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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems.
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HINTERGRUND DES STANDES DER TECHNIK
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Um zu verhindern, dass eine Kathodenelektrode ein hohes elektrisches Potenzial hat, während ein Brennstoffzellensystem in Bereitschaft für eine Energieerzeugung ist, ist eine Technik bekannt, bei der Kathodengas während der Bereitschaft für die Energieerzeugung zum Reduzieren der elektrischen Spannung zirkuliert (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Wenn verhindert wird, dass die Kathodenelektrode ein hohes elektrisches Potenzial während der Bereitschaft für die Energieerzeugung hat, wird die Verschlechterung der Brennstoffzelle gehemmt. Patentdokument 2 ist ein weiteres Dokument, das sich auf eine derartige Technologie bezieht.
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DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
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PATENTDOKUMENTE
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- Patentdokument 1: veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP 2009-252552 A
- Patentdokument 2: veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP 2003-115317 A
- Patentdokument 3: JP 2007-157 544 A
- Patentdokument 4: US 2002/0 182 456
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JP 2007-157 544 A offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerung einer Strömungsrate von Zirkulationsluft im Brennstoffzellensystem, wobei die Luft die Brennstoffzelle zu der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle passiert. Das Brennstoffzellensystem weist einen Luftzirkulationsströmungskanal auf, der die an der Brennstoffzelle vorbeitretende Luft zu der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle zirkulieren lässt. Hierzu wird die Luftströmung gesteuert, indem eine Drehzahl einer Luftzuführvorrichtung gesteuert wird und ein Luftströmungsratenregulierventil so geöffnet wird, dass eine voreingestellte elektrische Zellenspannung der Brennstoffzelle niedriger als eine angestrebte elektrische Spannung wird.
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US 2002/0 182 456 A1 offenbart ein weiteres Brennstoffzellensystem und schlägt vor, ein Brennstoffzellensystem herunterzufahren, indem eine Primärlast unterbrochen wird, die Luftströmung abgeschaltet wird und eine Brennstoffströmung in das System und eine Gasströmung aus dem System so gesteuert werden, dass sich in der Brennstoffzelle ein Gleichgewicht im Hinblick auf die Gaszusammensetzung über die Brennstoffzellen einstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
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Wie dies in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart ist, verringert in dem Brennstoffzellensystem, das die Zirkulationssteuerung von Kathodengas in einem Energieerzeugungsbereitschaftszustand ausführt, die Zirkulationssteuerung die Sauerstoffkonzentration des Kathodengases im Inneren des Stapels. Somit benötigt es selbst dann, wenn die Zirkulationssteuerung des Kathodengases angehalten wird, um die Luftzuführmenge durch einen Luftlieferkompressor zu erhöhen, wenn der Energieerzeugungsbereitschaftszustand in einen Energieerzeugungsanfragezustand geschaltet wird, Zeit zum Liefern des Sauerstoffs über den gesamten Bereich des Stapels, um zu ermöglichen, dass die Energieerzeugung mit hoher Abgabeleistung möglich wird. Wenn die Lieferung von Sauerstoff sich verzögert, nimmt die Effizienz des Brennstoffzellensystems ab. Der Grund, weshalb die Lieferung von Sauerstoff sich verzögert, liegt darin, dass es Zeit braucht, das Gas in dem Brennstoffzellenstapel zu ersetzen, der mit Kathodengas mit geringer Sauerstoffkonzentration gefüllt worden ist.
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Demgemäß strebt das in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Brennstoffzellensystem an, Gas in einem Brennstoffzellenstapel nach der Zirkulationssteuerung des Kathodengases prompt auszutauschen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes verbessertes Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems zu schaffen.
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LÖSUNG DER PROBLEME
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Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses Verfahren ermöglicht es, Gas in dem Brennstoffzellenstapel nach der Zirkulationssteuerung des Kathodengases prompt auszutauschen. Ein alternatives Verfahren ist in Anspruch 6 aufgezeigt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Steuereinheit kann das Gegendruckventil schließen und die Kathodenzirkulationssteuerung während des Leerlaufbetriebs ausführen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit bewirken, dass die erste Pumpe Kathodengas abgibt, um den Kathodengegendruck während des Leerlaufbetriebs zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit eine Druckentlastungssteuerung ausführen, die das Gegendruckventil gänzlich öffnet, um den Kathodengegendruck nahe zu dem Umgebungsdruck während des Schaltens von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb zu verringern. Dieser Aufbau ermöglicht es, Gas in dem Brennstoffzellenstapel noch effizienter auszutauschen.
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Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem des Weiteren ein Öffnungsventil aufweisen, das parallel zu dem Gegendruckventil angeordnet ist, und die Steuereinheit kann das Öffnungsventil während des Schaltens von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb öffnen. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Effizienz des Gasaustausches noch weiter zu erhöhen.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Das in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Brennstoffzellensystem tauscht Gas in einem Brennstoffzellenstapel nach der Zirkulationssteuerung des Kathodengases prompt aus.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Gesamtüberblicks eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems eines ersten Ausführungsbeispiels.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerung des Brennstoffzellensystems bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, in welchem die Instruktion des Brennstoffzellensystems und der Betrieb jeder Komponente bei dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
- 4 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, in welchem die Instruktion des Brennstoffzellensystems und der Betrieb jeder Komponente in einem Vergleichsbeispiel gezeigt sind.
- 5 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerung eines Brennstoffzellensystems bei einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, bei welchem die Instruktion des Brennstoffzellensystems und der Betrieb jeder Komponente bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt sind.
- 7 zeigt eine grafische Darstellung eines Gasaustauschverhältnisses in einem Stapel nach dem Anhalten des Kathodenzirkulationsbetriebs.
- 8 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Überblicks eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems eines dritten Ausführungsbeispiels.
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MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind die Dimensionen und das Größenverhältnis von jedem Abschnitt nicht unbedingt so dargestellt, dass dies vollständig der eigentlichen Dimension oder dem eigentlichen Größenverhältnis entspricht. Die Darstellung der Einzelheiten kann in einigen Zeichnungen weggelassen sein.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 eines ersten Ausführungsbeispiels zunächst beschrieben. 1 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Überblicks über einen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Das Brennstoffzellensystem 1 kann an beweglichen Körpern wie beispielsweise Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und Robotern montiert sein und ist außerdem auf eine ortsfeste Energiequelle anwendbar. Nachstehend ist das Brennstoffzellensystem 1 beschrieben, das an einem Fahrzeug montiert ist. Das Brennstoffzellensystem 1 hat eine Brennstoffzelle 2 einer massiven Polyelektrolytart. Die Brennstoffzelle 2 hat einen Brennstoffzellenstapel 3, der ausgebildet ist durch Stapeln von Einheitszellen, die jeweils eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Elektrolytmembran haben, die zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode angeordnet ist, und er weist einen Kathodenkanal 3a und einen Anodenkanal 3b auf, die im Inneren des Brennstoffzellenstapels 3 ausgebildet sind. Die Elektrolytmembran ist beispielsweise eine massive Hochpolymerelektrolytmembran, die aus einer Massivpolymerionenaustauschmembran ausgebildet ist. In 1 sind die Einheitszellen nicht dargestellt. Ein Kühlmittelkanal, der nicht dargestellt ist, ist in dem Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet. Für den Brennstoffzellenstapel 3 wird Hydrogengas (Wasserstoffgas), das heißt Anodengas, zu der Anode geliefert, und Sauerstoff enthaltende Luft, das heißt Kathodengas wird zu der Kathodenelektrode geliefert. Hydrogenionen (Wasserstoffionen), die durch eine katalytische Reaktion in der Anodenelektrode erzeugt werden, dringen durch die Elektrolytmembran, bewegen sich zu der Kathodenelektrode und erfahren eine elektrochemische Reaktion mit dem Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Mit dem Brennstoffzellenstapel 3 sind ein Spannungsmesser (Voltmeter) V, der einen Spannungswert (elektrische Spannung) der erzeugten Elektrizität misst, und ein Strommesser (Amperemeter) A verbunden, der einen Stromstärkewert der erzeugten Elektrizität misst.
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Ein Kathodengaslieferkanal 4 ist mit einem Einlass 3a1 des Kathodenkanals 3a des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden. Eine erste Pumpe P1, die Kathodengas abgibt, ist in dem Kathodengaslieferkanal 4 angeordnet. Die erste Pumpe P1 ist eine sogenannte Roots-Pumpe (auch Wälzkolbenpumpe genannt) und ist dazu in der Lage, die Luftströmung in einem Antriebsanhaltezustand abzuschalten. In dem Kathodengaslieferkanal 4 ist ein Zwischenkühler 5 außerdem zwischen dem Einlass 3a1 des Kathodenkanals 3a und der ersten Pumpe P1 angeordnet. Der Zwischenkühler 5 bewirkt einen Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, das in dem Brennstoffzellenstapel 3 zirkuliert.
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Ein Kathodenabgasabgabekanal 6 ist mit einem Auslass 3a2 des Kathodenkanals 3a des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden. Ein Druckmesser P ist in dem Kathodenabgasabgabekanal 6 angeordnet. Der Druckmesser P misst den nachstehend beschriebenen Kathodengegendruck. In dem Kathodenabgasabgabekanal 6 ist ein Gegendruckventil 7 weiter stromabwärtig als der Druckmesser P angeordnet. Das Gegendruckventil 7 steuert den Druck in dem Bereich weiter stromaufwärtig als das Gegendruckventil 7 in dem Kathodenabgasabgabekanal 6, das heißt den Kathodengegendruck. Der Kathodengegendruck kann von dem Druckmesser P erlangt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 hat einen Zirkulationskanal 8, der den Kathodengaslieferkanal 4 mit dem Kathodenabgasabgabekanal 6 verbindet. Genauer gesagt verbindet der Zirkulationskanal 8 einen Abschnitt, der sich weiter stromabwärtig als die erste Pumpe P1 in dem Kathodengaslieferkanal 4 befindet, mit einem Abschnitt, der sich weiter stromaufwärtig als das Gegendruckventil 7 in dem Kathodenabgasabgabekanal 6 befindet. Eine zweite Pumpe P2, die Kathodenabgas abgibt, ist in dem Zirkulationskanal 8 angeordnet. Dieser Aufbau ermöglicht, dass der Zirkulationskanal 8 Kathodenabgas von dem Kathodenabgasabgabekanal 6 zu dem Kathodengaslieferkanal 4 zirkulieren lässt. Demgemäß wird das Kathodenabgas erneut zu dem Kathodenkanal 3a durch den Kathodengaslieferkanal 4 geliefert. Wie dies nachstehend detailliert beschrieben ist, wird, wenn ein Leerlaufbetrieb angefragt wird, eine Kathodenzirkulationssteuerung ausgeführt, bei der die zweite Pumpe P2 zum Zirkulieren des Kathodenabgases betrieben wird.
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Ein Anodenlieferkanal 9 ist mit einem Einlass 3b1 des Anodenkanals 3b des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden. Ein Hydrogentank (Wasserstofftank) 10, der eine Hydrogenlieferquelle ist, ist mit dem Ende des Anodenlieferkanals 9 verbunden. In dem Hydrogentank 10 ist unter hohem Druck stehendes Hydrogen (Wasserstoff) gespeichert. Ein Schließventil 11, das die Lieferung von Hydrogen abschaltet, und ein Regulator 12, der den Druck des Hydrogen reduziert, sind in dem Anodenlieferkanal 9 angeordnet.
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Ein Abgasrohr 13 ist mit einem Auslass 3b2 des Anodenkanals 3b des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden. Das Abgasrohr 13 teilt sich in einen Zirkulationskanal 14 und einen Spülkanal 15 an einem Teilungspunkt (Abzweigungspunkt) 13a. Eine dritte Pumpe P3 ist in dem Zirkulationskanal 14 angeordnet. Die Anordnung der dritten Pumpe P3 in dem Zirkulationskanal 14 ermöglicht, dass das Anodenabgas erneut zu dem Anodenkanal 3b geliefert wird. Der Spülkanal 15, der an dem Abzweigungspunkt 13a weggeht, ist mit der stromabwärtigen Seite des Gegendruckventils 7 verbunden, das in dem Kathodenabgasabgabekanal 6 angeordnet ist. Ein Spülventil 16 ist in dem Spülkanal 15 angeordnet. Wenn das Spülventil 16 geöffnet ist, wird Anodenabgas, das nicht zirkuliert, zusammen mit dem Kathodenabgas abgegeben.
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Das Brennstoffzellensystem 1 hat eine ECU (elektronische Steuereinheit) 17. Die ECU 17 ist als ein Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, einen ROM und einen RAM in seinem Inneren hat und als eine Steuereinheit fungiert. Das heißt, die ECU 17 führt die Kathodenzirkulationssteuerung aus, die die zweite Pumpe P2 zum Zirkulieren von Kathodenabgas betreibt, wenn angefragt wird, dass das Brennstoffzellensystem 1 den Leerlaufbetrieb ausführt. Zu diesem Zeitpunkt schließt die ECU 17 das Gegendruckventil 7. Außerdem führt die ECU 17 eine Druckentlastungssteuerung aus, die den Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 erhöht, um den Kathodengegendruck eine Zeitspanne lang zu reduzieren, die benötigt wird, damit die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 3 einen vorbestimmten Wert erreicht, nachdem der Leerlaufbetrieb in den Lastbetrieb geschaltet worden ist. Der Druckmesser, das Voltmeter (Spannungsmesser) V und das Amperemeter (Strommesser) A sind mit der ECU 17 elektrisch verbunden. Die erste Pumpe P1, die zweite Pumpe P2 und die dritte Pumpe P3 sind mit der ECU 17 gekuppelt, und die ECU 17 steuert das Antreiben dieser Pumpen. Darüber hinaus sind das Gegendruckventil 7, das Schließventil 11, der Regulator 12 und das Spülventil 16 mit der ECU 17 elektrisch verbunden, und die ECU 17 steuert das Öffnen und Schließen dieser Ventile. Die durch andere Sensoren erfassten Werte werden zu der ECU 17 eingegeben. Die ECU 17 speichert außerdem eine Stromstärke-Spannung-Tabelle und beliebige andere Tabellen. Die vorstehend beschriebene ECU 17 führt einen Abgabeleistungseinstellprozess aus. Das heißt die ECU 17 stellt den Wert der elektrischen Spannung (Spannungswert) und den Stromstärkewert, die von der Brennstoffzelle 2 abgegeben werden, auf der Basis der Abgabeleistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1 von dem Fahrzeug, was nachstehend beschrieben ist, der Stromstärke-Spannung-Tabelle und der Abgabeleistungshistorie ein und stellt die Luftliefermenge, den Kathodengegendruck, die Hydrogenliefermenge und den Hydrogendruck auf der Basis des Spannungswertes und des Stromstärkewertes ein. Darüber hinaus werden zu der ECU 17 erfasste Informationen eines Gaspedalbetätigungssensors, eines Bremssensors, eines Parkbremssensors, einer Schaltwahleinrichtung, eines Navigationssystems, eines Horizontal-G-Sensors und eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors, die nicht gezeigt sind, eingegeben. Die ECU 17 berechnet die Abgabeleistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1 von dem Fahrzeug gemäß der erfassten Informationen, und bestimmt, ob für das Brennstoffzellensystem 1 ein Ausführen eines Leerlaufbetriebs erforderlich ist, oder ob das Schalten von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb erforderlich ist. Hierbei zeigt der Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 den Zustand, bei dem das Brennstoffzellensystem 1 elektrische Energie in einem Niedriglastbereich erzeugen soll, oder den Zustand an, bei dem das Brennstoffzellensystem 1 in Bereitschaft für die Energieerzeugung ist. Die ECU 17 führt einen Leerlaufbetrieb aus, wenn die Abgabeleistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1 geringer als ein vorbestimmter Wert ist, der vorübergehend bestimmt ist. Der Lastbetrieb zeigt den Zustand, bei dem die Abgabeleistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1 gleich wie oder größer als der vorstehend beschriebene vorbestimmte Wert ist, der vorübergehend bestimmt ist, und zeigt einen Zustand an, der nicht dem Leerlaufbetrieb entspricht.
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Unter Bezugnahme auf die 2, 3 und 4 ist nachstehend die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. 2 zeigt ein Flussdiagramm der Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels. 3 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, wobei der Instruktionswert des Brennstoffzellensystems 1 und der Betrieb jeder Komponente des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt ist. 4 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, wobei die Instruktionen eines Brennstoffzellensystems und der Betrieb jeder Komponente in einem Vergleichsbeispiel gezeigt sind. Das Brennstoffzellensystem des Vergleichsbeispiels hat eine Hardwarekonfiguration, die demjenigen des Brennstoffzellensystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels gleich ist, unterscheidet sich jedoch von dem Brennstoffzellensystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels in den Spezifikationen der Steuerung. In der nachstehend dargelegten Beschreibung ist zunächst die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Unterschied bei der Steuerung und der Unterschied bei der Wirkung zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel sind nachstehend detaillierter beschrieben.
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Es wird der Zustand angenommen, bei dem das Brennstoffzellensystem 1 einen Lastbetrieb ausführt. Die durch ein Bezugszeichen T1 in 3 gezeigte Zeitspanne repräsentiert die Zeitspanne, während der das Brennstoffzellensystem 1 den Lastbetrieb ausführt. Während das Brennstoffzellensystem 1 den Lastbetrieb ausführt, ist die Anforderung an Abgabeleistung hoch. Eine Einstellung der Abgabeleistungsanforderung auf Hoch in 3 zeigt, dass die Abgabeleistungsanforderung von gleich wie oder größer als der vorbestimmte Wert für das Kraftstoffzellensystem 1 erfolgte. Wenn die Abgabeleistungsanforderung hoch ist, ist der Druckanforderungswert, den die ECU 17 als den Kathodengegendruck einstellt, ein Druck p1, der größer als der Umgebungsdruck ist. Gemäß der Einstellung des Druckanforderungswertes p1 durch die ECU 17 beträgt der Ist-Druck (Kathodengegendruck), der durch den Druckmesser P gemessen wird, p1. Die ECU 17 stellt den Abgabeströmungsratenanforderungswert der ersten Pumpe P1 auf Hoch. Demgemäß ist die Ist-Abgabeströmungsrate der erste Pumpe P1 hoch. Die ECU 17 stellt den Abgabeströmungsratenanforderungswert der zweiten Pumpe P2 auf null. Demgemäß ist die Ist-Abgabeströmungsrate der zweiten Pumpe P2 null. Das heißt die Kathodenzirkulationssteuerung wird nicht ausgeführt. Hierbei ist mit dem Zustand, bei dem der Abgabeströmungsratenanforderungswert der ersten Pumpe P1 hoch ist, der Zustand gemeint, bei dem die erste Pumpe P1 in einem eingeschalteten Zustand (Arbeitszustand) ist, und mit dem Zustand, bei dem der Abgabeströmungsratenanforderungswert der ersten Pumpe P1 null ist, ist der Zustand gemeint, bei dem die erste Pumpe P1 in einem ausgeschalteten Zustand (angehaltener Zustand) ist. In einem derartigen Lastbetriebszustand ist die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel in dem Zustand: „Voll“. Mit dem Zustand, bei dem die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel in dem Zustand „Voll“ ist, ist der Zustand gemeint, bei dem die Sauerstoffkonzentration an dem Einlass 3a1 des Kathodenkanals 3a, der sich in dem Brennstoffzellenstapel 3 befindet, ungefähr gleich wie die Sauerstoffkonzentration in der Außenluft ist, und der Zustand, der für den Lastbetrieb bereit ist, der ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem 1 die erwünschte Abgabeleistung erzielt. Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel hoch wird, ist die Abgabeleistung des Stapels in einem Zustand, bei dem das Erzielen einer hohen Abgabeleistung (Hoch) möglich ist. Obwohl dies in 3 nicht gezeigt ist, ist die Abgabeströmungsrate der dritten Punkte P3 auch in dem Zustand während des Lastbetriebs Hoch, d. h. ein Anodengas zirkuliert.
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Wie dies vorstehend beschrieben ist, bestimmt die ECU 17, ob das Brennstoffzellensystem 1 einen Leerlaufbetrieb ausführen soll, auf der Basis der erfassten Informationen des Gaspedalbetätigungssensors, des Bremssensors, des Parkbremssensors und beliebiger anderer Sensoren. Wenn die ECU 17 bestimmt, dass ein Leerlaufbetrieb zu dem Zeitpunkt t1 erforderlich ist, bestimmt die ECU 17 JA bei Schritt S1 und setzt die Abgabeleistungsanforderung auf Leerlauf. Dann schaltet die ECU 17 zu der Kathodenzirkulationssteuerung, die während der Zeitspanne T2 in 3 ausgeführt wird. Genauer gesagt geht die ECU 17 zu Schritt S2 weiter und setzt den Abgabeleistungssollwert auf w1. Hierbei ist der Abgabeleistungssollwert w1 ein Abgabeleistungswert, der die elektrische Energie abdecken kann, die für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 danach erforderlich ist. Beispielsweise ist w1 auf den Abgabeleistungswert festgelegt, der die elektrische Energie abdecken kann, die für das Antreiben der zweiten Pumpe P2 erforderlich ist.
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Bei Schritt S3, der dem Schritt S2 folgt, startet die ECU 17 die Kathodenzirkulationssteuerung. Das heißt die ECU 17 hält die erste Pumpe P1 an und startet den Betrieb der zweiten Pumpe P2. Darüber hinaus schließt die ECU 17 das Gegendruckventil 7. Genauer gesagt wird, wie dies in 3 gezeigt ist, der Abgabeströmungsratenanforderungswert der ersten Pumpe P1 auf null gesetzt. Demgemäß wird die Abgabeströmungsrate der ersten Pumpe P1 zu null. Der Abgabeströmungsratenanforderungswert der zweiten Pumpe P2 wird auf einen hohen Wert festgelegt. Die Einstellung des Abgabeströmungsratenanforderungswertes bewirkt, dass die Ist-Abgabeströmungsrate der zweiten Pumpe P2 hoch wird. Die Ist-Abgabeströmungsrate der zweiten Pumpe P2 steigt von der Abgabeströmungsrate von null an, nimmt allmählich zu und erreicht die Endabgabeströmungsrate. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass der Abgabeströmungsratenanforderungswert der zweiten Pumpe P2 ein strikter Wert ist, und er kann ein beliebiger Wert sein, solange ermöglicht ist, dass das Kathodenabgas durch das Antreiben der zweiten Pumpe P2 strömt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird, wenn der Betrieb der ersten Pumpe P1 angehalten ist und der Betrieb der zweiten Pumpe P2 gestartet wird, Frischluft nicht in das Brennstoffzellensystem 1 eingeleitet, und das Kathodenabgas zirkuliert. Das heißt, in den Kathodenkanal 3a eingeleitete Frischluft nimmt ab. Dies führt zu einer allmählichen Verringerung der Sauerstoffkonzentration in dem Stapel ausgehend von dem Zustand „Voll“. Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 3 abnimmt, wird die Abgabeleistung des Stapels geringer als die Abgabeleistung zu dem Zeitpunkt t1, bei dem der Leerlaufbetrieb gestartet wird. Bei dem Leerlaufanforderungszustand von Zeitpunkt t1 wird der Druckanforderungswert bei dem Druck p1 wie bei dem Druck vor dem Zeitpunkt t1 gehalten. Hierbei ist der Grund, weshalb der Ist-Druck bei p1 sogar dann gehalten wird, wenn der Betrieb der ersten Pumpe P1 angehalten ist, weil das Gegendruckventil 7 geschlossen ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Schritt S3 nach dem Schritt S2 ausgeführt, aber Schritt S2 und Schritt S3 können gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Reihenfolge der Schritte S2 und S3 kann geändert werden. Bei Schritt S3 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Gegendruckventil 7 gänzlich geschlossen, aber muss nicht gänzlich geschlossen werden. Dies ist so, weil, wenn Kathodenabgas durch die zweite Pumpe P2 zirkuliert, die eine Zirkulationspumpe ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 3 abnimmt, und die Abgabespannung (elektrische Spannung) nimmt ab. Jedoch wird der Innendruck des Brennstoffzellenstapels 3 erhöht, indem das Gegendruckventil 7 gänzlich geschlossen wird, selbst wenn die erste Pumpe P1 nicht arbeitet. Somit wird das Gegendruckventil 7 vorzugsweise gänzlich geschlossen. Hierbei umfasst der Zustand, bei dem das Gegendruckventil 7 gänzlich geschlossen ist, nicht nur den Zustand, bei dem Kathodenabgas stromabwärtig des Gegendruckventils überhaupt nicht strömt, sondern auch den Zustand, bei dem der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 nahezu null ist und Kathodenabgas geringfügig stromabwärtig des Gegendruckventils 7 strömt. Der Grund, weshalb der Innendruck des Brennstoffzellenstapels 3 zunimmt, ist das Freigeben des Kathodengegendrucks in einem Schlag zum Ausführen eines Spülens, wodurch der Gasaustausch unterstützt wird.
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Die ECU 17 bestimmt, ob die durch das Voltmeter V gemessene Stapelspannung (elektrische Spannung) geringer als eine vorbestimmte Spannung V1 bei Schritt S4 ist, der dem Schritt S3 folgt. Hierbei wird die vorbestimmte Spannung V1 als eine elektrische Spannung festgelegt, die verhindert, dass die Kathodenelektrode ein hohes elektrisches Potenzial hat, wenn das Brennstoffzellensystem 1 in einen Leerlaufzustand gelangt, und das Verschlechtern der Brennstoffzelle 2 wird verhindert. In dem Brennstoffzellensystem 1 nimmt während des Leerlaufbetriebs die elektrische Spannung allmählich ab bis zu einem Wert, der geringer als die elektrische Spannung V1 ist, durch das Ausführen der Kathodenzirkulationssteuerung. Wenn die ECU 17 bei dem Schritt S4 JA bestimmt, geht die ECU 17 zu Schritt S5 weiter. Bei Schritt S5 stellt die ECU 17 den Abgabeleistungssollwert des Brennstoffzellensystems 1 auf w0 ein. Bei Schritt S6, der dem Schritt S5 folgt, hält die ECU 17 die zweite Pumpe P2 an. Der Grund, weshalb die ECU 17 den Abgabeleistungssollwert des Brennstoffzellensystems 1 auf w0 festlegt, um den Abgabeleistungssollwert bei Schritt S5 zu verringern, ist, weil der Betrieb der zweiten Pumpe P2 unnötig wird und der Verbrauch an elektrischer Energie abnimmt, nachdem die Stapelspannung auf weniger als V1 abgenommen hat. Der Prozess kehrt nach dem Schritt S6 zurück. Die Reihenfolge von Schritt S5 und Schritt S6 kann geändert werden, oder Schritt S5 oder Schritt S6 können gleichzeitig ausgeführt werden. Die Prozesse von dem Schritt S2 zu dem Schritt S6 entsprechen der Kathodenzirkulationssteuerung. Andererseits wird, wenn die Bestimmung bei Schritt S4 NEIN lautet, der Prozess von Schritt S1 wiederholt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird der Prozess von Schritt S1 an wiederholt, und die Steuerung, die den Abgabeleistungssollwert auf w1 festlegt, wird fortgesetzt, bis die Bestimmung bei Schritt S4 zu JA wird.
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Andererseits geht, wenn die Bestimmung bei Schritt S1 NEIN lautet, der Prozess zu Schritt S1a. Bei Schritt S1a bestimmt die ECU 17, ob das Schalten von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgeführt ist. Das heißt, die ECU 17 bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem 1 den Prozess des Schrittes S1a nach dem Schritt S1 ausführt, der erneut ausgeführt worden ist aufgrund der Rückkehr der Prozessabfolgen während des Leerlaufbetriebs. Wenn die ECU 17 bei Schritt S1a NEIN bestimmt, geht die ECU 17 zu Schritt S1b weiter und führt eine normale Steuerung aus, und der Prozess kehrt zurück. Hierbei zeigt die normale Steuerung die Steuerung, unter der der Lastbetrieb ausgeführt wird, und die Druckentlastungssteuerung, die nachstehend detailliert beschrieben ist, wird nicht ausgeführt. Beispielsweise wird die normale Steuerung in einem Fall ausgeführt, bei dem der in 3 gezeigte Zustand innerhalb der Zeitspanne T1 fortgesetzt wird. Andererseits geht, wenn bei Schritt S1a JA bestimmt wird, der Prozess zu dem Schritt S7 weiter. Das heißt, wenn die ECU 17 bestimmt, dass der Leerlaufbetrieb bei Zeitpunkt t2 in 3 nicht angefordert ist, bestimmt die ECU 17 bei Schritt S1 NEIN und setzt die Abgabeleistungsanforderung auf hoch. Das heißt das Brennstoffzellensystem 1 schaltet von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb. Zu diesem Zeitpunkt führt die ECU 17 die Druckentlastungssteuerung aus, bei der der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 erhöht wird, um den Druck in dem Brennstoffzellenstapel 3 auf weniger als den Druck während des Leerlaufbetriebs zu verringern. Genauer gesagt startet bei dem Schritt S7 die ECU 17 den Betrieb der ersten Pumpe P1, hält sie den Betrieb der zweiten Pumpe P2 an und erhöht sie den Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7. Diese Steuerung verringert den Kathodengegendruck auf weniger als den Kathodengegendruck während des Leerlaufbetriebs. Der Zustand, bei dem die Druckentlastungssteuerung ausgeführt wird, zeigt den Zustand an, bei dem der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 größer ist als der Öffnungsgrad während des Leerlaufbetriebs und der Kathodengegendruck geringer ist als der Kathodengegendruck während des Leerlaufbetriebs. Wenn, wie in 3 gezeigt, der Abgabeströmungsratenanforderungswert der ersten Pumpe P1 auf hoch festgelegt ist, wird die Abgabeströmungsrate der ersten Pumpe P1 hoch. Das heißt es wird der Zustand erzielt, bei dem ein Reagieren auf eine Abgabeleistungsanforderung während des Lastbetriebs möglich ist. Darüber hinaus wird der Abgabeströmungsratenanforderungswert der zweiten Pumpe P2 auf null gesetzt. Dieses Festlegen des Abgabeströmungsratenanforderungswertes bewirkt, dass die Ist-Abgabeströmungsrate der zweiten Pumpe P2 zu null wird. Die Ist-Abgabeströmungsrate der ersten Pumpe P1 steigt von einer Abgabeströmungsrate von null an, nimmt allmählich zu und erreicht schließlich eine Abgabeströmungsrate von Hoch. Wenn wie vorstehend beschrieben der Betrieb der ersten Pumpe P1 gestartet wird und der Betrieb der zweiten Pumpe P2 angehalten wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel nahezu „Voll“. Zu diesem Zeitpunkt setzt die ECU 17 den Umgebungsdruck als den Druckanforderungswert des Kathodengegendrucks, und öffnet gänzlich das Gegendruckventil 7. Diese Steuerung unterstützt den Gasaustausch in dem Kathodenkanal 3a in einem Schlag (mit einem Mal). Als ein Ergebnis wird Frischluft, die reich an Sauerstoff ist, in den Kathodenkanal 3a eingeleitet, und die Sauerstoffkonzentration im Stapel nimmt zu. 3 offenbart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel zu dem Zustand „Voll“ von dem Zeitpunkt t2 zu dem Zeitpunkt t31 zurückkehrt, wobei der Gasaustausch zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t31a linear voranschreitet, und die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel nimmt zu. Das lineare Voranschreiten des Gasaustausches wird bewirkt durch Ausführen eines Spülens, das durch Freigeben des Kathodengegendrucks, der bei einem Druck P1 bis zu dem Zeitpunkt t2 gehalten wird, mit einem Schlag erzielt wird. Hierbei ist das Gasaustauschverhältnis als ein Verhältnis der Sauerstoffkonzentration zu jedem Zeitpunkt gegenüber einem angestrebten Sollwert der Sauerstoffkonzentration in dem Stapel, wenn der Gasaustausch während des Schaltens von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgeführt wird, definiert. Das Gasaustauschverhältnis nach dem Zeitpunkt t31a nimmt in einer quadratischen Kurvenform (Form einer Kurve zweiter Ordnung) zu, und erreicht schließlich den Zustand „Voll“ (gänzlich).
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Gasaustausch unterstützt, indem der Kathodengegendruck auf einen Umgebungsdruck während der Druckentlastungssteuerung festgelegt wird. Jedoch kann der Effekt des Gasaustausches erlangt werden, solange der Kathodengegendruck während der Druckentlastungssteuerung geringer als der Kathodengegendruck während des Leerlaufzustandes ist. Das heißt das Gegendruckventil 7 muss nicht gänzlich geöffnet werden und der Kathodengegendruck muss nicht gleich dem Umgebungsdruck sein, solange der Kathodengegendruck während der Druckentlastungssteuerung geringer ist als der Kathodengegendruck während des Leerlaufzustandes. Der Zustand, bei dem das Gegendruckventil 7 gänzlich offen ist, umfasst den Zustand, bei dem der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 annähernd 100 % beträgt, und der Kathodengegendruck sich nicht wesentlich von dem Kathodengegendruck unterscheidet, bei dem das Gegendruckventil 7 gänzlich offen ist. Der Zustand, bei dem der Kathodengegendruck annähernd der gleiche wie bei dem Umgebungsdruck ist, umfasst einen Zustand, bei dem der Kathodengegendruck geringfügig größer als der Umgebungsdruck ist, aufgrund des Druckverlustes des Gegendruckventils 7 selbst.
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Bei dem Schritt S8 bestimmt die ECU 17, ob der Gasaustausch in dem Kathodenkanal 3a vollendet ist. Um zu bestimmen, ob der Gasaustausch vollendet ist, schätzt die ECU 17 die Liefermenge von Frischluft von dem Beginn des Betriebs der ersten Pumpe P1 zu einem Zeitpunkt t2 und vollführt eine Bestimmung auf der Basis der geschätzten Menge. Alternativ wird die Sauerstoffkonzentration an dem Auslass 3a2 des Kathodenkanals 3a gemessen, und es kann bestimmt werden, dass der Gasaustausch vollendet ist, wenn der gemessene Wert einen Grenzwert überschreitet, der zuvor bestimmt worden ist. Schritt S7 und Schritt S8 entsprechen der Druckentlastungssteuerung. Wenn die ECU 17 bei Schritt S8 JA bestimmt, d. h., wenn die ECU 17 bestätigt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel einen Zustand „Voll“ (gänzlich) erreicht hat, geht die ECU 17 zu Schritt S9 weiter, schaltet zu der normalen Steuerung und setzt sie den Druckanforderungswert auf p1. Nach dem Schritt S9 kehrt der Prozess zurück. Wenn die Bestimmung bei Schritt S8 NEIN lautet, bestimmt die ECU 17 erneut, ob ein Leerlaufbetrieb bei Schritt S10 angefordert wird. Dieser Prozess dient der Handhabung eines Falls, bei dem der Leerlaufbetrieb während der Druckentlastungssteuerung angefordert wird. Wenn die Bestimmung bei Schritt S10 JA lautet, geht der Prozess zu Schritt S2 weiter. Wenn andererseits die Bestimmung bei Schritt S10 NEIN lautet, wird der Prozess von Schritt S8 wiederholt.
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Wie dies vorstehend beschrieben ist, führt das Brennstoffzellensystem 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Druckentlastungssteuerung aus, bei der der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 erhöht wird, um den Kathodengegendruck zu verringern, wenn das Brennstoffzellensystem 1 von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb schaltet. Demgemäß wird das Gas in dem Brennstoffzellenstapel prompt ausgetauscht nach der Zirkulationssteuerung des Kathodengases.
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Im Gegensatz dazu ist in dem Vergleichsbeispiel, von dem das Zeitablaufdiagramm in 4 dargestellt ist, nachdem der Schaltbefehl von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgegeben worden ist, die Zeitspanne T3, die es braucht, bis die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel einen Zustand „Voll“ erreicht, länger als die Zeitspanne T3 in dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Hinblick auf das Einstellen des Druckanforderungswertes und des Ist-Drucks gemäß der Einstellung. Anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Druckanforderungswert im Vergleichsbeispiel konstant. Das heißt selbst wenn das Brennstoffzellensystem von dem Leerlaufzustand in den Lastbetrieb schaltet, wird der Druckanforderungswert des Kathodengegendrucks konstant gehalten. Wenn wie vorstehend beschrieben der Druckanforderungswert konstant gehalten bleibt und der Kathodengegendruck tatsächlich konstant gehalten bleibt, nimmt die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel in der Form einer quadratischen Kurve (Form einer Kurve zweiter Ordnung) zu, bis die Sauerstoffkonzentration einen Zustand „Voll“ erreicht, nachdem der Schaltbefehl von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgegeben worden ist. Das heißt die Zeitspanne, die es braucht, bis der Gasaustausch vollendet ist, ist lang. Wie vorstehend beschrieben bewirkt die Erhöhung der Zeitspanne, die es braucht, bis der Gasaustausch vollendet ist, ein Problem wie beispielsweise eine Steuerungsverzögerung, die eine Zeitspanne zum Erlangen der angeforderten Abgabeleistung erforderlich macht. Im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel vollendet das Brennstoffzellensystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels prompt (sofort) den Gasaustausch, und erlangt die erwünschte Abgabeleistung sofort.
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Das Brennstoffzellensystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels hat den Zwischenkühler 5, der in dem Kathodengaslieferkanal 4 angeordnet ist. Der Zwischenkühler 5 hat eine Kammer, durch die die große Menge an Luft strömt. Somit bewirkt, wenn das Gegendruckventil 7 offen ist, die Luft in der Kammer eine Extrusion des Gases in dem Kathodenkanal 3a, und erhöht die Effizienz des Spülens während des Gasaustausches. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Druckmesser P in dem Kathodenabgasabgabekanal 6 angeordnet, der sich weiter stromabwärtig befindet als der Brennstoffzellenstapel 3, jedoch soll diese Anordnung keinerlei Einschränkung mit sich bringen. Der Druckmesser P kann beispielsweise in dem Kathodengaslieferkanal 4 weiter stromaufwärtig als der Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet werden. Dies ist so, weil der Kathodengegendruck berechnet werden kann durch Subtraktion des Druckverlustes in dem Brennstoffzellenstapel 3, der zuvor gemäß den derartigen Bedingungen gespeichert wird, wie beispielsweise die Kathodengasströmungsrate und die Stapeltemperatur, sogar wenn der Druckmesser P an der Seite des Kathodengaslieferkanals 4 angeordnet ist.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. 5 zeigt ein Flussdiagramm der Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 in dem zweiten Ausführungsbeispiel. 6 zeigt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms, wobei die Instruktion des Brennstoffzellensystems 1 und der Betrieb jeder Komponente in dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt sind. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Hinblick auf die Steuerung, hat jedoch eine Hardwarekonfiguration des Brennstoffzellensystems 1, die gleich derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ist. Daher wird in der nachfolgenden Beschreibung der Unterschied im Hinblick auf die Steuerung zwischen dem zweiten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich beschrieben.
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Bei dem Schritt S1 bestimmt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die ECU 17, ob ein Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 angefragt wird. Wenn bei Schritt S1 JA bestimmt wird, geht der Prozess zu Schritt S2 weiter. Wenn die Bestimmung bei Schritt S1 NEIN lautet, geht der Prozess zu dem Schritt S1a weiter. Bei dem Schritt S1a bestimmt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die ECU 17, ob eine Rückkehr von dem Leerlaufbetrieb vorliegt. Wenn die Bestimmung bei Schritt S1a JA lautet, geht der Prozess zu dem Schritt S7 weiter. Wenn der Prozess zu Schritt S7 weitergeht, sind die Abläufe von Schritt S7 bis Schritt S9 die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel. Bei Schritt S2 stellt wie im ersten Ausführungsbeispiel die ECU 17 den Abgabeleistungssollwert auf w1. Nach dem Schritt S2 geht der Prozess zu Schritt S11 weiter. Wenn die Bestimmung bei Schritt S1a NEIN lautet, kehrt der Prozess wie im ersten Ausführungsbeispiel nach dem Prozess des Schrittes S1b zurück.
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Bei Schritt S11 setzt die ECU 17 den Druckanforderungswert auf p2. Der Druckanforderungswert ist anders ausgedrückt ein Gegendrucksteuerwert. Der Druckwert p2 ist größer als der Druckwert p1. Das heißt bei dem Schritt S11 setzt die ECU 17 den Druckanforderungswert auf einen Wert, der größer als der vorherige Druckanforderungswert ist, der in der normalen Steuerung verwendet wird. Bei Schritt S12, der Schritt S11 folgt, betreibt die ECU 17 die erste Pumpe P1 und die zweite Pumpe P2 und schließt sie das Gegendruckventil 7. Das heißt, zum Erhöhen des Druckwertes von p1 auf p2 wird der Betrieb der ersten Pumpe P1 fortgesetzt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der Betrieb der ersten Pumpe P1 fortgesetzt wird, um den Druckwert zu erhöhen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gegendruckventil 7 gänzlich geschlossen, jedoch muss es nicht gänzlich geschlossen sein. Der Zustand, bei dem das Gegendruckventil 7 gänzlich geschlossen ist, umfasst nicht nur den Zustand, bei dem das Kathodenabgas stromabwärtig des Gegendruckventils 7 überhaupt nicht strömt, sondern auch den Zustand, bei dem der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 7 nahezu null ist und Kathodenabgas geringfügig stromabwärtig des Gegendruckventils 7 strömt. Diese Definitionen sind die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
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Bei Schritt S13, der Schritt S12 folgt, bestimmt die ECU 17, ob der Ist-Druck p, d. h. der Kathodengegendruck p, der durch den Druckmesser P gemessen wird, gleich p2 ist oder größer ist. Wenn die Bestimmung bei Schritt S13 JA lautet, geht der Prozess zu Schritt S14 weiter. Bei Schritt S14 hält die ECU 17 den Betrieb der ersten Pumpe P1 an. Dann setzt die ECU 17 den Betrieb der zweiten Pumpe P2 fort und behält den geschlossenen Zustand des Gegendruckventils 7 bei. Diese Steuerung ist die gleiche wie die Steuerung bei Schritt S3 des ersten Ausführungsbeispiels. Nach dem Schritt S14 geht der Prozess zu Schritt S15. Andererseits wird, wenn die Bestimmung bei Schritt S13 NEIN lautet, in diesem Prozess der Schritt S14 übersprungen, und der Prozess geht zu Schritt S15.
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Bei Schritt S15 bestimmt die ECU 17, ob die Stapelspannung (elektrische Spannung) V, die durch das Voltmeter V gemessen wird, geringer als die vorbestimmte Spannung V1 ist. Dieser Prozess ist der gleiche wie der Prozess bei Schritt S4 im ersten Ausführungsbeispiel. Wenn die Bestimmung bei Schritt S15 JA lautet, geht der Prozess zu Schritt S16 weiter. Bei Schritt S16 setzt die ECU 17 den Abgabeleistungssollwert des Brennstoffzellensystems 1 auf w0. Dieser Prozess ist der gleiche wie der Prozess bei Schritt S5 des ersten Ausführungsbeispiels. Nach Schritt S16 geht der Prozess zu Schritt S17. Wenn die Bestimmung bei Schritt S15 NEIN lautet, wird der Prozess von Schritt S1 wiederholt. Dies ist gleich dem Fall, bei dem die Bestimmung bei Schritt S4 NEIN im ersten Ausführungsbeispiel lautet.
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Bei Schritt S17 bestimmt die ECU 17, ob der Ist-Druck p gleich wie p2 oder größer ist, und die Stapelspannung V geringer als V1 ist. Wenn die Bestimmung bei Schritt S17 JA lautet, kehrt der Prozess nach dem Schritt S6 zurück, wobei dies gleich wie im ersten Ausführungsbeispiel ist. Wenn andererseits die Bestimmung bei Schritt S17 NEIN lautet, wird der Prozess von Schritt S13 wiederholt, bis die Bestimmung bei Schritt S17 zu JA wird.
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Wenn die Bestimmung bei Schritt S1 NEIN lautet und der Prozess zu Schritt S7 geht, sind die Prozesse von Schritt S7 bis Schritt S9 gleich jenen des ersten Ausführungsbeispiels, das vorstehend beschrieben ist. Jedoch unterscheidet sich der Effekt von dem Effekt des ersten Ausführungsbeispiels. Genauer gesagt ist die Zeitspanne T3, die es braucht, bis die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel einen Zustand „Voll“ erreicht, nachdem der Schaltbefehl von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgegeben worden ist, noch kürzer als die Zeitspanne T3 des ersten Ausführungsbeispiels. Der Grund dafür ist nachstehend beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Kathodengegendruck auf p2 während des Leerlaufbetriebs erhöht. Das heißt die Differenz gegenüber dem Umgebungsdruck nimmt zu. Demgemäß wird, wenn das Gegendruckventil 7 freigegeben (d.h. geöffnet) wird, wenn das Brennstoffzellensystem 1 von dem Leerlaufbetrieb zurückkehrt, das verbleibende Gas in dem Kathodenkanal 3a in kräftiger Weise abgegeben, und der Gasaustausch wird in effizienter Weise ausgeführt. Dies führt zu einer Verkürzung des Intervalls zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t32a, wie dies in 6 gezeigt ist, und die Linie, die das Gasaustauschverhältnis anzeigt, ist nahe der Vertikalen. Dies verringert außerdem die Zeitspanne T3 bis zum Zeitpunkt t32, bei dem die Sauerstoffkonzentration in dem Stapel einen Zustand „Voll“ erreicht.
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Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird das Gas noch effizienter ausgetauscht, indem der Kathodengegendruck während der Leerlaufbetriebszeitspanne T2 erhöht wird. Der Grund, weshalb der vorstehend erläuterte Unterschied gemacht wird, wird unter Bezugnahme auf 7 wie folgt erachtet. Wenn der Kathodengegendruck während des Schaltens von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb nicht reduziert wird, wie dies bei dem Vergleichsbeispiel der Fall ist, das im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird die Änderung des Gasaustauschverhältnisses im Stapel die ganze Zeit durch eine quadratische Kurve repräsentiert. Als ein Ergebnis benötigt es eine lange Zeitspanne, bis der Austausch des gesamten Gases vollendet ist. Im Gegensatz dazu unterstützt, wie dies im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wenn die Druckentlastungssteuerung, die den Kathodengegendruck auf weniger als den vorherigen Kathodengegendruck verringert, zum Zeitpunkt des Schaltens von dem Leerlaufbetrieb zu dem Lastbetrieb ausgeführt wird, das Spülen aufgrund der Verringerung des Kathodengegendrucks den Gasaustausch mit einem Schlag. Dies verringert die Zeitspanne, die es braucht, bis der Austausch des gesamten Gases vollendet ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Kathodengegendruck während des Leerlaufbetriebs so erhöht, dass die Differenz zwischen dem Kathodengegendruck und dem Druck nach dem Freigeben des Gegendruckventils 7 erhöht ist. Diese Konfiguration ermöglicht ein Ausführen eines noch effizienteren Gasaustausches. Demgemäß wird die Zeitspanne, die es braucht, bis der Austausch des gesamten Gases vollendet ist, noch weiter verkürzt.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Ein Brennstoffzellensystem 101 des dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels dahingehend, dass ein Öffnungsventil 102, das parallel zu dem Gegendruckventil 7 angeordnet ist, vorgesehen ist. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie in dem Brennstoffzellensystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Somit sind die gleichen Bezugszeichen für die gemeinsamen Komponenten in der Zeichnung verwendet, und die detaillierte Beschreibung von ihnen unterbleibt.
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Das Öffnungsventil 102 unterstützt die Abgabe des Kathodenabgases von dem Gegendruckventil 7. Das Öffnungsventil 102 wird in Kombination mit dem Gegendruckventil 7 geöffnet, wenn die Kathodenzirkulationssteuerung während des Leerlaufbetriebs zu der Druckentlastungssteuerung geschaltet wird. Diese Konfiguration erhöht die Effizienz der Verringerung des Kathodengegendrucks, wodurch die Effizienz des Gasaustausches erhöht wird. Die Erhöhung der Effizienz des Gasaustausches ermöglicht, dass der Sauerstoff sich über den weiten Bereich des Brennstoffzellenstapels 3 sofort verteilt, und ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem 101 in einen Zustand gelangt, bei dem das Brennstoffzellensystem 101 ein hohes elektrisches Potenzial in einer kurzen Zeitspanne ausgeben kann.
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Während die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, und andere Ausführungsbeispiele, Variationen und Änderungen können gemacht werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 3a
- Kathodenkanal
- 4
- Kathodengaslieferkanal
- 5
- Zwischenkühler
- 6
- Kathodenabgasabgabekanal
- 7
- Gegendruckventil
- 8
- Zirkulationskanal
- 102
- Öffnungsventil
- P1
- erste Pumpe
- P2
- zweite Pumpe
- P3
- dritte Pumpe
