DE102021110023A1

DE102021110023A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021110023A1
Application number: DE102021110023.2A
Authority: DE
Inventors: Ryouichi NAMBA; Junichi Matsuo; Hiroyuki Tsunekawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2021-12-02
Also published as: CN113745602B; US11652225B2; CN113745602A; JP7327280B2; US20210376353A1; JP2021190300A

Abstract

Während der Durchführung einer Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad steuert eine Steuervorrichtung (200) die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so, dass die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergehende Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle (10) eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn der Zustand eines Gestells, auf dem das Brennstoffzellensystem (100) montiert ist, ein erster Modus ist, und steuert die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die kleiner als die erste Wärmeerzeugungsmenge ist, wenn der Zustand des Gestells ein zweiter Modus ist, bei dem die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle (10) im Vergleich zum ersten Modus leichter schwankt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND
Die japanische Patentanmeldung JP 2008 - 269 813 A offenbart als herkömmliches Brennstoffzellensystem eines, das eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, bei der der Leistungserzeugungsverlust größer wird als bei der normalen Leistungserzeugung, um dadurch einen schnellen Aufwärmvorgang bzw. Schnellaufwärmvorgang durchzuführen, wodurch die Menge der Eigenwärmeerzeugung der Brennstoffzelle zunimmt und die Brennstoffzelle sich schnell aufwärmt.
KURZFASSUNG
Zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad wird, um die Konzentrationsüberspannung größer zu machen und den Leistungserzeugungsverlust zu erhöhen, unter der Annahme der gleichen erzeugten elektrischen Leistung die Zufuhrdurchflussmenge des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsgases kleiner als zum Zeitpunkt der normalen Leistungserzeugung. Das heißt, der Sollwert des Luftstöchiometrieverhältnisses, der zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad eingestellt ist (Verhältnis der Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases, das tatsächlich zugeführt wird, zum minimalen Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases, die für die Erzeugung der erzeugten elektrischen Sollleistung erforderlich ist), wird kleiner als der Sollwert des Luftstöchiometrieverhältnisses, der zum Zeitpunkt der normalen Leistungserzeugung eingestellt ist. Ferner wird zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, die in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Luftstöchiometrieverhältnis kleiner gemacht wird als zum Zeitpunkt der normalen Leistungserzeugung, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis von seinem Sollwert abweicht, das Ausmaß der Schwankung der Spannung der Brennstoffzelle tendenziell größer als zum Zeitpunkt der normalen Leistungserzeugung.
In diesem Fall weicht das Luftstöchiometrieverhältnis zum Zeitpunkt des Übergangs, in dem sich die erzeugte elektrische Sollleistung ändert, bis die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases auf eine Solldurchflussmenge nach dem Übergang geregelt ist, vom Sollwert nach dem Übergang ab. Daher wird zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, während des Übergangs die Istspannung der Brennstoffzelle dazu neigen, stark von der Sollspannung abzuweichen. Infolgedessen wird die erzeugte elektrische Istleistung dazu neigen, stark von der erzeugten elektrischen Sollleistung abzuweichen.
Wenn die erzeugte elektrische Istleistung größer wird als die erzeugte elektrische Sollleistung, wird die zu diesem Zeitpunkt überschüssige elektrische Leistung in die Batterie geladen. Andererseits wird, wenn die erzeugte elektrische Istleistung kleiner wird als die erzeugte elektrische Sollleistung, die zu diesem Zeitpunkt fehlende elektrische Leistung aus der Batterie entladen. Aus diesem Grund wird, wenn die Abweichung der erzeugten elektrischen Istleistung in Bezug auf die erzeugte elektrische Sollleistung größer wird, die Batterie im Zustand überladen oder im Zustand überentladen und die Batterie kann sich verschlechtern.
Auf diese Weise neigt die erzeugte elektrische Istleistung zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad dazu, in Bezug auf die erzeugte elektrische Sollleistung stark abzuweichen, so dass die Batterie überladen oder überentladen wird und sich die Batterie verschlechtern kann.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Fokus auf einen solchen Problempunkt gemacht und hat zur Aufgabe, während eines schnellen Aufwärmvorgangs, bei dem eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, die Batterie vor einem überladenen Zustand oder einem übermäßig entladenen bzw. überentladen Zustand zu bewahren und eine Verschlechterung der Batterie zu vermeiden.
Um dieses technische Problem zu lösen, hat das Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Brennstoffzelle, die so konfiguriert ist, dass sie elektrische Leistung durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine wiederaufladbare Batterie, die so konfiguriert ist, dass sie mit überschüssiger elektrischer Leistung geladen wird, und so konfiguriert ist, dass sie eine fehlende Menge an elektrischer Energie zum Zeitpunkt der Stromerzeugung der Brennstoffzelle entlädt; und eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung hat: einen Zufuhrdurchflussmengensteuerteil, der eine Zufuhrdurchflussmenge von Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, steuert; und einen Leistungserzeugungsteil, der eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, bei der der Leistungserzeugungsverlust größer wird als bei der normalen Leistungserzeugung. Der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil ist so konfiguriert, dass er die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergehende Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle zu einer ersten Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Zustand eines Gestells, auf dem das Brennstoffzellensystem montiert ist, ein erster Modus ist; und die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die kleiner ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Zustand des Gestells ein zweiter Modus ist, in dem die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle im Vergleich zum ersten Modus leichter schwankt.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn der Zustand des Gestells der zweite Modus ist, in dem die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle leicht schwankt, der Leistungserzeugungsverlust (die Menge der Wärmeerzeugung bzw. Wärmeerzeugungsmenge) kleiner gemacht, so dass das Luftstöchiometrieverhältnis relativ größer wird. Daher kann zum Zeitpunkt des Übergangs die erzeugte elektrische Istleistung davon abgehalten werden, von der erzeugten elektrischen Sollleistung abzuweichen, so dass während eines schnellen Aufwärmvorgangs, bei dem eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, verhindert werden kann, dass die Batterie in den überladenen Zustand oder den übermäßig entladenen bzw. überentladen Zustand gelangt, und somit verhindert werden kann, das sich die Batterie verschlechtert.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht, die eine Standard-IV-Kennlinie für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, wenn eine BZ-Temperatur eine bestimmte Temperatur ist.
3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Luftstöchiometrieverhältnis und einer Sauerstoffkonzentrationsüberspannung eines Faktors des Leistungserzeugungsverlustes erklärt.
4 ist eine Ansicht, die Änderungen einer BZ-Spannung zeigt, wenn eine Änderung des Luftstöchiometrieverhältnisses in einem Zustand vorgenommen wird, in dem ein BZ-Strom konstant gehalten wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerung einer BZ-Luftzufuhrmenge während eines schnellen Aufwärmvorgangs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
6 ist ein Flussdiagramm, das Details der Verarbeitung zur Einstellung einer Sollmenge der Wärmeerzeugung erklärt.
7 ist ein IV-Kennfeld, in dem Linien gleicher Leistung und eine Linie gleicher Wärmeerzeugung zur Berechnung eines Schnellaufwärm-Betriebspunkts X2 eingezeichnet sind.
8 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Berechnung des Schnellaufwärm-Betriebspunkts X2 erläutert.
9 ist ein Standard-IV-Kennfeld zur Berechnung einer Standard-BZ-Spannung.
10 ist ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen dem Luftstöchiometrieverhältnis und der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung zur Berechnung eines Standard-Luftstöchiometrieverhältnisses darstellt.
11 ist ein Flussdiagramm, das Details der Verarbeitung zur Einstellung einer Sollmenge der Wärmeerzeugung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Erläuterung ähnlichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet sind.
1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in einem Fahrzeug montiert ist.
Das Brennstoffzellensystem 100 hat einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 20 zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 10 als Anodengas (Brenngas), eine Luftzufuhrvorrichtung 30 zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 10 als Kathodengas (Oxidationsgas), einen elektrischen Lastteil 50, der elektrisch mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, und eine elektronischen Steuereinheit 200 zur Gesamtsteuerung der verschiedenen Steuerteile des Brennstoffzellensystems 100.
Der Brennstoffzellenstapel 10 besteht aus einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheitszellen (im Folgenden als „Einheitszellen“ bezeichnet), die entlang der Stapelrichtung zusammen gestapelt sind, wobei die Einheitszellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Einheitszellen sind mit MEAs (Membran-Elektroden-Anordnungen) versehen.
Jede MEA besteht aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran, die aus einem Festpolymermaterial gebildet ist (im Folgenden als „elektrolytische Membran“ bezeichnet), auf deren einer Oberfläche eine Anodenelektrode und auf deren anderer Oberfläche eine Kathodenelektrode ausgebildet ist - die alle integral miteinander verbunden sind. Bei der Stromerzeugung am Brennstoffzellenstapel 10 laufen an der Anodenelektrode und Kathodenelektrode folgende elektrochemische Reaktionen ab

Anodenelektrode: 2H2 → 4H⁺ + 4e^- (1) Kathodenelektrode: 4H⁺ + 4e^- + O₂ → 2H₂O (2)

Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode sind jeweils mit Katalysatorschichten versehen, die aus porösen Kohlenstoffmaterialien bestehen, in denen ein Katalysator getragen wird. Die Katalysatorschichten enthalten Platin als Katalysator zur Förderung der elektrochemischen Reaktionen zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff (Wasserstoffoxidationsreaktion der Formel (1) und Sauerstoffreduktionsreaktion der Formel (2)). Es sei angemerkt, dass die beiden Außenseiten der MEA außerdem mit einer Anodengasdiffusionsschicht und einer Kathodengasdiffusionsschicht versehen sein können.
Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 20 ist mit einer Wasserstoffzufuhrleitung 21, einem Hochdruckwasserstofftank 22 als Wasserstoffquelle, einem Wasserstoffzufuhrsteuerteil 23, einer Anodenabgasleitung 24, einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25, einer Wasserstoffrückführungsleitung 26, einer Wasserstoffumwälzpumpe 27, einer Spülleitung 28 und einem Spülsteuerventil 29 versehen.
Die Wasserstoffzufuhrleitung 21 ist eine Leitung, durch die der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Wasserstoff fließt. Ein Ende ist mit dem Hochdruckwasserstofftank 22 verbunden, während das andere Ende mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist.
Der Hochdruckwasserstofftank 22 speichert den Wasserstoff, der über die Wasserstoffzufuhrleitung 21 dem Brennstoffzellenstapel 10 und damit den Anodenelektroden der Einheitszellen zugeführt wird.
Der Wasserstoffzufuhrsteuerteil 23 ist mit einem Hauptsperrventil 231, einem Regler 232 und einem Injektor 233 versehen.
Das Hauptsperrventil 231 ist ein Magnetventil, das von der elektronischen Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird und an der Wasserstoffzufuhrleitung 21 vorgesehen ist. Ist das Hauptsperrventil 231 geöffnet, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 in die Wasserstoffzufuhrleitung 21. Ist das Hauptsperrventil 231 geschlossen, wird der Ausfluss von Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 gestoppt.
Der Regler 232 ist an der Wasserstoffzufuhrleitung 21 stromabwärts des Hauptsperrventils 231 vorgesehen. Der Regler 232 ist ein Druckregelventil, das im Öffnungsgrad stufenlos oder schrittweise eingestellt werden kann. Sein Öffnungsgrad wird von der elektronischen Steuereinheit 200 gesteuert. Durch die Steuerung des Öffnungsgrades des Reglers 232 wird der Druck des Wasserstoffs auf der stromabwärts vom Regler 232 gelegenen Seite, d.h. der Druck des vom Injektor 233 eingespritzten Wasserstoffs, gesteuert.
Der Injektor 233 ist an der Wasserstoffzufuhrleitung 21 stromabwärts des Reglers 232 vorgesehen. Der Injektor 233 ist z.B. ein Nadelventil und wird von der elektronischen Steuereinheit 200 zum Öffnen und Schließen gesteuert. Durch die Steuerung der Öffnungszeitdauer des Injektors 233 wird die Durchflussmenge des vom Injektor 233 eingespritzten Wasserstoffs gesteuert.
Auf diese Weise wird unter Verwendung des Wasserstoffzufuhrsteuerteils 23 die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 22 zum Brennstoffzellenstapel 10 gesteuert. Das heißt, mit Hilfe des Wasserstoffzufuhrsteuerteils 23 wird dem Brennstoffzellenstapel 10 Wasserstoff zugeführt, der auf den gewünschten Druck und die gewünschte Durchflussmenge geregelt wird.
Die Anodenabgasleitung 24 ist eine Leitung, durch die Anodenabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 herausgeflossen ist. Ein Ende ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, während das andere Ende mit einer Gaseinströmöffnung 25a des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 25 verbunden ist. Das Anodenabgas ist ein Gas, das den überschüssigen Wasserstoff, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Einheitszelle verwendet wurde, sowie Stickstoff oder ein anderes Inertgas und einen Wassergehalt (flüssiges Wasser oder Dampf) enthält, die von der Kathodenseite durch die MEA zur Anodenelektrodenseite durchgedrungen sind.
Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 ist mit einer Gaseinströmöffnung 25a, einer Gasauslassöffnung 25b und einer Flüssigwasserauslassöffnung 25c versehen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 scheidet das Wasser im Anodenabgas ab, das von der Gaseinströmöffnung 25a nach innen strömt. Ferner trägt der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 das abgeschiedene Wasser aus der Flüssigwasserauslassöffnung 25c zu einer Spülleitung 28 aus und trägt das Wasserstoff enthaltende Anodenabgas, von dem das Wasser abgeschieden wurde, aus der Gasauslassöffnung 25b zu einer Wasserstoffrückführleitung 26 aus.
Die Wasserstoffrückführleitung 26 ist eine Leitung, deren eines Ende mit der Gasauslassöffnung 25b des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 25 verbunden ist und deren anderes Ende stromabwärts des Wasserstoffzufuhrsteuerteils 23 mit der Wasserstoffzufuhrleitung 21 verbunden ist. In der Wasserstoffrückführleitung 26 strömt das von der Gasauslassöffnung 25b des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 25 ausgetragene Anodenabgas.
Die Wasserstoffrückführleitung 26 ist mit der Wasserstoffumwälzpumpe 27 ausgebildet. Die Wasserstoffumwälzpumpe 27 ist eine Pumpe zur Rückführung des im Anodenabgas enthaltenen Wasserstoffs, d.h. des überschüssigen Wasserstoffs, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Zelle verwendet wurde, durch Rückführung in die Wasserstoffzufuhrleitung 21. Die Wasserstoffumwälzpumpe 27 setzt das Anodenabgas, das aus der Gasauslassöffnung 25b des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 25 austritt, unter Druck und pumpt es in die Wasserstoffzufuhrleitung 21.
Die Spülleitung 28 ist eine Leitung, deren eines Ende mit der Flüssigwasserauslassöffnung 25c des Gas-Flüssig-Abscheiders 25 verbunden ist und deren anderes Ende mit einer später erläuterten Kathodenabgasleitung 38 verbunden ist.
Das Spülsteuerventil 29 ist ein Magnetventil, das von der elektronischen Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird und an der Spülleitung 28 vorgesehen ist. Das Spülsteuerventil 29 ist normalerweise geschlossen und wird periodisch über kurze Zeiträume geöffnet. Wird das Spülsteuerventil 29 geöffnet, wird das im Inneren des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 25 abgeschiedene Wasser über die Spülleitung 28 aus der Kathodenabgasleitung 38 nach außen abgeführt.
Auf diese Weise ist das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Brennstoffzellensystem vom Wasserstoffrezirkulationstyp, das das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausströmende Anodenabgas rezirkuliert, indem es zur Wasserstoffzufuhrleitung 21 zurückgeführt wird, aber es kann auch zu einem Brennstoffzellensystem vom Wasserstoffnichtrezirkulationstyp verwendet werden, bei dem das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausströmende Anodenabgas nicht zur Wasserstoffzufuhrleitung 21 zurückgeführt wird.
Die Luftzufuhrvorrichtung 30 ist mit einer Luftzufuhrleitung 31, einem Luftreiniger bzw. Luftfilter 32, einem Kompressor 33, einem Zwischenkühler 34, einem Kathodeneinlassventil 35, einer Bypassleitung 36, einem Verteilerventil 37, einer Kathodenabgasleitung 38 und einem Kathodendruckregelventil 39 versehen.
Die Luftzufuhrleitung 31 ist eine Leitung, durch die Luft zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 und damit der Kathodenelektrode jeder Einheitszelle strömt. Ein Ende ist mit dem Luftfilter 32 verbunden, während das andere Ende mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist.
Der Luftfilter 32 entfernt Fremdstoffe aus der in die Luftzufuhrleitung 31 gesaugten Luft. Der Luftfilter 32 ist in der Atmosphäre angeordnet, die als Sauerstoffquelle 32a dient. Das heißt, die Sauerstoffquelle 32a kommuniziert mit der Luftzufuhrleitung 31 durch den Luftfilter 32.
Der Kompressor 33 ist beispielsweise ein Turbokompressor vom Zentrifugaltyp oder vom Axialströmungstyp und ist an der Luftzufuhrleitung 31 ausgebildet. Der Kompressor 33 verdichtet die durch den Luftfilter 32 in die Luftzufuhrleitung 31 gesaugte Luft und bläst sie aus. Es sei angemerkt, dass an der Luftzufuhrleitung 31 stromaufwärts vom Kompressor 33 ein Kathodendurchflussmengensensor 211 zur Erfassung der Durchflussmenge der vom Kompressor 33 angesaugten und abgegebenen Luft (im Folgenden als „Gesamtluftzufuhrmenge“ bezeichnet) Qacp [NL/min] vorgesehen ist.
Der Zwischenkühler 34 ist an der Luftzufuhrleitung 31 stromabwärts des Kompressors 33 vorgesehen und kühlt die vom Kompressor 33 abgegebene Luft z.B. durch den Außenluftstrom oder Kühlwasser usw.
Das Kathodeneinlassventil 35 ist ein Ventil, das von der elektronischen Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen wird und an der Luftzufuhrleitung 31 stromabwärts vom Zwischenkühler 34 vorgesehen ist. Das Kathodeneinlassventil 35 wird geöffnet, wenn es notwendig ist, dem Brennstoffzellenstapel 10 Luft zuzuführen.
Die Bypassleitung 36 ist eine Leitung, um einen Teil oder die gesamte vom Kompressor 33 abgegebene Luft je nach Bedarf direkt in die später erläuterte Kathodenabgasleitung 38 strömen zu lassen, ohne den Brennstoffzellenstapel 10 zu durchlaufen. Die Bypassleitung 36 ist an einem Ende mit der Luftzufuhrleitung 31 zwischen dem Zwischenkühler 34 und dem Kathodeneinlassventil 35 verbunden und ist am anderen Ende mit der Kathodenabgasleitung 38 stromabwärts des später erläuterten Kathodendruckregelventils 39 verbunden.
Das Verteilerventil 37 ist in der Bypassleitung 36 vorgesehen. Das Verteilerventil 37 ist ein Magnetventil, dessen Öffnungsgrad stufenlos oder schrittweise verstellt werden kann. Sein Öffnungsgrad wird von der elektronischen Steuereinheit 200 gesteuert.
Die Kathodenabgasleitung 38 ist eine Leitung, durch die das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausströmende Kathodenabgas strömt. Ein Ende ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, während das andere Ende zur Atmosphäre hin geöffnet ist. Das Kathodenabgas ist ein Gas, das den überschüssigen Sauerstoff, der nicht für die elektrochemischen Reaktionen in jeder Einheitszelle verwendet wurde, sowie den Stickstoff oder ein anderes Inertgas und den durch die elektrochemischen Reaktionen erzeugten Wassergehalt (flüssiges Wasser oder Dampf) enthält.
Das Kathodendruckregelventil 39 ist in der Kathodenabgasleitung 38 vorgesehen. Das Kathodendruckregelventil 39 ist ein Magnetventil, dessen Öffnungsgrad stufenlos oder schrittweise verstellt werden kann. Sein Öffnungsgrad wird von der elektronischen Steuereinheit 200 gesteuert. Durch die Steuerung des Öffnungsgrades des Kathodendruckregelventils 39 wird der Druck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10, d.h. der Kathodendruck, geregelt.
Durch die Steuerung des Kompressors 33 und damit der Gesamtluftzufuhrmenge Qafc sowie der jeweiligen Öffnungsgrade des Kathodeneinlassventils 35, des Verteilerventils 37 und des Kathodendruckregelventils 39 wird die Durchflussmenge Qfc [NL/min] der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Luft in der vom Kompressor 33 abgegebenen Luft (im Folgenden als „BZ-Luftzufuhrmenge“ bezeichnet) geregelt.
Der elektrische Lastteil 50 ist mit einem ersten Umrichter bzw. Wandler 51, einem Stromkreisunterbrecher bzw. Leistungsschalter 52, einer Batterie 53, einem zweiten Wandler 54, einem Motor-Generator 55 und einem Inverter bzw. Wechselrichter 56 versehen.
An der Verbindungsleitung 57 zwischen dem elektrischen Lastteil 50 und dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 sind ein Stromsensor 212 zum Erfassen des aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entnommenen Stroms Ifc [A] (im Folgenden als „BZ-Strom“ bezeichnet) und ein Spannungssensor 213 zum Erfassen der Klemmenspannung Vfc [V] des Ausgangsanschlusses des Brennstoffzellenstapels 10 (im Folgenden als „BZ-Spannung“ bezeichnet) vorgesehen.
Der erste Wandler 51 ist ein bidirektionaler DC/DC-Wandler (DC = Gleichstrom), der mit einer elektrischen Schaltung versehen ist, die in der Lage ist, die Klemmenspannung am primärseitigen Anschluss zu erhöhen und zu senken. Der primärseitige Anschluss ist mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden, während der sekundärseitige Anschluss mit dem gleichstromseitigen Anschluss des Wechselrichters 56 verbunden ist. Der erste Wandler 51 hebt und senkt die BZ-Ausgangsspannung Vfc, die zur primärseitigen Klemmenspannung wird, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 und steuert dadurch den BZ-Strom Ifc auf den gemäß dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 eingestellten BZ-Sollstrom Itg.
Der Leistungsschalter 52 wird von der elektronischen Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen und verbindet oder trennt elektrisch und physikalisch den Brennstoffzellenstapel 10 und den elektrischen Lastteil 50.
Die Batterie 53 ist z.B. ein Nickel-Cadmium-Akku, ein Nickel-Wasserstoff-Akku, ein Lithium-Ionen-Akku oder eine andere wiederaufladbare Sekundärzelle. Die Batterie 53 wird mit überschüssiger elektrischer Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 und regenerierter elektrischer Leistung des Motor-Generators 55 geladen. Die elektrische Leistung, die in die Batterie 53 geladen wird, wird je nach Bedarf für den Antrieb des Motor-Generators 55, des Kompressors 33 und verschiedener anderer Arten von Steuerteilen verwendet, mit denen das Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet ist.
Der zweite Wandler 54 ist beispielsweise ein bidirektionaler DC/DC-Wandler, der mit einer elektrischen Schaltung versehen ist, die in der Lage ist, die Klemmenspannung am sekundärseitigen Anschluss zu erhöhen und zu senken. Sein primärseitiger Anschluss ist mit dem Ausgangsanschluss der Batterie 53 verbunden, während sein sekundärseitiger Anschluss mit dem gleichstromseitigen Anschluss des Wechselrichters 56 verbunden ist. Der zweite Wandler 54 bewirkt, dass die Eingangsspannung des Wechselrichters 56, die die Klemmenspannung der Sekundärseite wird, basierend auf dem Steuersignal der elektronischen Steuereinheit 200 ansteigt und fällt.
Der Motor-Generator 55 ist beispielsweise ein dreiphasiger Synchronmotor vom Permanentmagnet-Typ, der mit einer Funktion als Motor zur Erzeugung der Antriebsleistung des Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist, und einer Funktion als Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung zum Zeitpunkt der Verzögerung des Fahrzeugs versehen ist. Der Motor-Generator 55 ist mit dem wechselstromseitigen Anschluss des Wechselrichters 56 verbunden und wird durch die erzeugte elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 und die elektrische Leistung der Batterie 53 angetrieben.
Der Wechselrichter 56 ist mit einer elektrischen Schaltung versehen, die in der Lage ist, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 Gleichstrom, der von einem gleichstromseitigen Anschluss eingegeben wird, in Wechselstrom umzuwandeln, und diesen von dem wechselstromseitigen Anschluss auszugeben, und umgekehrt in der Lage ist, basierend auf einem Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 200 Wechselstrom, der von einem wechselstromseitigen Anschluss eingegeben wird, in Gleichstrom umzuwandeln, und diesen von dem gleichstromseitigen Anschluss auszugeben. Der gleichstromseitige Anschluss des Wechselrichters 56 ist mit den sekundärseitigen Anschlüssen des ersten Wandlers 51 und des zweiten Wandlers 54 verbunden, während der wechselstromseitige Anschluss des Wechselrichters 56 mit dem Eingangs- und Ausgangsanschluss des Motor-Generators 55 verbunden ist. Wenn der Motor-Generator 55 als Motor funktioniert, wandelt der Wechselrichter 56 den Gleichstrom aus dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Batterie 53 in Wechselstrom um (in der vorliegenden Ausführungsform Dreiphasen-Wechselstrom), um ihn an den Motor-Generator 55 zu liefern. Auf der anderen Seite wandelt der Wechselrichter 56, wenn der Motor-Generator 55 als Generator funktioniert, den Wechselstrom vom Motor-Generator 55 in Gleichstrom um, um ihn der Batterie 53 usw. zuzuführen.
Die elektronische Steuereinheit 200 besteht aus einem digitalen Computer, der mit Komponenten ausgestattet ist, die durch einen bidirektionalen Bus 201 miteinander verbunden sind, wie z.B. einem ROM (Festspeicher) 202, einem RAM (Arbeitsspeicher) 203, einer CPU (Mikroprozessor) 204, einem Eingabeanschluss 205 und einem Ausgabeanschluss 206.
Am Eingabeanschluss 205 werden nicht nur Ausgangssignale von dem oben erwähnten Kathodendurchflussmengensensor 211 oder Stromsensor 212 oder Spannungssensor 213, sondern auch von einem BZ-Temperatursensor 214 zur Erfassung der Temperatur Tfc [°C] des Brennstoffzellenstapels 10 (im Folgenden als „BZ-Temperatur“ bezeichnet), einem Lastsensor 215 zur Erfassung eines Betätigungsbetrags eines Gaspedals (im Folgenden als „Gaspedalniederdrückbetrag“ bezeichnet), einem Schaltpositionserfassungssensor 216 zum Erfassen eines vom Fahrer des Fahrzeugs gewählten Schaltbereichs (Position des Schalthebels), einem Batterietemperatursensor 217 zum Erfassen einer Temperatur Tvat der Batterie 53 (im Folgenden als „Batterietemperatur“ bezeichnet), usw. über entsprechende AD-Wandler 207 eingegeben.
Am Ausgabeanschluss 206 sind der Wasserstoffzufuhrsteuerteil 23 (Hauptsperrventil 231, Regler 232 und Injektor 233) und die Wasserstoffumwälzpumpe 27, das Spülsteuerventil 29, der Kompressor 33, das Kathodeneinlassventil 35, das Verteilerventil 37, das Kathodendruckregelventil 39, der erste Wandler 51, der Leistungsschalter 52, der zweite Wandler 54, der Wechselrichter 56 und andere Steuerteile über entsprechende Ansteuerschaltungen 208 elektrisch verbunden.
Die elektronische Steuereinheit 200 gibt über den Ausgabeanschluss 206 Steuersignale zur Steuerung der Steuerteile aus, die auf den Ausgangssignalen verschiedener Sensoren basieren, die in den Eingabeanschluss 205 eingegeben werden, um das Brennstoffzellensystem 100 zu steuern. Nachfolgend wird die Steuerung des Brennstoffzellensystems 100, die die elektronische Steuereinheit 200 durchführt, insbesondere die Steuerung der BZ-Luftzufuhrmenge Qfc während des schnellen Aufwärmvorgangs bzw. Schnellaufwärmvorgangs zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 100 unterhalb des Gefrierpunktes, erläutert.
2 ist eine Ansicht, die eine Strom-Spannungs-Kennlinie (im Folgenden als „Standard-IV-Kennlinie“ bezeichnet) zeigt, die als Standard für einen Brennstoffzellenstapel 10 dient, wenn eine Stapeltemperatur Tfc eine bestimmte Temperatur ist. Die Standard-IV-Kennlinie ist die IV-Kennlinie bei der Durchführung einer hocheffizienten Leistungserzeugung, die verschiedene Arten von Leistungserzeugungsverlusten unterdrückt, die zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung auftreten (normale Leistungserzeugung).
Die elektronische Steuereinheit 200 berechnet die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg [kW] des Brennstoffzellenstapels 10 basierend auf dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die elektronische Steuereinheit 200 den Gesamtwert der angeforderten elektrischen Leistung des Motor-Generators 55, der auf der Grundlage des Gaspedalniederdrückbetrags usw. berechnet wird, und die angeforderten elektrischen Leistungen des Kompressors 33 und anderer Hilfsaggregate als die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg.
Wie in 2 gezeigt, steuert die elektronische Steuereinheit 200 im Normalbetrieb, der eine hocheffiziente Leistungserzeugung durchführt, nachdem der Brennstoffzellenstapel 10 seine Aufwärmphase beendet hat, das Luftstöchiometrieverhältnis und damit die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass der durch den BZ-Strom Ifc und die BZ-Spannung Vfc definierte Betriebspunkt X zu einem Normal-Betriebspunkt X1 wird, der in der Lage ist, die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg mit der Standard-IV-Kennlinie zu erzeugen.
Das „Luftstöchiometrieverhältnis“ ist das Verhältnis der tatsächlichen BZ-Luftzufuhrmenge Qfc in Bezug auf die minimale BZ-Luftzufuhrmenge Qth, die zur Erzeugung der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg erforderlich ist (im Folgenden als „theoretische BZ-Luftzufuhrmenge“ bezeichnet). Daher wird die tatsächliche BZ-Luftzufuhrmenge Qfc größer als die theoretische BZ-Luftzufuhrmenge Qth, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis (= Qfc/Qth) größer als 1,0 wird.
3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Luftstöchiometrieverhältnis und der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung eines Faktors des Leistungserzeugungsverlustes (Leistungserzeugungsverlust, der aufgrund von Sauerstoffmangel zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung auftritt) erläutert.
Wie in 3 gezeigt, tendiert die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung dazu, größer zu werden, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis klein ist, als wenn es groß ist. Mit anderen Worten: Der Leistungserzeugungsverlust aufgrund der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung (Höhe des Spannungsabfalls) wird tendenziell größer, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis klein ist, als wenn es groß ist.
Daher steuert die elektronische Steuereinheit 200 zum Zeitpunkt des Normalbetriebs die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass das Luftstöchiometrieverhältnis zu einem Luftstöchiometrieverhältnis in einem normalen Bereich wird, in dem die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung im Wesentlichen ignoriert werden kann (in dem in 3 gezeigten Beispiel zum Beispiel ein Luftstöchiometrieverhältnis in der Nähe von 1,5), um eine hocheffiziente Leistungserzeugung durchzuführen, deren Leistungserzeugungsverlust niedrig gehalten wird.
Andererseits führt die elektronische Steuereinheit 200 beim Starten und Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 in einer Umgebung unterhalb des Gefrierpunkts einen schnellen Aufwärmvorgang durch, um das zusammen mit der Leistungserzeugung erzeugte Wasser vor dem Einfrieren zu bewahren und gleichzeitig eine schnelle Wiederherstellung der IV-Charakteristik zu ermöglichen, die sich verschlechtert, je niedriger die Temperatur zu diesem Zeitpunkt ist. Ein schneller Aufwärmvorgang ist ein Betriebsverfahren, bei dem die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so gesteuert wird, dass die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung ab dem Zeitpunkt des Normalbetriebs ansteigt, um den Leistungserzeugungsverlust absichtlich ansteigen zu lassen und dadurch die Menge der Eigenwärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 ansteigen zu lassen, um das Aufwärmen zu fördern.
Zum Zeitpunkt eines schnellen Aufwärmvorgangs steuert die elektronische Steuereinheit 200 die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass das Luftstöchiometrieverhältnis zu einem Luftstöchiometrieverhältnis in einem schnellen Aufwärmbereich wird, in dem die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung nicht mehr ignoriert werden kann (in dem in 3 gezeigten Beispiel z.B. ein Luftstöchiometrieverhältnis in der Nähe von 1,0), um eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchzuführen, die die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg erzeugt, während der Leistungserzeugungsverlust (Betrag der Eigenwärmeerzeugung) gegenüber dem Normalbetrieb erhöht ist.
Aufgrund dessen ist es im Vergleich zu dem Fall in 2, in dem eine hocheffiziente Leistungserzeugung (normale Leistungserzeugung) am Normal-Betriebspunkt X1 mit der Standard-IV-Kennlinie durchgeführt wird, möglich, die BZ-Spannung Vfc um genau den Betrag der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung entsprechend dem Luftstöchiometrieverhältnis abfallen zu lassen. Das heißt, durch Steuern des BZ-Stroms Ifc bei gleichzeitiger geeigneter Steuerung des Luftstöchiometrieverhältnisses und wiederum der BZ-Luftzufuhrmenge Qfc, wie in 2 gezeigt, ist es möglich, elektrische Leistung im Normal-Betriebspunkt X1 und im Schnellaufwärm-Betriebspunkt X2 zu erzeugen, wodurch der Leistungserzeugungsverlust gegenüber dem Normal-Betriebspunkt X1 zunimmt und die gewünschte Menge an Eigenwärmeerzeugung auf der Linie gleicher Leistung bzw. Gleichleistungslinie (siehe gestrichelte Linie) gegeben ist, so dass es möglich ist, das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 zu fördern.
Dabei wurde als Ergebnis intensiver Forschung der Erfinder festgestellt, dass während dieses schnellen Aufwärmvorgangs leicht eine Differenz zwischen der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg und der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc entsteht, so dass die geladenen und entladenen elektrischen Leistungen der Batterie größer werden können und zu einer Verschlechterung der Batterie führen können. Im Folgenden wird dieser Problempunkt unter Bezugnahme auf 4 zusätzlich zu 3 erläutert. Es sei angemerkt, dass 4 eine Ansicht ist, die Änderungen der BZ-Spannung Vfc zeigt, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis geändert wird (d.h. wenn die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc geändert wird), während der BZ-Strom Ifc konstant gehalten wird.
Wie in 3 gezeigt, neigt der Betrag der Änderung der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung, wenn sich das Luftstöchiometrieverhältnis um genau einen vorbestimmten Betrag ändert, dazu, größer zu werden, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis klein ist, verglichen damit, wenn es groß ist. Mit anderen Worten, verglichen damit, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis groß ist, neigt der Betrag des Spannungsabfalls und damit die BZ-Spannung Vfc dazu, wenn es klein ist, leichter zu schwanken, wenn sich das Luftstöchiometrieverhältnis ändert.
Aus diesem Grund ist, wie in 4 gezeigt, zum Beispiel zum Zeitpunkt des normalen Betriebs, bei dem die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so geregelt wird, dass das Luftstöchiometrieverhältnis in einem normalen Bereich ein bestimmtes Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg1 wird, in dem die oben erwähnte Sauerstoffkonzentrationsüberspannung im Wesentlichen ignoriert werden kann, selbst wenn die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc schwankt und das Luftstöchiometrieverhältnis von dem Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg1 abweicht, der Betrag der Schwankung der BZ-Spannung Vfc gering.
Im Gegensatz dazu schwankt, zum Beispiel zum Zeitpunkt eines Schnellaufheizvorgangs, bei dem die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so geregelt wird, dass das Luftstöchiometrieverhältnis im Schnellaufheizbereich ein bestimmtes Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg2 wird, in dem die oben erwähnte Sauerstoffkonzentrationsüberspannung nicht mehr ignoriert werden, wenn die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc schwankt und das Luftstöchiometrieverhältnis von dem Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg2 abweicht, die BZ-Spannung Vfc stark, selbst wenn das Ausmaß der Abweichung vom Zeitpunkt des Normalbetriebs gleich wäre.
Wenn also während eines schnellen Aufwärmvorgangs das Luftstöchiometrieverhältnis vom Soll-Luftstöchiometrieverhältnis abweicht, neigt das Ausmaß der Schwankung der BZ-Spannung Vfc dazu, größer zu werden als zum Zeitpunkt der normalen Leistungserzeugung.
Ferner wird zum Zeitpunkt des Übergangs, wenn sich die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg schrittweise ändert, bis die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg nach dem Übergang geregelt ist, das Luftstöchiometrieverhältnis vom Soll-Luftstöchiometrieverhältnis nach dem Übergang abweichen. Aus diesem Grund neigt die BZ-Spannung Vfc während eines schnellen Aufwärmvorgangs, insbesondere zum Zeitpunkt des Übergangs, dazu, stark von der BZ-Sollspannung Vtg abzuweichen. Infolgedessen neigt die erzeugte elektrische Istleistung Pfc dazu, stark von der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg abzuweichen.
Wenn die erzeugte elektrische Istleistung Pfc größer wird als die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg, wird die zu diesem Zeitpunkt überschüssige elektrische Leistung in die Batterie 53 geladen. Aus diesem Grund kann die geladene elektrische Leistung der Batterie 53, wenn die überschüssige elektrische Leistung zunimmt, gleich oder größer als die zulässige geladene elektrische Leistung Win [kW] werden, die entsprechend dem Zustand der Batterie eingestellt ist, um eine Verschlechterung der Batterie 53 zu verhindern, und die Batterie 53 kann sich verschlechtern. Insbesondere bei Verwendung einer Lithium-Ionen-Batterie als Batterie 53 kann es, wenn die überschüssige elektrische Leistung zunimmt, zu einer sogenannten „Lithiumablagerung“ kommen, bei der sich Lithium auf der negativen Elektrodenoberfläche der Batterie 53 ablagert.
Ferner wird, wenn die erzeugte elektrische Istleistung Pfc kleiner wird als die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg, die zu diesem Zeitpunkt unzureichende bzw. fehlende Menge an elektrischer Leistung aus der Batterie 53 ausgegeben. Aus diesem Grund kann, wenn die fehlende Menge an elektrischer Leistung zunimmt, die entladene elektrische Leistung der Batterie 53 gleich oder größer als die zulässige entladene elektrische Leistung Wout [kW] werden, die, in der gleichen Weise wie die zulässige geladene elektrische Leistung Win, entsprechend dem Zustand der Batterie eingestellt ist, um eine Verschlechterung der Batterie 53 zu verhindern, und die Batterie 53 kann sich verschlechtern.
Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform die geladene elektrische Leistung der Batterie 53 ein positiver Wert ist, dessen Wert umso größer wird, je größer die in die Batterie 53 geladene elektrische Leistung ist. Ferner ist die entladene elektrische Leistung der Batterie 53 ebenfalls ein positiver Wert, der umso größer wird, je größer die elektrische Leistung ist, die aus der Batterie 53 entladen wird.
Weiterhin ändern sich die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout in Abhängigkeit vom Zustand der Batterie bzw. Batteriezustand. Beispielsweise werden sie tendenziell kleiner, wenn die Temperatur der Batterie 53 niedrig ist, als wenn sie hoch ist. Aus diesem Grund werden während eines schnellen Aufwärmvorgangs, der im Wesentlichen in einer Umgebung unterhalb des Gefrierpunkts durchgeführt wird, da die Temperatur der Batterie 53 ebenfalls niedrig ist, die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout tendenziell ebenfalls kleiner als zum Zeitpunkt des Normalbetriebs. Wenn daher während eines schnellen Aufwärmvorgangs eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg auftritt, gerät die Batterie 53 insbesondere leicht in einen überladenen Zustand oder einen übermäßig entladenen bzw. überentladenen Zustand und die Batterie 53 verschlechtert sich leicht.
Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg [W] während eines schnellen Aufwärmvorgangs bzw. Schnellaufwärmvorgang basierend auf dem Zustand des Fahrzeugs, auf dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist, und dem Zustand der Batterie geändert.
Insbesondere wird, wenn der Zustand des Fahrzeugs ein erster Zustand (erster Modus) ist, bei dem der Parkbereich (im Folgenden als „P-Bereich“ bezeichnet) als Schaltbereich ausgewählt ist, die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während eines schnellen Aufwärmvorgangs auf eine vorbestimmte erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 gesetzt, die die größte Wärmeerzeugungsmenge ist.
Wenn der Zustand des Fahrzeugs ein erster Zustand (erster Modus) ist, in dem der Parkbereich (im Folgenden als „P-Bereich“ bezeichnet) als Schaltbereich ausgewählt ist, wird die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während eines schnellen Aufwärmvorgangs auf eine vorbestimmte erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 gesetzt, die die größte Wärmeerzeugungsmenge ist. Wenn der Zustand des Fahrzeugs ein zweiter Zustand (zweiter Modus) ist, in dem der Fahrbereich (im Folgenden, als „D-Bereich“ bezeichnet) oder der Rückwärtsbereich (im Folgenden als „R-Bereich“ bezeichnet) als Schaltbereich ausgewählt ist, wird die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während eines schnellen Aufwärmvorgangs auf eine vorbestimmte zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 eingestellt, die eine kleinere Wärmeerzeugungsmenge ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1.
Dies ist auf den folgenden Grund zurückzuführen. Das heißt, je größer der Wert ist, auf den die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während eines schnellen Aufwärmvorgangs eingestellt ist, desto kleiner muss das Luftstöchiometrieverhältnis gemacht werden, um die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung größer zu machen und den Leistungserzeugungsverlust zu erhöhen. Je größer daher der Wert ist, auf den die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während des schnellen Aufwärmvorgangs eingestellt ist, insbesondere zum Zeitpunkt des Übergangs, desto leichter kann es zu einer Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg kommen.
Wenn der P-Bereich als Schaltbereich gewählt ist und sich das Fahrzeug in einem geparkten Zustand befindet, wird das Gaspedal im Grunde nie betätigt, so dass die Häufigkeit, mit der sich die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg ändert und in einen Übergangszustand gelangt, kleiner wird, oder selbst wenn sie sich ändert, der Betrag der Änderung ebenfalls klein ist. Andererseits wird, wenn der D-Bereich oder R-Bereich als Schaltbereich ausgewählt ist, das Gaspedal im Grunde betätigt, so dass sich die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg ändert, die Häufigkeit des Eintritts in den Übergangszustand wird größer oder der Betrag der Änderung wird größer.
Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der P-Bereich als der Schaltbereich ausgewählt wird, die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf eine erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 mit der größten Wärmeerzeugungsmenge eingestellt, während, wenn der D-Bereich oder R-Bereich als der Schaltbereich ausgewählt wird, die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf eine zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 mit einer kleineren Wärmeerzeugungsmenge als die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 eingestellt wird.
Dadurch kann, wenn der Schaltbereich der P-Bereich ist, die Wärmeerzeugungsmenge größer gemacht werden und der Brennstoffzellenstapel 10 kann schnell aufgewärmt werden. Wenn der Schaltbereich auf den D-Bereich oder den R-Bereich umgeschaltet wird, kann die Wärmeerzeugungsmenge bis zu einem gewissen Grad niedrig gehalten werden, um dadurch das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 zu fördern während verhindert wird, dass eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg auftritt, um zu verhindern, dass die Batterie 53 in einen überladenen Zustand oder einen übermäßig entladenen Zustand gelangt.
Wenn der D-Bereich oder der R-Bereich als Schaltbereich gewählt wird, nimmt, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout der Batterie 53, die entsprechend dem Zustand der Batterie bestimmt werden, kleiner werden, wenn eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg auftritt, die Batterie 53 leicht einen überladenen Zustand oder einen überentladen Zustand an. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der D-Bereich oder der R-Bereich als Schaltbereich ausgewählt wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout der Batterie 53 kleiner als ein ladeseitiger Schwellenwert bzw. ein entladeseitiger Schwellenwert werden, die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während des schnellen Aufwärmvorgangs auf eine vorbestimmte dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 mit einer Wärmeerzeugungsmenge eingestellt, die noch kleiner als die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 ist.
Dadurch wird, wenn die Batterie 53 leicht in einen überladenen Zustand oder einen überentladenen Zustand gerät, die Wärmeerzeugungsmenge wird weiter unterdrückt, und eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg kann weiter verhindert werden.
Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 auf eine Wärmeerzeugungsmenge (z.B. 50 kW bis 60 kW) eingestellt, bei der das Luftstöchiometrieverhältnis zu einem Wert nahe 1,0 wird, um die Sauerstoffkonzentrationsüberspannung größer zu machen, damit der Leistungserzeugungsverlust zunimmt und dadurch das Aufwärmen gefördert wird.
Ferner wird die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 auf eine Wärmeerzeugungsmenge (z.B. 5 kW bis 10 kW) eingestellt, bei der das Luftstöchiometrieverhältnis zu einem Wert nahe dem Luftstöchiometrieverhältnis zum Zeitpunkt des Normalbetriebs (z.B. nahe 1,5) wird, um das Ausmaß der Fluktuation der BZ-Spannung Vfc gering zu halten, wenn das Luftstöchiometrieverhältnis vom Soll-Luftstöchiometrieverhältnis abgewichen ist, und dadurch zu verhindern, dass die Batterie 53 in einen überladenen Zustand oder einen überentladen Zustand gerät.
Ferner wird die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 auf eine Wärmeerzeugungsmenge (z.B. 20 kW bis 30 kW) eingestellt, die ungefähr in der Mitte zwischen der ersten Wärmeerzeugungsmenge PL1 und der dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 liegt, wobei das Gleichgewicht zwischen der Förderung des Aufwärmens und der Unterdrückung einer Verschlechterung der Batterie 53 aufgrund einer Überladung oder Überentladung berücksichtigt wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 die Steuerung der BZ-Luftzufuhrmenge Qfc während eines schnellen Aufwärmvorgangs gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert, einschließlich der Verarbeitung zur Einstellung der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg während eines schnellen Aufwärmvorgangs.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerung der BZ-Luftzufuhrmenge Qfc während eines schnellen Aufwärmvorgangs gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die elektronische Steuereinheit 200 führt die vorliegende Routine wiederholt mit einer vorgegebenen Verarbeitungszeit (z.B. 10 ms) durch.
In Schritt S1 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob das Schnellaufwärm-Flag F auf 0 gesetzt wurde. Das Schnellaufwärm-Flag F ist ein Flag mit einem Anfangswert, der auf 0 gesetzt ist. Es ist ein Flag, das zum Zeitpunkt des Starts des schnellen Aufwärmvorgangs auf 1 gesetzt wird und zum Zeitpunkt des Endes des schnellen Aufwärmvorgangs auf 0 zurückgesetzt wird. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S2 fort, wenn das Schnellaufwärm-Flag F 0 ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S4 fort, wenn das Schnellaufwärm-Flag F 1 ist.
In Schritt S2 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob eine Anforderung zur Durchführung eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt. In der vorliegenden Ausführungsform beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, dass eine Anforderung zur Durchführung eines schnellen Aufwärmvorgangs bzw. Schnellaufwärmvorgangs vorliegt, wenn es der Zeitpunkt des Starts des Brennstoffzellensystems 100 ist und die BZ-Temperatur gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Schnellaufwärm-Anforderungstemperatur (z.B. 0°C) ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S3 fort, wenn sie feststellt, dass eine Anforderung zur Durchführung eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt. Andererseits beendet die elektronische Steuereinheit 200 die laufende Verarbeitung, wenn sie feststellt, dass keine Anforderung zur Durchführung eines schnellen Aufwärmvorgangs vorliegt.
In Schritt S3 setzt die elektronische Steuereinheit 200 das Schnellaufwärm-Flag F auf 1.
In Schritt S4 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg des Brennstoffzellenstapels 10 basierend auf dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die elektronische Steuereinheit 200, wie oben erläutert, den Gesamtwert der erforderlichen elektrischen Leistung des Motor-Generators 55 und der erforderlichen elektrischen Leistung des Kompressors 33 und verschiedener anderer Hilfsaggregate als die erzeugte elektrische Sollleistung Ptg.
In Schritt S5 führt die elektronische Steuereinheit 200 eine Verarbeitung zum Einstellen der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg durch. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird vor der Erläuterung der Verarbeitung von Schritt S6 und später zunächst die Verarbeitung zur Einstellung der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
6 ist ein Flussdiagramm, das Details der Verarbeitung zum Einstellen der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg erklärt.
In Schritt S51 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob der Schaltbereich des Fahrzeugs der P-Bereich ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S52 fort, wenn der Schaltbereich des Fahrzeugs der P-Bereich ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S53 fort, wenn der Schaltbereich des Fahrzeugs ein anderer Bereich als der P-Bereich ist (zum Beispiel der D-Bereich oder der R-Bereich).
In Schritt S52 setzt die elektronische Steuereinheit 200 die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1.
In Schritt S53 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout basierend auf dem Zustand der Batterie 53. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die elektronische Steuereinheit 200 die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout auf Basis der Batterietemperatur Tvat. Wie oben erläutert, werden die zulässige geladene elektrische Leistung Win und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout tendenziell kleiner, wenn die Batterietemperatur Tvat hoch ist, als wenn sie niedrig ist. Es sei angemerkt, dass bei der Berechnung der zulässigen geladenen elektrischen Leistung Win und der zulässigen entladenen elektrischen Leistung Wout neben der Batterietemperatur Tvat zum Beispiel auch der Ladezustand der Batterie berücksichtigt werden kann.
In Schritt S54 stellt die elektronische Steuereinheit 200 die vorläufige Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg' ein. Die vorläufige Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg' wird grundsätzlich auf den vorherigen Wert der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg gesetzt, aber wenn der vorherige Wert der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 war, wird sie in der vorliegenden Ausführungsform auf die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 gesetzt.
In Schritt S55 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob die zulässige geladene elektrische Leistung Win gleich oder größer als ein vorbestimmter erster ladeseitiger Schwellenwert Win1 ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S56 fort, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win gleich oder größer als der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S58 fort, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner als der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist.
In Schritt S56 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob die zulässige entladene elektrische Leistung Wout gleich oder größer als ein vorbestimmter erster entladeseitiger Schwellenwert Wout1 ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S57 fort, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout gleich oder größer als der erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S58 fort, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner als der erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist.
In Schritt S57 setzt die elektronische Steuereinheit 200 die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2.
In Schritt S58 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner als ein vorbestimmter zweiter ladeseitiger Schwellenwert Win2 ist, der kleiner als der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S59 fort, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner als der zweite ladeseitige Schwellenwert Win2 ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S60 fort, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win gleich oder größer ist als der zweite ladeseitige Schwellenwert Win2.
In Schritt S59 setzt die elektronische Steuereinheit 200 die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3.
In Schritt S60 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner als ein vorbestimmter zweiter entladeseitiger Schwellenwert Wout2 ist, der kleiner als der erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S59 fort, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner als der zweite entladeseitige Schwellenwert Wout2 ist. Andererseits fährt die elektronische Steuereinheit 200 mit der Verarbeitung von Schritt S61 fort, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout gleich oder größer ist als der zweite entladeseitige Schwellenwert Wout2.
In Schritt S61 setzt die elektronische Steuereinheit 200 die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf eine vorläufige Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg'.
Auf diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Schaltbereich des Fahrzeugs ein anderer Bereich als der P-Bereich ist (zum Beispiel der D-Bereich oder der R-Bereich), wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win gleich oder größer als der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout gleich oder größer als der erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist, die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 gesetzt. Wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner ist als der zweite ladeseitige Schwellenwert Win2 oder wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner ist als der zweite entladeseitige Schwellenwert Wout2, wird die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg auf die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 eingestellt.
Zurück zu 5, bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 in Schritt S6 auf das in 7 gezeigte IV-Kennfeld, in dem Linien gleicher Leistung (siehe feine durchgezogene Linien) und eine Linie gleicher Wärmeerzeugung (siehe dicke durchgezogene Linie) eingezeichnet sind, und berechnet den Schnellaufwärm-Betriebspunkt X2, d.h. den BZ-Sollstrom Itg [A] und die BZ-Sollspannung Vtg [V], basierend auf der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg und der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg [kW].
Insbesondere wählt die elektronische Steuereinheit 200, wie in 8 gezeigt, die Linie gleicher Leistung, die die Erzeugung der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg ermöglicht, aus den Linien gleicher Leistung aus und berechnet den Punkt, an dem sich die ausgewählte Linie gleicher Leistung und die Linie gleicher Wärmeerzeugung, die die Wärmeerzeugungsmenge ermöglicht, die zur Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg gemacht werden soll, auf dem IV-Kennfeld schneiden, als den Schnellaufwärm-Betriebspunkt X2.
Es sei angemerkt, dass in 7 und 8 die Linie gleicher Wärmeerzeugung L1 die Linie gleicher Wärmeerzeugung ist, die es ermöglicht, dass die Wärmeerzeugungsmenge zur ersten Wärmeerzeugungsmenge PL1 gemacht wird, die Linie gleicher Wärmeerzeugung L2 die Linie gleicher Wärmeerzeugung ist, die es ermöglicht, dass die Wärmeerzeugungsmenge zur zweiten Wärmeerzeugungsmenge PL2 gemacht wird, und die Linie gleicher Wärmeerzeugung L3 die Linie gleicher Wärmeerzeugung ist, die es ermöglicht, dass die Wärmeerzeugungsmenge zur dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 gemacht wird.
In Schritt S7 bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 auf das in 9 gezeigte Standard-IV-Kennfeld, um die BZ-Spannung (im Folgenden als „Standard-BZ-Spannung“ bezeichnet) Vstd zu berechnen, wenn der BZ-Strom Ifc auf den BZ-Sollstrom Itg auf der Standard-IV-Kennlinie geregelt wird. Die Standard-BZ-Spannung Vstd ist mit anderen Worten die BZ-Spannung bei der Durchführung einer hocheffizienten Leistungserzeugung (normale Leistungserzeugung) zur Steuerung des BZ-Stroms Ifc auf den BZ-Sollstrom Itg.
Es sei angemerkt, dass sich die Standard-IV-Kennlinie in Abhängigkeit von der BZ-Temperatur Tfc ändert, so dass eine Vielzahl von Standard-IV-Kennfeldern für jede BZ-Temperatur erstellt wird. Daher bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 aus der Vielzahl der Standard-IV-Kennfelder auf das optimale Standard-IV-Kennfeld, das der aktuellen BZ-Temperatur Tfc entspricht, um die Standard-BZ-Spannung Vstd zu berechnen.
In Schritt S8 bezieht sich die elektronische Steuereinheit 200 auf ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem Luftstöchiometrieverhältnis und der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung zeigt und in 10 ähnlich wie in 3 dargestellt ist, und berechnet das Standard-Luftstöchiometrieverhältnis SRstd basierend auf der Differenz ΔV1 (=Vstd-Vtg) zwischen der Standard-BZ-Spannung Vstd und der BZ-Sollspannung Vtg (d.h. der Sauerstoffkonzentrationsüberspannung, die zum Erzeugen der Standard-BZ-Spannung Vstd erforderlich ist, um sie auf die BZ-Sollspannung Vtg abfallen zu lassen).
In Schritt S9 berechnet die elektronische Steuereinheit 200 den Regel- bzw. Rückkopplungskorrekturwert für das Standard-Luftstöchiometrieverhältnis SRstd auf Basis der Abweichung ΔV2 (=Vtg-Vfc) zwischen der BZ-Sollspannung Vtg und der BZ-Spannung Vfc (im Folgenden als „BZ-Spannungsabweichung“ bezeichnet) und addiert diesen Rückkopplungskorrekturwert zu dem Standard-Luftstöchiometrieverhältnis SRstd, um das Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg zu berechnen.
In Schritt S10 multipliziert die elektronische Steuereinheit 200 das Soll-Luftstöchiometrieverhältnis SRtg mit der theoretischen BZ-Luftzufuhrmenge Qth, die zur Erzeugung der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg erforderlich ist, um so die BZ-Soll-Luftzufuhrmenge Qtg zu berechnen.
In Schritt S11 steuert die elektronische Steuereinheit 200 den ersten Wandler 51, um den BZ-Strom Ifc auf den BZ-Sollstrom Itg zu regeln und die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg zu regeln. In der vorliegenden Ausführungsform steuert die elektronische Steuereinheit 200 den Kompressor so, dass die Gesamtluftzufuhrmenge Qafc konstant wird, und steuert den Öffnungsgrad des Verteilerventils 37 und des Kathodendruckregelventils, um dadurch die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg zu regeln.
Durch die Steuerung bzw. Regelung des BZ-Stroms Ifc auf den BZ-Sollstrom Itg und die Regelung der BZ-Luftzufuhrmenge Qfc auf die Soll-Luftzufuhrmenge Qtg wird auf diese Weise die BZ-Spannung Vfc auf die BZ-Sollspannung Vtg geregelt und der Betriebspunkt X wird auf den Schnellaufwärm-Betriebspunkt X2 geregelt.
In Schritt S12 beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels abgeschlossen ist. In der vorliegenden Ausführungsform beurteilt die elektronische Steuereinheit 200, ob die BZ-Temperatur Tfc gleich oder größer als eine vorbestimmte Schnellaufwärm-Abschlusstemperatur (zum Beispiel 70°C) geworden ist. Die elektronische Steuereinheit 200 fährt mit der Verarbeitung von Schritt S13 fort, wenn die BZ-Temperatur Tfc gleich oder größer als die Schnellaufwärm-Abschlusstemperatur ist. Andererseits beendet die elektronische Steuereinheit 200 die laufende Verarbeitung, wenn die BZ-Temperatur Tfc kleiner als die Schnellaufwärm-Abschlusstemperatur ist.
In Schritt S13 beendet die elektronische Steuereinheit 200 den schnellen Aufwärmvorgang und setzt das Schnellaufwärm-Flag F auf 0 zurück.
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der oben erläuterten vorliegenden Ausführungsform hat einen Brennstoffzellenstapel 10 (Brennstoffzelle), der durch elektrochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff als Brenngas und Luft als Oxidationsgas elektrische Energie erzeugt, eine Batterie 53 (wiederaufladbare Batterie), die mit überschüssiger elektrischer Energie geladen wird und die fehlende Menge an elektrischer Energie zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 entlädt, und eine elektronischen Steuereinheit 200 (Steuervorrichtung). Die elektronische Steuereinheit 200 hat einen Zufuhrdurchflussmengensteuerteil, der so konfiguriert ist, dass er die Zufuhrdurchflussmenge von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird (BZ-Luftzufuhrmenge Qfc), steuert, und einen Leistungserzeugungsteil, der so konfiguriert ist, dass er eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, bei der der Leistungserzeugungsverlust im Vergleich zur normalen Leistungserzeugung größer wird.
Wenn der Zustand des Fahrzeugs (Gestell), in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist, während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der erste Modus ist, in dem der P-Bereich als Schaltbereich ausgewählt ist, steuert der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergehende Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 10 die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 wird, und wenn der Zustand des Fahrzeugs der zweite Modus ist, in dem der D-Bereich oder der R-Bereich als der Schaltbereich ausgewählt ist und in dem die erzeugte elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 im Vergleich zum ersten Modus leichter schwankt, steuert der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass die Wärmeerzeugungsmenge die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 kleiner als die erste Wärmeerzeugungsmenge PL1 wird.
Aufgrund der obigen Ausführungen ist es möglich, wenn der Schaltbereich der P-Bereich ist, die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 10 ansteigen zu lassen und das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 schnell zu fördern. Wenn der Schaltbereich auf den D-Bereich oder den R-Bereich umgeschaltet wird, ist es außerdem möglich, die Wärmeerzeugungsmenge bis zu einem gewissen Grad niedrig zu halten, um dadurch den Brennstoffzellenstapel 10 aufzuwärmen, während eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg vermieden wird und die Batterie davor bewahrt wird, in einen überladenen Zustand oder einen übermäßig entladenen Zustand zu geraten.
Weiterhin steuert der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform basierend auf mindestens einem von der zulässigen geladenen elektrischen Leistung Win oder der zulässigen entladenen elektrischen Leistung Wout der Batterie 53, die basierend auf dem Zustand der Batterie bestimmt wird, die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 wird, die kleiner ist als die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2.
Insbesondere steuert der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil, wenn der Zustand des Fahrzeugs der zweite Modus ist, die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass die Wärmeerzeugungsmenge die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner als ein vorbestimmter zweiter ladeseitiger Schwellenwert Win2 ist, der kleiner als der vorbestimmte erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist, oder die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner als ein vorbestimmter zweiter entladeseitiger Schwellenwert Wout2 ist, der kleiner als der vorbestimmte erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist, und steuert die BZ-Luftzufuhrmenge Qfc so, dass die Wärmeerzeugungsmenge die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win gleich oder größer als der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 ist und die zulässige entladene elektrische Leistung Wout gleich oder größer als der erste entladeseitige Schwellenwert Wout1 ist.
Je kleiner die zulässige geladene elektrische Leistung Win oder die zulässige entladene elektrische Leistung Wout der Batterie ist, wenn eine Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg auftritt, desto leichter gerät die Batterie in einen überladenen Zustand oder einen überentladenen Zustand. Im Gegensatz dazu kann in der vorliegenden Ausführungsform, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win oder die zulässige entladene elektrische Leistung Wout der Batterie klein ist, die Wärmeerzeugungsmenge auf der dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 gehalten werden, die niedriger als die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 ist, so dass es möglich ist, das Auftreten einer Abweichung zwischen der erzeugten elektrischen Istleistung Pfc und der erzeugten elektrischen Sollleistung Ptg noch mehr zu verhindern. Aus diesem Grund kann verhindert werden, dass die Batterie in einen überladenen Zustand oder in einen überentladen Zustand gerät.
Weiterhin umfasst ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform: Steuern der Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, so dass die Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle, die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergeht, eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad, bei der der Leistungserzeugungsverlust größer ist als während der normalen Leistungserzeugung, der Zustand eines Gestells, auf dem das Brennstoffzellensystem montiert ist, ein erster Modus ist; und Steuern der Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, so dass die Wärmeerzeugungsmenge zu einer zweiten Wärmeerzeugungsmenge wird, die kleiner ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Zustand des Gestells ein zweiter Modus ist, in dem die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle im Vergleich zu dem ersten Modus leichter schwankt.
Vorstehend wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, aber die vorstehend beschriebene Ausführungsform zeigt nur einen Teil der Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu gedacht, den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung auf die spezifische Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform zu beschränken.
Zum Beispiel erfolgte die Erläuterung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit Bezug auf das Beispiel der Montage des Brennstoffzellensystems 100 in einem Fahrzeug, aber die Erfindung ist nicht auf ein Fahrzeug beschränkt und kann in verschiedenen mobilen Elementen montiert werden. Es kann auch in einer stationären Art Leistungserzeugungsanlage montiert werden. Daher ist der erste Modus nicht auf den Fall beschränkt, in dem der P-Bereich als Schaltbereich ausgewählt ist. In ähnlicher Weise ist auch die zweite Modus nicht auf den Fall beschränkt, dass der D-Bereich oder der R-Bereich als Schaltbereich gewählt wird.
Ferner wurden in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bei der Verarbeitung zum Einstellen der Sollmenge der Wärmeerzeugung der zweite ladeseitige Schwellenwert Win2 beim Umschalten der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg von der zweiten Wärmeerzeugungsmenge PL2 auf die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 und der erste ladeseitige Schwellenwert Win1 beim Umschalten der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg von der dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 auf jeweils unterschiedliche Werte eingestellt, um das Auftreten eines Nachlaufens zu verhindern, wenn die Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg wiederholt umgeschaltet wird. Des Weiteren wurden in ähnlicher Weise der zweite entladeseitige Schwellenwert Wout2 beim Umschalten der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg von der zweiten Wärmeerzeugungsmenge PL2 auf die dritte Wärmeerzeugungsmenge PL3 und der erste entladbeseitige Schwellenwert Wout1 beim Umschalten der Sollmenge der Wärmeerzeugung PLtg von der dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 auf die zweite Wärmeerzeugungsmenge PL2 jeweils auf unterschiedliche Werte eingestellt. Einfacher ausgedrückt kann jedoch, wie im Flussdiagramm in 11 gezeigt, der ladeseitige Schwellenwert entweder auf Win1 oder Win2 festgelegt werden. In ähnlicher Weise kann der entladeseitige Schwellenwert entweder auf Wout1 oder Wout2 festgelegt werden. Das heißt, der oben erwähnte Zufuhrdurchflussmengensteuerteil kann auch so konfiguriert sein, dass er die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus zur dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung Win kleiner als der vorbestimmte ladeseitige Schwellenwert ist, während er auch so konfiguriert sein kann, dass er die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus zur dritten Wärmeerzeugungsmenge PL3 wird, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung Wout kleiner als der vorbestimmte entladeseitige Schwellenwert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008 [0002]
JP 269813 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die so konfiguriert ist, dass sie elektrische Leistung durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine wiederaufladbare Batterie, die so konfiguriert ist, dass sie mit überschüssiger elektrischer Leistung geladen wird, und so konfiguriert ist, dass sie eine fehlende Menge an elektrischer Energie zum Zeitpunkt der Stromerzeugung der Brennstoffzelle entlädt; und eine Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung aufweist: einen Zufuhrdurchflussmengensteuerteil, der so konfiguriert ist, dass er eine Zufuhrdurchflussmenge von Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, steuert; und einen Leistungserzeugungsteil, der so konfiguriert ist, dass er eine Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad durchführt, bei der der Leistungserzeugungsverlust größer ist als bei einer normalen Leistungserzeugung, und wobei der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil konfiguriert ist, um: die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so zu steuern, dass die mit dem Leistungserzeugungsverlust einhergehende Wärmeerzeugungsmenge der Brennstoffzelle eine erste Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Zustand eines Gestells, auf dem das Brennstoffzellensystem montiert ist, ein erster Modus ist; und die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so zu steuern, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, die kleiner ist als die erste Wärmeerzeugungsmenge, wenn während der Durchführung der Leistungserzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad der Zustand des Gestells ein zweiter Modus ist, in dem die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle im Vergleich zum ersten Modus leichter schwankt.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil so konfiguriert ist, dass er, basierend auf mindestens einem von einer zulässigen geladenen elektrischen Leistung oder einer zulässigen entladenen elektrischen Leistung einer Sekundärbatterie, die basierend auf dem Zustand der Sekundärbatterie bestimmt wird, die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus eine dritte Wärmeerzeugungsmenge wird, die kleiner ist als die zweite Wärmeerzeugungsmenge.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil so konfiguriert ist, dass er die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus die dritte Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung kleiner als ein vorbestimmter ladeseitiger Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Zufuhrdurchflussmengensteuerteil so konfiguriert ist, dass er die Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge während des zweiten Modus die dritte Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn die zulässige entladene elektrische Leistung kleiner als ein vorbestimmter entladeseitiger Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Zuflussmengensteuerteil so konfiguriert ist, dass er, wenn der Zustand des Gestells der zweite Modus ist, eine Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine dritte Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung kleiner als ein vorbestimmter zweiter ladeseitiger Schwellenwert ist, der kleiner als ein vorbestimmter erster ladeseitiger Schwellenwert ist, oder die zulässige entladene elektrische Leistung kleiner als ein vorbestimmter zweiter entladeseitiger Schwellenwert ist, der kleiner als ein vorbestimmter erster entladeseitiger Schwellenwert ist, und eine Zufuhrdurchflussmenge des Oxidationsgases so steuert, dass die Wärmeerzeugungsmenge eine zweite Wärmeerzeugungsmenge wird, wenn die zulässige geladene elektrische Leistung gleich oder größer als ein erster ladeseitiger Schwellenwert ist und die zulässige entladene elektrische Leistung gleich oder größer als ein vorbestimmter erster entladeseitiger Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gestell ein Fahrzeug ist, der erste Modus ein Zustand ist, in dem ein Parkbereich als Schaltbereich des Fahrzeugs gewählt ist, und der zweite Modus ein Zustand ist, in dem ein Fahrbereich oder Rückwärtsbereich als Schaltbereich gewählt ist.