert des Brennstoffzellenstapels 10 niedriger als der zweite Impedanzwert Z₂ ist, wird das Trocken-Flag in Schritt S250 auf „AUS” einstellen. Hierbei ist der „zweite Impedanzwert Z₂” ein Grenzwert, der als ein Kriterium zum Bestimmen dient, ob sich die Elektrolytmembran von einem trockenen Zustand in einen angemessenen hydrierten Zustand verändert hat. Dieser zweite Impedanzwert Z₂ ist in der Steuerung 40 auf einen angemessenen Wert, der durch Testen oder dergleichen erreicht worden ist, eingestellt worden. Das heißt, in dem vorliegendem Brennstoffzellensystem 100, wenn das Trocken-Flag einmal auf „AN” eingestellt worden ist, wird das Trocken-Flag in dem „AN”-Zustand solange aufrechterhalten, bis der Impedanzwert des Brennstoffzellenstapels 10 unter den zweiten Impedanzwert Z₂ geht.
Sobald das Trocken-Flag im Elektrolytmembranhydrierungslevelerfassungsprozess (Schritt S110) eingestellt worden ist, wird die Steuerung 40 den Flagbestimmungsprozess von Schritt S120 des Spannungswiederherstellungsprozesses ausführen (4). Falls das Trocken-Flag „AUS” ist, wird die Steuerung 40 ein erstes Stromgrenzwertkennfeld laden (Schritt S130), wobei es, falls das Trocken-Flag „AN” ist, ein zweites Stromgrenzwertkennfeld laden wird (Schritt S135).
Hierbei sind die Stromgrenzwertkennfelder Kennfelder, bezüglich des Wertes minimaler Zellspannung, die zum Entscheiden, aufgrund bzw. basierend auf einem maximalen Stromgrenzwert (später erklärt) für die Verwendung in einem Strombegrenzungsprozess, welcher später erklärt wird, verwendet werden (Schritt S150). Insbesondere im vorliegenden Brennstoffzellensystem 100 wird abhängig vom Ergebnis der Bestimmung durch die Steuerung 40 bezüglich des Hydrierungszustandes der Elektrolytmembran ein unterschiedliches Strombegrenzwertkennfeld geladen; und basierend auf der kleinsten bzw. minimalen Zellspannung, anschließend ein größter bzw. maximaler Stromgrenzwert I1 gemäß dem Hydrierungszustand der Elektrolytmembran eingestellt (Schritt S140). Die Stromgrenzwertkennfelder sind vorher im Speicher (nicht dargestellt) der Steuerung 40 gespeichert worden.
6A und 6B beschreiben ein spezifisches Beispiel eines ersten und eines zweiten Stromgrenzwertkennfeldes. 6A beschreibt das erste Stromgrenzwertkennfeld als bzw. mit einem Graphen MP1, der einen maximalen Stromgrenzwert darstellt, der gegen eine minimale Zellspannung aufgetragen ist. Im ersten Stromgrenzwertkennfeld MP1, steigt der maximale Stromgrenzwert in einem Bereich minimaler Zellspannungswerte von Vm₁ bis Vm₂ (Vm₁ < Vm₂) im Allgemeinen exponentiell von einem maximalen Stromgrenzwert von 0 bis I1₁ an, wobei der maximale Stromgrenzwert, wo die minimale Zellspannung Vm₂ oder höher ist, konstant I1₁ ist. Der maximale Stromgrenzwert I1₁ ist gleich dem Stromwert I₁ des Brennstoffzellenstapels 10, zu einem Zeitpunkt, in dem der Spannungswiederherstellungsprozess initiiert bzw. gestartet wird. Nachstehend wird dieser Stromwert I₁ als „Vor-Begrenzungsstromwert I₁” bezeichnet.
Während des in Schritt S150 ausgeführten Strombegrenzungsprozesses wird die Stromausgabe durch den Brennstoffzellenstapel 10 auf den maximalen Stromgrenzwert begrenzt. Insbesondere, wenn dieses erste Stromgrenzwertkennfeld MP1 geladen worden ist, wird die Begrenzung des Stroms im Strombegrenzungsprozess tatsächlich stattfinden, wenn der maximale Stromgrenzwert unter den Vor-Begrenzungsstromwert I₁ geht, oder wenn die minimale Zellspannung kleiner als Vm₂ ist.
6B beschreibt das zweite Stromgrenzwertkennfeld in Form des Graphen MP2, der einen maximalen Stromgrenzwert darstellt, der gegen die minimale Zellspannung aufgetragen ist, die durch die Steuerung 40 erfasst wird, und ist abgesehen von den untenstehend diskutieren Punkten gleich 6A. Im zweiten Stromgrenzwertkennfeld MP2 wird in einem minimalen Zellspannungsbereich von Vm₁ bis Vm₃ (Vm₁ < Vm₃) ein maximaler Stromgrenzwert konstant bei 0 aufrechterhalten. In einem minimalen Zellspannungsbereich von Vm₃ bis Vm₄ (Vm₂, Vm₃ < Vm₄) steigt ein maximaler Stromgrenzwert im Allgemeinen exponentiell von einem maximalen Stromgrenzwert 0 bis I1₁ an; und, wo eine minimale Zellspannung Vm₄ oder größer ist, ist der maximale Stromgrenzwert konstant bei I1₁.
Im Vergleich zum ersten Stromgrenzwertkennfeld MP1, geht der maximale Stromgrenzwert im Stromgrenzwertkennfeld MP2 unter I1₁ bei einer höheren minimalen Zellspannung Vm₄ (Vm₂ < Vm₄). Das heißt, in diesem Brennstoffzellensystem 100 wird der Strombegrenzungsprozess bei einer höheren minimalen Zellspannung angesteuert, wenn das Trocken-Flag „AN” ist, als wenn das Trocken-Flag „AUS” ist. Dies weißt darauf hin, dass der Strombegrenzungsprozess, wenn das Trocken-Flag „AN” ist, unter „milderen Umständen” angesteuert wird, im Vergleich zu einem Fall, in dem das Trocken-Flag „AUS” ist. Zusätzlich wird in diesem Brennstoffzellensystem 100, selbst dort, wo die gleiche minimale Zellespannung erfasst wird, die Größe des Stroms, die im Strombegrenzungsprozess begrenzt wird, größer sein, wenn das Trocken-Flag „AN” ist.
7 zeigt eine Figur, die einen Strombegrenzungsprozess und einen Stromwiederherstellungsprozess von Schritt S150 und S160 illustriert (4). 7 ist gleich 3C, mit dem einzigen Unterschied, dass der Stromwert zwischen Zeitpunkt t2 und dem t4 ansteigt und abfällt.
Im Strombegrenzungsprozess von Schritt S150 wird die Steuerung 40 den ausgegebenen Strom bzw. den Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers steuern (2), um den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 auf den maximalen Stromgrenzwert I1 bei einer vorgeschriebenen konstanten Rate bezüglich der Zeit (Zeitpunkt t₂ bis Zeitpunkt t₃) zu reduzieren. Das heißt, der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 wird auf eine wie obenstehend beschriebene Weise begrenzt. Der Grund für das Begrenzen des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 auf diese Weise ist, eine übermäßige Last zu mäßigen, welcher die Niederspannungszelle 1 ausgesetzt ist, so dass die Niederspannungszelle 1 ihre Leistungserzeugungsfähigkeit regenerieren kann. Im Strombegrenzungsprozess muss diese Stromreduzierung nicht bei einer konstanten Rate stattfinden.
Zusammen mit dem Strombegrenzungsprozess wird die Steuerung 40 zum Beispiel auch einen Prozess zum Anheben der Reaktionsgasdurchflüsse zum Brennstoffzellenstapel 10, oder einen Prozess zum Anheben des Gasdruckes der Reaktionsgase ausführen, um eine Wiederherstellung der Leistungserzeugungsfähigkeit durch die bzw. der Niederspannungszelle 1 hervorzubringen. Zudem, falls das Trocken-Flag „AN” ist, wird die Steuerung 40 einen Befeuchtungsprozess ausführen, wie zum Beispiel das Anheben des Befeuchtungslevels der komprimierten Luft durch den Befeuchter 35 (1), um den Hydrierungslevelausfall der Elektrolytmembran zu beheben. Der Befeuchtungsprozess kann auch durch andere Prozesse ausgeführt werden.
In dem Stromwiederherstellungsprozess von Schritt S160, wird die Steuerung 40 den Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers steuern (2), um den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer vorgeschriebenen konstanten Rate bezüglich der Zeit zu erhöhen. Dabei wird die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 während des Intervalls zwischen Zeitpunkt t₃ und Zeitpunkt t₄, vom maximalen Stromgrenzwert I1 auf den Stromwert I₁, welcher ein Stromwert vor der Initiierung des Strombegrenzungsprozesses ist, wiederhergestellt. Im Stromwiederherstellungsprozess muss diese Stromerhöhung nicht bei einer konstanten Rate stattfinden.
Während dem Ausführen des Stromwiederherstellungsprozesses (Zeitpunkt t₃ bis Zeitpunkt t₄) wird die Niederspannungszelle 1 einen Anstieg ihres Ausgangsspannungswertes auf einen Spannungswert V₁ in Verbindung mit einer Wiederherstellung der Erzeugungsleistungsfähigkeit erfahren. Während des Intervalls zwischen Zeitpunkt t₂ und Zeitpunkt t₄, in welchem der Strombegrenzungsprozess und der Stromwiederherstellungsprozess stattfinden, wird der Leistungsausfall bzw. das Leistungsdefizit bezüglich der extern benötigten Leistung durch die Sekundärzelle 60 kompensiert (2).
Auf diese Weise können in diesem Brennstoffzellensystem 100 die Einheitszellen 1 ihre Erzeugungsleistungsfähigkeit durch einen Stromwiederherstellungsprozess, falls ein anormaler bzw. ungewöhnlicher Spannungsabfall in manchen der Einheitszellen 1 auftritt, wiederherstellen, und sie somit vor einer Schwächung bzw. einem Zerfall schützen. Zusätzlich wird der Hydrierungszustand der Elektrolytmembran bewertet, und falls bestimmt wird, dass das Hydrierungslevel nicht zufriedenstellend ist, wird der Stromwiederherstellungsprozess rechtzeitig ausgeführt, und verhindert dadurch das Anlegen einer übermäßigen Last an der Elektrolytmembran während deren Hydrierungslevel unzureichend ist, und vermeidet eine Schwächung bzw. einen Zerfall der Elektrolytmembran. Darüber hinaus, für den Fall einer Bestimmung, dass sich die Elektrolytmembran auf einem angemessenen Hydrierungslevel befindet, wir die Erweiterung der Strombegrenzung im Strombegrenzungsprozess relativ klein, wodurch eine verminderte Lasterwiderung des Brennstoffzellensystems 100 vermieden wird, welche aus einer übermäßigen Begrenzung des Stroms resultieren könnte.
B. Modifizierte Ausführungsformen:
Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls durch die obenstehende Ausführungsform beschränkt, sondern kann auch in verschiedenen anderen Modi ohne vom eigentlichen Kern der Erfindung abzuweichen, ausgearbeitet sein, und zwar mit möglichen Modifikationen, wie zum Beispiel:
B1. Modifizierte Ausführungsform 1:
In der vorhergehenden Ausführungsform misst die Steuerung 40 die Spannung jeder einzelnen Einheitszelle 1 und entscheidet, den Stromwiederherstellungsprozess abhängig von diesen Messungen auszuführen; die Spannung braucht jedoch nicht für jede einzelne Einheitszelle 1 gemessen werden. Der Stromwiederherstellungsprozess kann stattdessen zum Beispiel zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt auf einer anhaltenden bzw. permanenten Basis stattfinden.
B2. Modifizierte Ausführungsform 2:
In der vorstehenden Ausführungsform verändert sich durch Tauschen bzw. Schalten zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsgrenzwertkennfeld MP1, MP2 gemäß dem Trocken-Flag der Grenzwert für die minimale Zellspannung (Vm₂, Vm₄) so, dass, falls das Trocken-Flag „AN” ist, der Strombegrenzungsprozess unter „milderen Umständen” angesteuert wird. Die Umstände bzw. die Voraussetzungen für das Ansteuern des Strombegrenzungsprozesses braucht jedoch nicht durch minimale Zellspannung eingestellt sein. Der Strombegrenzungsprozess kann zum Beispiel angesteuert werden, wenn das übermäßige Ansteigen von BZ-benötigter Leistung gleich einem bestimmten Grenzwert ist oder diesen überschreitet. In diesem Fall wird die Steuerung 40 schrittweise den Grenzwert in Verbindung mit niedrigeren Hydrierungslevel im Inneren der Brennstoffzelle vermindern, so dass der Strombegrenzungsprozess unter milderen Umständen getriggert bzw. angesteuert wird.
B3. Modifizierte Ausführungsform 3:
In der vorstehenden Ausführungsform führt die Steuerung 40 den Strombegrenzungsprozess unter Verwendung von zwei Stromgrenzwertkennfeldern MP1, MP2 aus; jedoch kann stattdessen auch eine größere Anzahl von Stromgrenzwertkennfeldern verwendet werden. In diesem Fall kann das Trocken-Flag Werte als „AN” oder „AUS” zum Anzeigen des Hydrierungslevels der Elektrolytmembran annehmen. Darüber hinaus sind die Stromgrenzwertkennfelder nicht auf die zwei Stromgrenzwertkennfelder MP1, MP2 der vorstehenden Ausführungsform beschränkt, und können durch entsprechendes Testen erstellt werden. Außerdem ist es für die Steuerung 40 nicht notwendig, Stromgrenzwertkennfelder aufzuweisen. In diesem Fall können maximale Stromgrenzwerte, die in ihrer Funktion gleich dem Trocken-Flag sind, in der Steuerung 40 erstellt werden. Alternativ kann es Kennfelder geben, die maximale Stromgrenzwerte mit Hydrierungszustandsindexwerten, welche mit Hydrierungszuständen im Inneren der Brennstoffzelle in Verbindung gebracht worden sind, funktionsgleich mit dem Trocken-Flag in Verbindung bringen.
B4. Modifizierte Ausführungsform 4:
In der vorstehenden Ausführungsform misst die Steuerung 40 die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Impedanzmessabschnitt 90, und bestimmt basierend auf der Messung bzw. dem Messerergebnis den Hydrierungszustand der Elektrolytmembran, und stellt das Trocken-Flag ein. Die Bestimmung des Hydrierungszustandes der Elektrolytmembran kann jedoch auch durch ein anderes Verfahren ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der Feuchtigkeitsgrad bzw. das Feuchtigkeitslevel des Kathodenabgases in der Luftablassleitung 36 des Luftzuführsystems gemessen werden, und das Trocken-Flag anschließend gemäß dieser Messung eingestellt bzw. gesetzt werden.
B5. Modifizierte Ausführungsform 5:
In der vorstehenden Ausführungsform wird der Anfangswert des Trocken-Flags während des Intervalls vom Starten des Brennstoffzellensystems 100 zum Ausführen der Impedanzmessung auf „AN” eingestellt, und das Trocken-Flag auf „AN” aufrecht erhalten (5: Schritt S210). Alternativ kann ein Anfangswert das Trocken-Flags auf „AUS” eingestellt werden. Für die obenstehend beschriebenen Gründe ist es jedoch zu bevorzugen, für den Anfangswert des Trocken-Flags „AN” einzustellen. Während des Startens des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere unter Niedrigtemperaturbedingungen (z. B. unter dem Gefrierpunkt), besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Elektrolytmembran trocken wird. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit des Ansteuerns des Strombegrenzungsprozesses (4. Schritt S150) durch Einstellen des Anfangswertes des Trocken-Flags beim Starten des Brennstoffzellensystems 100 auf „AN” an. Somit wird das Anlegen einer übermäßigen Last am Brennstoffzellenstapel 10 vermieden.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
Falls mindestens ein Abschnitt von Einheitszellen 1 in einem Brennstoffzellenstapel 10 einen signifikanten Spannungsabfall erfährt, wird das Brennstoffzellensystem 100 einen Spannungswiederherstellungsprozess ausführen, der ihnen erlaubt, ihre Erzeugungsleistungsfähigkeit wiederherzustellen. In dem Spannungswiederherstellungsprozess misst eine Steuerung 40 eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10, und bestimmt basierend auf diesen Messungen den Hydrierungszustand der Elektrolytmembran im Inneren der Brennstoffzelle. Falls während der Bestimmung des Hydrierungszustandes die Steuerung 40 bestimmt hat, dass das Hydrierungslevel niedrig ist, wird der Strombegrenzungsprozess zum zeitweise Begrenzen der Ausgabe der Brennstoffzelle 10 zum Wiederherstellen der Erzeugungsleistungsfähigkeit unter milderen Umständen getriggert, als im Vergleich zu dem Fall, in dem bestimmt wird, dass das Hydrierungslevel hoch ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-197008 A [0002]
- JP 2002-164 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Hydrierungszustandsdetektor, der angepaßt ist, einen Hydrierungszustandsindex zu erfassen, der mit einem Hydrierungszustand im Inneren der Brennstoffzelle in Verbindung steht; und eine Steuerung, die angepaßt ist, eine Ausgabe der Brennstoffzelle gemäß einem Ausgabeerfordernis für das Brennstoffzellensystem zu steuern; wobei die Steuerung einen Strombegrenzungsprozess ausführt, um einen Stromwert der Brennstoffzelle auf einen Wert zu bringen, der niedriger als ein benötigter Stromwert ist, welcher gleich dem Ausgabeerfordernis ist, um die Ausgabe der Brennstoffzelle zeitweise zu begrenzen; und falls der Hydrierungszustandsindex ein niedrigeres Hydrierungslevel anzeigt, wird das Ausführen des Strombegrenzungsprozesses unter milderen Umständen getriggert, im Vergleich zu einem Fall, in dem ein höheres Hydrierungslevel angezeigt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Spannungsmessabschnitt, der angebracht ist, um eine Spannung der Brennstoffzelle zu messen, wobei der Strombegrenzungsprozess getriggert wird, wenn das Messergebnis, das durch den Spannungsmessabschnitt aufgenommen wird, kleiner als ein Grenzwert ist, und die Steuerung den Grenzwert in Verbindung mit höheren Hydrierungslevel, wie durch den Hydrierungszustandsindex angezeigt, schrittweise auf kleinere Werte einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Leistungserzeugungselementen umfasst, der Spannungsmessabschnitt eine Spannung einzeln für jede der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente misst, und der Strombegrenzungsprozess getriggert wird, wenn das Messergebnis für mindestens eine der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente unter den Grenzwert gefallen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Hydrierungszustandsdetektor einen Impedanzmessabschnitt umfasst, der angepaßt ist, einen Widerstand der Brennstoffzelle als den Hydrierungszustandsindex zu messen, und die Steuerung den Grenzwert in Verbindung mit kleineren Messergebnissen, die durch den Impedanzmessabschnitt aufgenommen werden, schrittweise auf kleinere Werte einstellt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hydrierungszustandsindex einen ersten Wert umfasst, der ein relativ niedriges Hydrierungslevel anzeigt, und einen zweiten Wert, der ein relativ hohes Hydrierungslevel anzeigt, und die Steuerung den Hydrierungszustandsindex auf den ersten Wert einstellt, bis der Hydrierungszustandsindex durch den Hydrierungszustandsdetektor erfasst worden ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das eine Ausgabe aus einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausgabeerfordernis liefert, aufweisend die Schritte: (a) Erfassen eines Hydrierungszustandsindexes, der in Verbindung mit einem Hydrierungszustand im Inneren einer Brennstoffzelle steht; und (b) einen Stromwert der Brennstoffzelle auf einen Wert bringen, der niedriger als ein benötigter Stromwert ist, welcher gleich dem Ausgabeerfordernis ist, um die Ausgabe der Brennstoffzelle vorübergehend zu begrenzen, wobei, falls der Hydrierungszustandsindex ein niedrigeres Hydrierungslevel anzeigt, der Schritt (b) unter milderen Umständen getriggert wird, als im Vergleich zu einem Fall, in dem ein höheres Hydrierungslevel angezeigt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 6, weiter aufweisend einen Schritt: Messen der Spannung der Brennstoffzelle, wobei der Schritt (b) getriggert wird, wenn das Messergebnis, das durch den Spannungsmessabschnitt aufgenommen wird, kleiner als ein Grenzwert ist, und der Grenzwert in Verbindung mit höheren Hydrierungslevel, wie durch den Hydrierungszustandsindex angezeigt, schrittweise auf kleinere Werte eingestellt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Leistungserzeugungselementen umfasst; der Schritt zum Messen der Spannung einen Schritt zum Messen einer Spannung, einzeln für jede der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente, umfasst, und der Schritt (b) getriggert wird, wenn das Messerergebnis für mindestens eine der Mehrzahl der Leistungserzeugungselemente unter den Grenzwert gefallen ist.
Steuerverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Schritt (a) einen Schritt zum Messen eines Widerstandes der Brennstoffzelle als den Hydrierungszustandsindex umfasst, und der Grenzwert in Verbindung mit einem niedrigeren gemessenen Widerstand schrittweise auf kleinere Werte eingestellt wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Hydrierungszustandsindex einen ersten Wert umfasst, der ein relativ niedriges Hydrierungslevel anzeigt, und einen zweiten Wert, der ein relativ hohes Hydrierungslevel anzeigt, und der Hydrierungszustandsindex auf den ersten Wert eingestellt ist, bis der Hydrierungszustandsindex im Schritt (a) erfasst worden ist.