DE112008004259B4 - Brennstoffbatteriesystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffbatteriesystem (10), das eine Brennstoffbatterie (11), eine Gaszuführvorrichtung (19, 20) zum Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zu der Brennstoffbatterie und eine Impedanzmessvorrichtung (15) zum Messen einer Impedanz der Brennstoffbatterie aufweist, wobei das Brennstoffbatteriesystem aufweist:einen Luftkompressor (17) zum Zuführen von Luft, die das Oxidierungsgas ist, zu der Brennstoffbatterie;einen Schlüsselschalter zum Anweisen des Brennstoffbatteriesystems bezüglich eines Starts oder Stopps; undeinen Controller (30) zum Ausführen eines Schichttrocknungsprozesses basierend auf einer Wassermenge, die durch Messen einer Impedanz erhalten wird, wenn der Schlüsselschalter AUS-geschaltet wird, wobeider Controller konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus der Brennstoffbatterie von einem niedrigen Leistungsmodus in einen hohen Leistungsmodus zu ändern, nachdem erfasst worden ist, dass der Schlüsselschalter AUS-geschaltet ist, so dass verhindert werden kann, dass ein exzessiver Zustand der Brennstoffbatterie in einer geschätzten Startzeit des Luftkompressors verhindert wird, der durch die Veränderung des Betriebsmodus bewirkt wird, und um die Impedanzmessung auszuführen, nachdem erfasst worden ist, dass die Luftzufuhr stabilisiert worden ist.

Description

  • [TECHNISCHES GEBIET]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffbatteriesystem mit einem Gaszufuhrmittel für die Zuführung von Brenngas und Oxidierungsgas zu einer Brennstoffbatterie, und ein Impedanzmessmittel für die Messung einer Impedanz der Brennstoffbatterie.
  • [TECHNISCHER HINTERGRUND]
  • Seit einigen Jahren werden Brennstoffbatterien, die Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff als Oxidierungsgas für die Erzeugung von elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion erzeugen, entwickelt und auf Fahrzeuge, Schiffe, kleine Leistungsgeneratoren usw. angewendet. Brennstoffbatterien, die für diese Einsatzzwecke verwendet werden, erzeugen nicht nur elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, sondern sie erzeugen auch Reaktionswasser. Der größte Teil des erzeugten Reaktionswassers wird aus einer Brennstoffbatterie ausgeführt, aber zum Teil bleibt das Reaktionswasser in einer Brennstoffbatterie zurück. Da Fahrzeuge in kalten Umgebungen verwendet werden können, in denen die Temperatur unter null fällt, kann insbesondere das Problem entstehen, dass die Leistungserzeugung einer Brennstoffbatterie unmöglich wird, weil das in der Brennstoffbatterie verbliebene Wasser gefriert, was verhindert, dass Reaktionsgas die Anode und die Kathode der Brennstoffbatterie erreicht.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird in der JP 2007 - 149 572 A , wenn die Leistungserzeugung beendet wird, unerwünschtes Wasser innerhalb einer Brennstoffbatterie durch eine Spüloperation, die von einem Luftkompressor ausgeführt wird, entfernt. Genauer offenbart die JP 2007 - 149 572 A Verfahren für das Ausspülen von Wasser in einer Brennstoffbatterie durch indirektes Ermitteln der Wassermenge innerhalb der Brennstoffbatterie-Zelle aus einer Messung des inneren Widerstands anhand eines Wechselstromimpedanz-Verfahrens, um zu bestimmen, wann das Spülen beendet werden soll.
  • Bekanntlich wird der innere Widerstand einer Brennstoffbatterie durch einen Feuchtigkeitsgehalt einer inneren Elektrolytschicht beeinflusst. Wenn die Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie klein ist und die innere Elektrolytschicht trocken ist, nimmt der innere Widerstand zu und die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie nimmt ab. Wenn die Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie zu groß ist, werden andererseits die Anode und die Kathode der Brennstoffbatterie mit einer Wasserschicht bedeckt, was ebenso zu einer niedrigeren Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie führt. Daher ist die Steuerung der Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie wichtig.
  • Weiterer Stand der Technik findet sich in der JP 2007- 12 414 A sowie der JP 2007 - 18 741 A
  • [OFFENBARUNG DER ERFINDUNG]
  • [Aufgabe der Erfindung]
  • Laut der oben beschriebenen JP 2007 - 149 572 A ist es im Allgemeinen möglich, Wasser in ausreichender Menge auszuspülen. Jedoch kann es aus gewissen Gründen passieren, dass der Spülprozess aufgrund eines anomalen Werts eines inneren Widerstands beendet wird, wenn eine Impedanzmessung nach einer erzwungenen Beendigung einer nicht-abgeschlossenen Spülung durchgeführt wird. Einer der möglichen Gründe für eine solche Situation ist, dass, wenn die von der Brennstoffbatterie erzeugte Leistungsmenge klein ist, aufgrund des Prinzips der Impedanzmessung wegen einer Verzerrung oder einer Verrauschung von Sinuswellen oder dergleichen aufgrund einer herabgesetzten Ansprechempfindlichkeit für überlagerte Sinuswellen eine falsche Erfassung vorkommen kann.
  • Genauer ist deswegen in einem Fall, wo ein Spülen durch AUS-Stellen eines Zündschalters während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, beendet wurde, eine exakte Messung des inneren Widerstands in einer Impedanzmessung wegen der aufgrund einer Verzögerung des Luftkompressors unzureichenden Luftzufuhr beim Starten möglicherweise nicht möglich.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist ein Ziel der Brennstoffbatteriesysteme gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffbatteriesystems, das eine exakte Impedanzmessung auch nach einem Aussetzbetrieb durchführen kann.
  • [Mittel zur Lösung der Aufgabe]
  • Um die genannte Aufgabe zu lösen, weist ein Brennstoffbatteriesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffbatterie, ein Gaszufuhrmittel zum Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zur Brennstoffbatterie und ein Impedanzmessmittel zum Messen der Impedanz der Brennstoffbatterie, wobei das Oxidierungsgas, das zur Brennstoffbatterie geliefert wird, Luft ist, die von einem Luftkompressor zugeführt wird, und wobei das Impedanzmessmittel mit dem Messen der Impedanz beginnt, nachdem aufgrund eines Betriebszustands des Luftkompressors bestimmt wurde, dass eine von der Brennstoffbatterie erzeugte Leistungsmenge ein variables Niveau erreicht hat.
  • In dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung unter Berücksichtigung einer geschätzten Startzeit des Luftkompressors durch.
  • In dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung aus, sobald eine Drehzahl des Luftkompressors eine vorgegebene Drehzahl überstiegen hat.
  • In dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung aus, sobald ein Volumen eines Luftstroms, der vom Luftkompressor erzeugt wird, ein vorgegebenes Luftstromvolumen überstiegen hat.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ferner ein Aufzeichnungsmittel auf zum Aufzeichnen von Informationen, die anzeigen, dass aufgrund eines Aussetzbetriebs in einer vorgegebenen Zeit keine Impedanzmessung durchgeführt wurde, und wobei das Impedanzmessmittel die Impedanzmessung aufgrund der Aussetzbetriebsinformationen, die im Aufzeichnungsmittel aufgezeichnet sind, ausführt.
  • [Wirkungen der Erfindung]
  • Unter Verwendung eines Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine exakte Messung eines inneren Widerstands dadurch möglich, dass in einem Fall, wo während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, ein Spülen durch AUS-Stellen eines Zündschalters beendet wurde, die Impedanzmessung unter Berücksichtigung einer Verzögerung eines Luftkompressors beim Starten durchgeführt wird.
  • Eine exakte Steuerung einer Brennstoffbatterie wird durch Verwenden eines Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, ohne das System komplizierter zu machen, da die Menge an innerhalb einer Brennstoffbatterie zurückgebliebenem Wasser mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockschema, das einen Gesamtaufbau eines Brennstoffbatteriesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 2 ist ein Ablaufschema, das einen Ablauf eines Spülprozesses nach AUS-Stellen eines Schlüsselschalters eines Brennstoffbatteriesystems darstellt.
    • 3 ist ein Graph, der ein Beispiel für die zeitliche Steuerung einer Impedanzmessungsanforderung in einem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Bezugszeichenliste
  • 10 Brennstoffbatteriesystem, 11 Brennstoffbatteriestapel, 12 Sensoren, 13 Impedanzmesseinheit, 14 Gleichstromwandler, 15 Sekundärbatterie, 16 Befeuchter, 17 Luftkompressor, 18 Luftkompressormotor, 19 Luftfilter, 20 Umwälzpumpe, 21 Umwälzpumpenmotor, 22 Wasserstofftank, 23 Ventil, 30 Steuereinheit, 50 Antriebssystem, 51 Wechselrichter, 52 Fahrmotor, 53 Räder
  • [BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG]
  • Nachstehend werden die besten Möglichkeiten (im folgenden als „Ausführungsformen“ bezeichnet) für die Ausführung der vorliegenden Erfindung gemäß der Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt einen Gesamtaufbau eines Brennstoffbatteriesystems 10, das in einem Fahrzeug eingebaut ist. Das Brennstoffbatteriesystem weist als Hauptgruppen einen Brennstoffbatteriestapel 11, ein Wasserstoff-Zufuhrsystem, ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem, ein elektrisches System zum Umwandeln und Speichern der erzeugten elektrischen Leistung und ein Antriebssystem 50 zum Antreiben eines Fahrzeugs auf. Der Brennstoffbatteriestapel 11 ist ein Stapelkörper aus Brennstoffbatteriezellen (Einheitszellen), von denen jede ein kleinstes Element darstellt. Das Wasserstoff-Zufuhrsystem für die Versorgung des Brennstoffbatteriestapels 11 mit Wasserstoffgas ist ausgestattet mit einem Wasserstofftank 22 zum Speichern des Wasserstoffgases, einem Ventil 23, das die Zufuhr von Wasserstoffgas zulassen und beenden kann, einer Umwälzpumpe 20 und einem Umwälzpumpenmotor 21 zum Umwälzen von nicht-umgesetztes Wasserstoffgas enthaltendem Abgas, das aus dem Brennstoffbatteriestapel 11 ausgeführt wird, in einem Wasserstoff-Zufuhrkanal und einer Ausfuhröffnung zum Ausführen des Abgases.
  • Das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem ist ausgestattet mit einem Luftkompressor 17 und einem Luftkompressormotor 18 zum Saugen von Luft, die als Oxidierungsmittel verwendet wird, durch einen Luftfilter 19 in den Brennstoffbatteriestapel 11, einem Befeuchter 16 zum Befeuchten des Brennstoffbatteriestapels 11 und einer Ausfuhröffnung zum Ausführen der Luft.
  • Das elektrische System weist auf: einen Gleichstromwandler 14 zum Liefern elektrischer Energie, die vom Brennstoffbatteriestapel 11 erzeugt wird, zu einer Sekundärbatterie 15; Sensoren 12 zum Messen von Strom, Temperatur, Luftdurchsatz, Wasserstoffgasdruck und Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffbatteriezelle, um die gemessenen Werte an eine Impedanzmesseinheit 13 und eine Steuereinheit 30 auszugeben; die Impedanzmesseinheit 13 zum Messen des inneren Widerstands des Brennstoffbatteriestapels 11 und eine Steuereinheit 30 zum Steuern dieser Elemente.
  • Das Antriebssystem 50 weist einen Wechselrichter 51 zum Steuern eines Fahrmotors 52 unter Verwendung von elektrischer Leistung, die vom Gleichstromwandler 14 geliefert wird, und einen Antriebsmechanismus zum Übertragen einer Antriebskraft des Fahrmotors 52 auf Räder 53 auf.
  • Die Impedanzmesseinheit 13 weist eine Sinuswellenfrequenz-Wobbelfunktion unter Verwendung der vom Gleichstromwandler 14 gelieferten elektrischen Leistung auf. Durch Messen der Werte eines realen Teils und eines imaginären Teils einer Wechselstromimpedanz misst die Impedanzmesseinheit 13 den inneren Widerstand in der Brennstoffbatteriezelle, bei dem es sich um eine Summe handelt aus einem ohmschen Widerstand, der den Gleichstromwiderstand eines Separators oder einer Elektrolytschicht darstellt, einem Reaktionswiderstand, der einen Widerstand darstellt, der von einer chemischen Reaktion mit einem Katalysator bewirkt wird, und einem Diffusionswiderstand, der einen Widerstand darstellt, auf den das zum Katalysator strömende Brenngas oder Oxidierungsgas trifft.
  • 2 zeigt einen Ablauf einer Spülbehandlung des Brennstoffbatteriesystems nach AUS-Stellen eines Schlüsselschalters. Eines der Merkmale dieser Ausführungsform ist, dass in einem Fall, wo die Leistungserzeugung während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, durch AUS-Stellen eines Zündschalters (IG) beendet wird, die Impedanzmesseinheit eine Impedanzmessung durchführt, nachdem die Luftzufuhr sich stabilisiert hat, um einen transienten Zustand der Brennstoffbatteriezelle aufgrund einer Verzögerung der Luftzufuhr zu verhindern.
  • Diese Steuerung wird durch ein in der Steuereinheit 30 gespeichertes Programm durchgeführt. Wenn die Steuereinheit 30 erfasst, dass ein Schlüsselschalter, wie ein Zündschlüssel, AUS-gestellt ist (IG-AUS), beendet die Steuereinheit 30 in Schritt S10 zuerst die Leistungserzeugung am Brennstoffzellen-Stapel 11 und misst eine Spannung, einen elektrischen Strom, eine Temperatur usw. der Brennstoffbatterie unter Verwendung der Sensoren 12. In Schritt S12 bestimmt die Steuereinheit 30 aufgrund einer Differenz zwischen einer aktuellen Zeit und einer Zeit, die in der Steuereinheit 30 aufgezeichnet ist und die anzeigt, wann ein Schlüsselschalter zuvor AUS-gestellt wurde, ob der aktuelle Betrieb ein Aussetzbetrieb ist oder nicht. Wenn die Steuereinheit 30 bestimmt, dass der aktuelle Betrieb ein Aussetzbetrieb ist, erhöht die Steuereinheit 30 in Schritt S14 die Häufigkeit der Impedanzmessung über eine normalerweise definierte Häufigkeit hinaus. Wenn die Steuereinheit 30 dagegen bestimmt, dass der aktuelle Betrieb kein Aussetzbetrieb ist, schreitet die Steuereinheit 30 zu Schritt S16 vor und bewirkt, dass die Brennstoffbatterie in einem Hochleistungsmodus arbeitet, bei dem es sich um einen von drei Leistungsmodi, d.h. niedrig, mittel und hoch, handelt.
  • In Schritt S16 startet die Steuereinheit 30 den Betrieb des Luftkompressors und erhöht die Drehzahl des Luftkompressors. Nach einer Bestätigung, dass der Betriebsmodus der „Hochleistungsmodus“ ist, misst die Steuereinheit 30 dann die Zeit bis zum Ablauf einer vorgegebenen Zeit (beispielsweise einer Zeit, die es dauert, bis sich die Drehzahl stabilisiert hat, beispielsweise einige Sekunden), oder die Steuereinheit 30 bestimmt alternativ dazu in Schritt S18, ob die Brennstoffbatteriezelle tatsächlich anspricht oder nicht. Wenn die Steuereinheit 30 bestimmt, dass die Brennstoffbatterie anspricht, führt die Steuereinheit 30 die Impedanzmessung in Schritt S20 aus. Ferner führt die Steuereinheit 30 einen Schichttrocknungsprozess (Schritt S22) unter Verwendung einer Zeit, die es schätzungsweise dauert, um die Schicht zu trocknen, auf Basis einer Wassermenge, die aus der Impedanzmessung erhalten wird, aus. Der Prozess nach AUS-Stellen eines Schlüsselschalters ist mit den obigen Schritten abgeschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung anderer Informationen, wie einer Luftzufuhrmenge, einer Drehzahl des Luftkompressors und dergleichen, für die Bestimmung einer Leistungserzeugungsspannung in Schritt 18 ebenfalls bevorzugt ist.
  • 3 zeigt ein Beispiel für die zeitliche Steuerung einer Leistungsanforderung und einer Impedanzmessungsanforderung, die beide von der Steuereinheit des Brennstoffbatteriesystems an die Brennstoffbatterie ausgegeben werden. Wie oben beschrieben, kann aufgrund des Prinzips der Impedanzmessung wegen einer Verzerrung oder Verrauschung von Sinuswellen oder dergleichen aufgrund einer niedrigeren Ansprechempfindlichkeit auf überlagerte Sinuswellen eine falsche Erfassung vorkommen, wenn die Leistungsmenge, die von der Brennstoffzellenbatterie erzeugt wird, klein ist. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform der Betriebsmodus der Brennstoffbatterie im Prozess nach dem AUS-Stellen eines Schlüsselschalters vor dem Messen der Impedanz auf einen Hochleistungsmodus gesetzt. Beim Messen einer Impedanz wird ein Ventil 23 des Wasserstoff-Zufuhrsystems geschlossen, und das Abgas, aus dem von einem Gas/Flüssigkeit-Separator Reaktionswasser entfernt wurde, wird von der Umwälzpumpe 20 umgewälzt, damit die Impedanzmessung durchgeführt werden kann, nachdem die Brennstoffbatterie im Wesentlichen angehalten wurde.
  • Wie oben beschrieben, wird unter Verwendung des Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform, in dem die Impedanzmessung in einem Fall, in dem während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, ein Spülen durch AUS-Stellen eines Zündschalters beendet wird, unter Berücksichtigung einer Startverzögerung eines Luftkompressors durchgeführt wird, eine exakte Messung eines inneren Widerstands möglich.
  • Unter Verwendung eines Brennstoffbatteriesystems gemäß dieser Ausführungsform ist es auch möglich, eine Brennstoffbatterie ausreichend zu steuern, ohne das System komplizierter zu machen, da es möglich ist, die Menge an in der Brennstoffbatterie verbliebenem Wasser mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
  • [INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT]
  • Ein Impedanzmessmittel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffbatteriesystems kann auf ein Brennstoffbatteriesystem angewendet werden, das ein Gaszufuhrmittel zum Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zu einer Brennstoffzellenbatterie aufweist.

Claims (4)

  1. Brennstoffbatteriesystem (10), das eine Brennstoffbatterie (11), eine Gaszuführvorrichtung (19, 20) zum Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zu der Brennstoffbatterie und eine Impedanzmessvorrichtung (15) zum Messen einer Impedanz der Brennstoffbatterie aufweist, wobei das Brennstoffbatteriesystem aufweist: einen Luftkompressor (17) zum Zuführen von Luft, die das Oxidierungsgas ist, zu der Brennstoffbatterie; einen Schlüsselschalter zum Anweisen des Brennstoffbatteriesystems bezüglich eines Starts oder Stopps; und einen Controller (30) zum Ausführen eines Schichttrocknungsprozesses basierend auf einer Wassermenge, die durch Messen einer Impedanz erhalten wird, wenn der Schlüsselschalter AUS-geschaltet wird, wobei der Controller konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus der Brennstoffbatterie von einem niedrigen Leistungsmodus in einen hohen Leistungsmodus zu ändern, nachdem erfasst worden ist, dass der Schlüsselschalter AUS-geschaltet ist, so dass verhindert werden kann, dass ein exzessiver Zustand der Brennstoffbatterie in einer geschätzten Startzeit des Luftkompressors verhindert wird, der durch die Veränderung des Betriebsmodus bewirkt wird, und um die Impedanzmessung auszuführen, nachdem erfasst worden ist, dass die Luftzufuhr stabilisiert worden ist.
  2. Brennstoffbatteriesystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist, um zu erfassen, dass die Luftzufuhr stabilisiert ist, indem detektiert wird, dass eine vorbestimmte Zeitspanne ab einem Anstieg einer Drehzahl des Luftkompressors zu einer Stabilisierung der Drehzahl des Luftkompressors verstrichen ist.
  3. Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist, um zu erfassen, das die Luftzufuhr stabilisiert ist, indem detektiert wird, dass eine Drehzahl des Luftkompressors eine vorbestimmte Drehzahl überschritten hat.
  4. Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist, um zu erfassen, dass die Luftzufuhr stabilisiert ist, indem detektiert wird, dass ein Volumen einer Luftströmung durch den Luftkompressor ein vorbestimmtes Volumen überschritten hat.
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