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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen
Betrieb unter Berücksichtigung der Entladung aus einer
kapazitiven Komponente einer Brennstoffzelle bei Abnahme der Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle steuert.
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Stand der Technik
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Eine
Brennstoffzelle ist ein Leistungserzeugungssystem, das einen Brennstoff
durch ein elektrochemisches Verfahren oxidiert, um direkt durch
eine Oxidationsreaktion freigesetzte Energie in elektrische Energie
umzuwandeln, und das System besitzt eine Stapelstruktur, in der
eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen gestapelt sind.
In jeder Anordnung sind beide seitlichen Oberflächen eines Elektrolytfilms
für den selektiven Transport von Wasserstoffionen sandwichartig
zwischen einem Paar von Elektroden eingeschlossen, die aus porösem Material
gefertigt sind. Außerdem kann eine Brennstoffzelle vom
festen Polymerelektrolyttyp, in der ein fester Polymerfilm als Elektrolyt
benutzt wird, leicht kompakt mit geringen Kosten hergestellt werden
und besitzt zudem eine hohe Dichte der Leistungsausgabe. Folglich
kann die Anwendung der Brennstoffzelle zum Einbau in Automobilen
erwartet werden.
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Bei
dieser Art von Brennstoffzelle wird gewöhnlich ein Bereich
von 70 bis 80°C als optimaler Temperaturbereich für
die Leistungserzeugung angesehen, jedoch ist in einer kalten Klimazone
oder an anderen Orten manchmal eine längere Zeitspanne erforderlich
zwischen der Startzeit der Brennstoffzelle und dem Zeitpunkt, zu
dem der optimale Temperaturbereich erreicht ist, weshalb verschiedene
Typen von Aufheizsystemen eingesetzt wurden. Beispielsweise wird
durch die
japanische offengelegte
Patentanmeldung Nr. 2004-30979 eine Technik offenbart, die
die Wärmemenge zu Selbstaufheizung der Brennstoffzelle
durch einen Betrieb steuert, der verglichen mit dem Normalfall einen
niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung aufweist. Nach dieser Methode
ist die Selbstaufheizung durch die Brennstoffzelle möglich.
Deshalb muß keine Vorrichtung für das Aufheizen
eingebaut werden und die Methode ist von ausgezeichneter Nützlichkeit.
- [Patentdokument 1] Japanische
offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-30979
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Offenbarung der Erfindung
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Indessen
kann, wenn eine geforderte Leistung einer Brennstoffzelle während
eines Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad abnimmt, ein Luftdurchfluß von
einem Luftkompressor zur Brennstoffzelle nicht schnell reduziert
werden, so daß manchmal eine einen Erzeugungsbefehlswert überschreitende, übermäßige
Leistung erzeugt wird. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
zeitweilig erhöht wird, kann eine kapazitive Komponente
der Brennstoffzelle mit dieser übermäßigen
Leistung geladen werden.
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Überdies
muß nach der Ladung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle
mit dieser übermäßigen Leistung die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle auf eine ursprüngliche Spannung zurückgeführt
werden. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert
wird, beginnt die Leistung der geladenen kapazitiven Komponente
der Brennstoffzelle damit, in Richtung auf eine externe Last entladen
zu werden, wodurch es zum Thema von Untersuchungen wird, in geeigneter
Weise eine Menge der Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt
werden wird, zu unterdrücken, damit die von der Brennstoffzelle
der externen Last zugeführte Leistung nicht die geforderte
Leistung übersteigt.
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Ein
solches Untersuchungsthema tritt im allgemeinen zu einem Zeitpunkt
auf, zu dem ein normaler Betrieb auf einen Betrieb mit geringem
Wirkungsgrad umgeschaltet wird und zu einem Zeitpunkt, wenn die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert wird, beispielsweise
bei einem Systemstopp.
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Um
das Problem zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das einen Zellenbetrieb
steuert unter Berücksichtigung der Entladung einer kapazitiven
Komponente einer Brennstoffzelle in Richtung auf eine externe Last,
wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle abgesenkt wird.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe umfaßt ein Brennstoffzellensystem
eine Brennstoffzelle, die ein Brenngas und ein Oxidationsgas zur
Erzeugung einer Leistung empfängt; eine Oxidationsgasversorgungsvorrichtung,
die das Oxidationsgas der Brennstoffzelle zuführt; und
eine Steuervorrichtung, die den Durchfluß des Oxidationsgases
von der Oxidationsgasversorgungsvorrichtung zur Brennstoffzelle
unter Berücksichtigung der Entladung aus einer kapazitiven
Komponente der Brennstoffzelle reduziert, wenn sie die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle verringert.
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Wenn
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert wird, tritt
eine Entladung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle zu
einer externen Last auf, wodurch, wenn die Zufuhr des Oxidationsgases
zur Brennstoffzelle unter Berücksichtigung dieser Entladung
vermindert wird, die von der Brennstoffzelle der externen Last zugeführte
Leistung einer von der externen Last geforderten Leistung entsprechen
kann.
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Dabei
ist die kapazitive Komponente der Brennstoffzelle eine kapazitive
Komponente einer elektrischen Doppelschicht, die parasitär
auf einer Trennfläche zwischen einer Katalysatorschicht
und einem elektrolytischen Film in der Brennstoffzelle ausgebildet
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegende Erfindung
umfaßt weiter eine Bypassvorrichtung, die die Brennstoffzelle
umgeht, um einen Teil des von der Oxidationsgasversorgungsvorrichtung
zugeführten Oxidationsgases abzuführen, Die Bypassvorrichtung
regelt einen Bypassdurchfluß des Oxidationsgases, wenn
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verringert wird, um den
Durchfluß des der Brennstoffzelle zugeführten
Oxidationsgases zu verringern.
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Wenn
die Oxidationsgasversorgungsvorrichtung für einen großen
Durchfluß benutzt wird und Durchflußcharakteristika
aufweist, nach denen es schwierig ist, die Gaszufuhr mit kleinem
Durchfluß zu stabilisieren, ist es schwierig, den Durchfluß des
Oxidationsgases zur Brennstoffzelle so zu regeln, daß die
Leistungserzeugung der Brennstoffzelle in geeigneter Weise während
des Verfahrens zur Spannungsverminderung unterdrückt wird.
Jedoch kann gemäß der obigen Gestaltung der Durchfluß der durch
die Bypassvorrichtung strömenden Bypassluft geregelt werden,
um die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle geeignet zu unterdrücken,
so daß die von der Brennstoffzelle der externen Last zugeführte Leistung
während des Verfahrens zur Spannungsverminderung der Leistungsanforderung
der externen Last entspricht.
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Überdies
wird in einem Falle, in welchem die Oxidationsgasversorgungsvorrichtung
für den großen Durchfluß benutzt wird
und sie Durchflußcharakteristika aufweist, aufgrund deren
es schwierig ist, die Gaszufuhr mit kleinem Durchfluß zu
stabilisieren, wenn das Oxidationsgas von der Oxidationsgasversorgungsvorrichtung
der Brennstoffzelle für den Zweck zugeführt wird,
daß die Leistungserzeugung der geforderten Leistung entspricht,
nach Vollendung des Verfahrens zur Spannungsverminderung der Brennstoffzelle
mehr als nötig Oxidationsgas zugeführt, und es
könnte überschüssige Leistung erzeugt werden.
Jedoch kann gemäß der obigen Gestaltung zusätzlich
zur Betriebssteuerung der Oxidationsgasversorgungsvorrichtung der
Durchfluß der Bypassluft durch die Bypassvorrichtung so
geregelt werden, daß die Versorgung mit Oxidationsgas stabil
erfolgt und der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle entspricht.
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Andererseits,
wenn die Oxidationsgasversorgungsvorrichtung für einen
kleinen Durchfluß benutzt wird und solche Durchflußcharakteristika
aufweist, daß es möglich ist, die Gasversorgung
mit kleinem Durchfluß stabil durchzuführen, kann
der Durchfluß des der Brennstoffzelle zugeführten
Oxidationsgases exakt reguliert werden, so daß die von
der Brennstoffzelle der externen Last zugeführte Leistung
während des Verfahrens zur Verminderung der Spannung der
Leistungsanforderung der externen Last entspricht, und es ist zusätzlich
möglich, das der geforderten Leistung entsprechende Oxidationsgas der
Brennstoffzelle nach der Vollendung des Verfahrens zur Spannungsverminderung
zuzuführen. In einem solchen Falle kann die Steuervorrichtung
die Zufuhr des Oxidationsgases von der Oxidationsgasversorgungsvorrichtung
zur Brennstoffzelle stoppen, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle vermindert
wird.
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Beispiele
des Falles, in welchem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
vermindert wird, schließen ein: (1) einen Fall, in welchem
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht wird, um die
kapazitive Komponente der Brennstoffzelle mit der überschüssigen
Leistung zu laden, die während der Betriebsweise mit einem
im Vergleich zum Normalbetrieb geringem Wirkungsgrad erzeugt wird,
und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in einer Phase verringert
wird, in der das Laden der kapazitiven Komponente mit der überschüssigen
Leistung vollendet wird, und (2) einen Fall, bei welchem die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle um nicht mehr als einen Spannungswert vermindert
wird, der durch eine Strom-Spannungs-Charakteristik-Kurve der Brennstoffzelle
während des Aufwärmens der Brennstoffzelle bei
einer Betriebsweise mit im Vergleich zur normalen Betriebsweise
geringem Wirkungsgrad festgestellt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Konstruktionsschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß der
vorliegenden Ausführungsform;
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2 ist
eine Explosionsdarstellung einer Zelle;
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3 ein
Diagramm der C-V-Charakteristik eines Brennstoffzellenstapels;
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4 ist
ein entsprechendes Schaltbild des Brennstoffzellenstapels;
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5 eine
erläuternde Ansicht eines Betriebspunkts des Brennstoffzellenstapels;
und
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6 eine
Zeittafel des Verfahrens zur ΔV-Steuerung.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugsnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die 1 ist
ein Konstruktionsschaltbild eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform.
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Das
Brennstoffzellensystem fungiert als ein auf einem Brennstoffzellenfahrzeug
montiertes, bordeigenes Leistungsquellensystem und schließt
einen Brennstoffzellenstapel 20 ein, der zur Leistungserzeugung
mit einem Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird,
ein Oxidationsgasversorgungssystem 30, über das
dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft als Oxidationsgas zugeführt
wird, ein Brenngasversorgungssystem 40, über das
dem Brennstoffzellenstapel 20 Wasserstoffgas als Brenngas
zugeführt wird, ein Leistungssystem 50, das das Laden
und Entladen von Leistung steuert, ein Kühlsystem 60,
das den Brennstoffzellenstapel 20 kühlt und eine
Steuervorrichtung (ECU) 70, die das gesamte System steuert.
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Der
Brennstoffzellenstapel 20 ist ein fester Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel,
in dem eine Mehrzahl Zellen in Reihe gestapelt sind. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet
an einem Anodenpol eine durch die Formel (1) ausgedrückte
Oxidationsreaktion statt, und eine durch die Formel (2) ausgedrückte
Reduktionsreaktion tritt an einem Kathodenpol auf. Für
den ganzen Brennstoffzellenstapel 20 findet eine elektromotorische
Reaktion nach der Formel (3) statt H2 → 2H+ +
2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ +
2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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Am
Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Spannungsfühler 71 angebracht,
um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels zu ermitteln,
und ein Stromfühler 72 zur Feststellung eines
Leistungserzeugungsstroms.
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Das
Oxidationsgasversorgungssystem 30 besitzt einen Oxidationsgaskanal 34,
durch den ein dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführendes
Oxidationsgas strömt, und einen Oxidationsabgaskanal 36,
durch den aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführtes
Oxidationsabgas strömt. Der Oxidationsgaskanal 34 ist
mit einem Luftkompressor 32 versehen, der aus der Atmosphäre über einen
Filter 31 Oxidationsgas aufnimmt, einen Befeuchter 33,
der das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende
Oxidationsgas befeuchtet, und ein Drosselventil 35 zur
Regelung der Menge des zuzuführenden Oxidationsgases. Der Oxidationsabgaskanal 36 ist
mit einem Rückdruckeinstellventil 37 versehen,
das den Oxidationsgasversorgungsdruck regelt und mit einem Befeuchter 33,
der einen Austausch des Wassergehalts zwischen dem Oxidationsgas
(trockenes Gas) und dem Oxidationsabgas (feuchtes Gas) durchführt.
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Zwischen
dem Oxidationsgaskanal 34 und dem Oxidationsabgaskanal 36 sind
ein den Brennstoffzellenstapel 20 umgehender und beide
Kanäle miteinander verbindender Bypasskanal 38 und
ein den Durchfluß des durch den Bypasskanal 38 strömenden
Oxidationsgases regelndes Bypassventil 39 angeordnet. Das
Bypassventil 39 ist gewöhnlich geschlossen und
wird während des später beschriebenen Verfahrens
zu Absenkung der Spannung geöffnet. Der Bypasskanal 38 und
das Bypassventil 39 fungieren als Bypassvorrichtungen zur
Regelung des Durchflusses eines Bypassluftstroms.
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Der
Brenngasversorgungszweig 40 besitzt eine Brenngasversorgungsquelle 41,
einen Brenngasversorgungskanal 45, durch den das Brenngas strömt,
das von der Brenngasversorgungsquelle 41 dem Anodenpol
des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden
soll, einen Kreislaufkanal 46, über den ein vom
Brennstoff zellenstapel 20 ausgeleitetes Brennstoffabgas
zum Brenngaskanal 43 zurückgeführt wird,
eine Umwälzpumpe 47, durch die das Brennstoffabgas
im Kreislaufkanal 46 unter Druck dem Brenngaskanal 45 zugeführt
wird, und einen Gas/Wasser-Ableitungskanal 48, der vom
Kreislaufkanal 46 abzweigt und mit ihm verbunden ist.
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Die
Brenngasversorgungsquelle 41 besteht beispielsweise aus
einem Hochdruckwasserstofftank oder einer Wasserstoff einschließenden
Legierung oder dergleichen und nimmt das Wasserstoffgas unter hohem
Druck (beispielsweise 35 Mpa bis 70 Mpa) auf. Wenn ein Absperrventil 42 geöffnet
wird, wird das Brenngas von der Brenngasversorgungsquelle 41 zum
Brenngaskanal 45 entlassen. Der Druck des Brenngases wird
durch einen Regler 43 oder einen Injektor 44 vor
der Einleitung in den Brennstoffzellenstapel 20 auf beispielsweise
etwa 200 kPa reduziert um es dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
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Es
ist zu beachten, daß die Brenngasversorgungsquelle 41 von
einem Reformer gebildet werden kann, der ein wasserstoffreiches
Reformgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff erzeugt, und
einem Hochdruckgastank, in dem das vom Reformer erzeugte Reformgas
zur Druckspeicherung in einen Hochdruckzustand versetzt wird.
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Der
Regler 43 ist eine Vorrichtung, die einen Druck auf der
stromauf gelegenen Seite (Primärdruck) des Reglers auf
einen voreingestellten Druck regelt und besteht beispielsweise aus
einem mechanischen Druckminderventil oder dergleichen, das den Primärdruck
reduziert. Das mechanische Druckminderventil besitzt ein Gehäuse,
das mit einer Rückdruckkammer und einer Druckregulierkammer
versehen ist, die mittels einer Membran ausgebildet sind, und das
so konstruiert ist, daß der Rückdruck in der Rückdruckkammer
den Primärdruck in der Druckregulierkammer auf den vorgegebenen
Druck reduziert, um den Sekundärdruck in der Druckreglierkammer
auszubilden.
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Der
Injektor 44 ist ein elektromagnetisch betätigtes
AUF-ZU-Ventil, in dem ein Ventilkörper direkt während
einer vorgegebenen Betätigungsperiode durch eine elektromagnetische
Betätigungskraft betätigt und vom Ventilsitz abgehoben
wird. Der Injektor 44 schließt den Ventilsitz
mit Injektionslöchern ein, durch die ein gasförmiger
Brennstoff, wie ein Brenngas, eingeblasen wird, sowie einen Düsenkörper, durch
den der gasförmige Brennstoff gefördert und den
Injektionslöchern zugeführt wird, wobei der Ventilkörper
vom Düsenkörper aufgenommen und so gehalten wird,
daß er in axialer Richtung des Düsenkörpers
(der Richtung der Gasströmung) beweglich ist, um die Injektionslöcher
zu öffnen und zu schließen.
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Der
Gas/Wasser-Ableitungskanal 48 ist mit einem Gas/Wasser-Ableitungsventil 48 versehen. Das
Gas/Wasser-Ableitungsventil 49 wird in Abhängigkeit
von einem Befehl aus der Steuervorrichtung 70 betätigt,
um das Verunreinigungen enthaltende Brennstoffabgas aus dem Kreislaufkanal 46 und
einen Wassergehalt aus dem System abzuführen. Wenn das
Gas/Wasser-Ableitungsventil 49 geöffnet ist, verringert
sich die Konzentration der Verunreinigungen im Brennstoffabgas des
Kreislaufkanals 46 und die Wasserstoffkonzentration in
dem durch ein Kreislaufsystem in Zirkulation zu versetzenden Brennstoffabgas
kann angehoben werden.
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Das
durch das Gas/Wasser-Ableitungsventil 49 abgeführte
Brennstoffabgas ist mit dem Sauerstoffabgas vermischt, das durch
den Oxidationsabgaskanal 36 strömt, und wird durch
einen (nicht gezeigten) Verdünner verdünnt. Die
Umwälzpumpe 47 wird durch einen Motor angetrieben,
um das Brennstoffabgas des Kreislaufsystems in Umlauf zu versetzen
und dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
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Das
Leistungssystem 50 schließt einen Gleichspannungswandler 51,
eine Batterie 52, einen Fahrinverter 53, einen
Fahrmotor 54 und Hilfsvorrichtungen 55 ein. Der
Gleichspannungswandler 51 besitzt eine Funktion zur Anhebung
der von der Batterie 52 zugeführten Gleichspannung,
um die Spannung am Fahrinverter 53 anzulegen und eine Funktion
zur Absenkung der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten
Gleichstromleistung oder einer vom Fahrmotor 54 durch regeneratives
Bremsen erzeugten regenerativen Leistung zum Laden der Batterie 52.
Das Laden/Entladen der Batterie 52 wird durch diese Funktionen
des Gleichspannungswandlers 51 gesteuert. Überdies
wird ein Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom)
des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Spannungsumwandlungssteuerung
des Gleichspannungswandlers 51 gesteuert.
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Die
Batterie 52 fungiert als Speicherquelle (storage source)
einer übermäßigen Leistung, eine regenerative
Energiespeicherquelle während des regenerativen Bremsens
oder ein Energiepuffer während der Beschleunigung oder
Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Als Batterie 52 wird
beispielsweise eine Nickel/Kadmium-Akkumulatorbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulatorbatterie oder
eine Sekundärbatterie, wie eine Lithium-Sekundärbatterie
bevorzugt.
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Der
Fahrinverter 53 ist beispielsweise ein Inverter mit Impulsbreitenmodulation,
der nach einem Impulsbreitenmodulationschema betrieben wird, und wandelt
gemäß einem Steuerbefehl von der Steuervorrichtung 70 die
Ausgangsgleichspannung vom Brennstoffzellenstapel 20 oder
der Batterie 52 in eine Dreiphasen-Wechselspannung zur
Steuerung des Drehmoments des Fahrmotors 54 um. Der Fahrmotor 54 ist
beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor, und bildet eine
Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug.
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Die
Hilfsvorrichtungen 55 umfassen kollektiv in Bereichen des
Brennstoffzellensystems 10 angeordnete Motoren (Leistungsquellen
beispielsweise für Pumpen), Inverter zum Antrieb dieser
Motoren und jede Art von bordeigenen Hilfsvorrichtungen (beispielsweise
einen Luftkompressor, einen Injektor, eine Kühlwasserumwälzpumpe
und einen Kühler, oder dergleichen).
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Das
Kühlsystem 60 schließt Kühlmittelkanäle 61, 62, 63 und 64 für
den Umlauf eines Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel 20 ein,
eine Umwälzpumpe 65 zur Förderung des
Kühlmittels unter Druck, einen Kühler 66 zur
Durchführung eines Wärmeaustauschs zwischen dem
Kühlmittel und der Außenluft, ein Dreiwegeventil 67 zur
Schaltung des Umwälzpfades des Kühlmittels, und
einen Temperaturfühler 74 zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur. Während
des normalen Betriebs wird nach Vollendung eines Aufwärmbetriebs
das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 67 derart
gesteuert, daß das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 austretende
Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle 61 und 64 strömt, durch
den Kühler 66 gekühlt wird und dann durch
den Kühlmittelkanal 63 wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zurückströmt.
Andererseits wird das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 67 während
des Aufwärmbetriebs unmittelbar nach dem Systemstart derart
gesteuert, daß das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 austretende
Kühlmittel über die Kühlmittelkanäle 61, 62 und 63 wieder
in den Brennstoffzellenstapel 20 zurückkehrt.
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Die
Steuervorrichtung 70 ist ein Computersystem, das eine CPU,
ein ROM, ein RAM und eine Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle und der
gleichen einschließt, und als eine Steuervorrichtung zur
Steuerung der Einheiten (das Oxidationsgasversorgungssystem 30,
das Brenngasversorgungssystem 40, das Leistungssystem 50 und
das Kühlsystem 60) des Brennstoffzellensystems
dient. Beispielsweise startet die Steuervorrichtung 70 nach
dem Empfang eines von einem Zündschalter ausgegebenen Startsignals IG
den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, um auf der
Basis eines dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entsprechenden,
von einem Fahrpedalsensor ausgegebenen Signals ACC und eines von
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen, der Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechenden Signals VC und dergleichen, die geforderte Leistung
des gesamten Systems zu erhalten.
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Die
geforderte Leistung des gesamten Systems ist der Gesamtwert der
Fahrleistung des Fahrzeugs und der Leistung für die Hilfsvorrichtungen. Die
Leistung für die Hilfsvorrichtungen schließt eine Leistung
ein, die von den bordeigenen Hilfsvorrichtungen (der Befeuchter,
der Luftkompressor, die Wasserstoffpumpe, die Kühlwasserumwälzpumpe oder
dergleichen) verbraucht wird, eine Leistung, die von einer für
die Fahrt des Fahrzeugs erforderlichen Vorrichtung (das Gangwechselgetriebe,
eine Radsteuerung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängevorrichtung
oder dergleichen) verbraucht wird, und eine Leistung, die von einer
im Insassenbereich angeordneten Einrichtung (eine Klimaanlage, eine
Audioanlage oder dergleichen) und dergleichen mehr verbraucht wird.
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Überdies
bestimmt die Steuervorrichtung 70 die Verteilung der Ausgangsleistungen
des Brennstoffzellenstapels 20 und der Batterie 52,
berechnet einen Erzeugungsbefehlswert und steuert das Oxidationsgasversorgungssystem 30 und
das Brenngasversorgungssystem 40 derart, daß die
Menge der vom Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugenden
Leistung einer Zielleistung entspricht. Zudem steuert die Steuervorrichtung 70 den
Gleichspannungswandler 51 zur Regelung der Ausgangsspannung
des Brennstoffzellenstapels 20, wodurch der Betriebspunkt
(die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert
wird. Um die dem Öffnungswinkel des Fahrpedals entsprechende Fahrzeugzielgeschwindigkeit
zu erhalten, gibt die Steuervorrichtung 70 beispielsweise
Wechselstrombefehlswerte für die U-Phase, die V-Phase und
die W-Phase als Schaltbefehle für den Fahrinverter 53 aus
und steuert das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Fahrmotors 54.
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Die 2 ist
eine Explosionsansicht der den Brennstoffzellenstapel 20 bildenden
Zelle 21.
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Die
Zelle 21 besteht aus einem elektrolytischen Film 22,
einem Anodenpol 23, einem Kathodenpol 24 und Separatoren 26 und 27.
Der Anodenpol 23 und der Kathodenpol. 24 sind
Diffusionselektroden, die zur Bildung einer Sandwichstruktur sandwichartig
den elektrolytischen Film 22 zwischen sich einschließen.
Die von nicht luftdurchlässigem, leitendem Material gebildeten
Separatoren 26 und 27 schließen weiter
sandwichartig die sandwichartige Struktur von beiden Seiten her
zwischen sich ein, wobei sie zwischen dem Anodenpol 23 und
dem Kathodenpol 24 Kanäle für das Brenngas
und das Oxidationsgas bilden. Der Separator 26 ist mit
Rippen 26a mit ausgenommenen Abschnitten versehen. Der
Anodenpol 23 liegt an den Rippen 26a an, um Öffnungen
der Rippen 26a zu schließen und dadurch einen Brenngaskanal
zu bilden. Der Separator 27 ist mit Rippen 27a versehen,
die ausgenommene Abschnitte aufweisen. Der Kathodenpol 24 liegt
an den Rippen 27a an, um die Öffnungen zwischen
den Rippen 27a zur Bildung eines Oxidationsgaskanals zu
schließen.
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De
Anodenpol 23 besitzt eine Katalysatorschicht 23a,
die als Hauptkomponente ein Kohlenstoffpulver einschließt,
das mit einem platinhaltigen metallischen Katalysator (Pt, Pt-Fe,
Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder dergleichen) versetzten ist, wobei die Katalysatorschicht
mit dem elektrolytischen Film 22 in Kontakt gelangt, und
eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf einer Oberfläche
der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig
als auch elektrisch leitfähig ist. In ähnlicher
Weise besitzt der Kathodenpol 24 eine Katalysatorschicht 24a und
eine Gasdiffusionsschicht 24b. Genauer werden die Katalysatorschichten 23a und 24a dadurch
ausgebildet, daß in einem geeigneten organischen Lösungsmittel ein
Kohlenstoffpulver dispergiert wird, das Platin oder eine aus Platin
und einem anderen Metall bestehende Legierung enthält,
wobei dem Lösungsmittel eine geeignete Menge einer elektrolytischen
Lösung beigefügt wird, wodurch eine Paste erhalten
wird, die durch Siebdrucktechnik auf die elektrolytische Membran
aufgetragen wird. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b werden
aus einem Kohlenstofftuch gebildet, das mit einem Garn aus Kohlefaser,
Kohlenstoffpapier oder einem Kohlenstoffilz gebildet ist. Der elektrolytische
Film 22 ist eine Protonen leitende Ionenaustauschmembran,
gebildet aus einem festen Polymermaterial, beispielsweise einem
Fluor enthaltenden Harz, und zeigt in feuchtem Zustand eine hohe
elektrische Leitfähigkeit. Der elektrolytische Film 22,
der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 bilden
eine Membran-Elektroden-Anordnung 25.
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Die 3 zeigt
eine C-V-Charakteristik (ein zyklisches Voltammogramm) des Brennstoffzellenstapels 20.
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Die
C-V-Charakteristiken zeigen die dynamischen, elektrischen Charakteristika
des Brennstoffzellenstapels 20. Wenn die Spannung mit einem
festen Verhältnis des Spannungsanstiegs erhöht
wird, fließt ein Strom von außen zum Brennstoffzellenstapel 20 (eine
Minusrichtung). Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels mit
einem festen Verhältnis des Spannungsabfalls gesenkt wird,
fließt der Strom in einer Richtung vom Brennstoffzellenstapel 20 nach außen
(eine Plusrichtung). Es wurde gefunden, daß solche dynamischen
elektrischen Charakteristika durch eine kapazitive Komponente erhalten
werden, die parasitär im Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet
ist.
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Wieder
bezugnehmend auf die 2, sammeln sich Elektronen und
Wasserstoffionen aus der durch die Formeln (1) und (2) dargestellten
elektrochemischen Reaktion auf einer Trennfläche zwischen
dem elektrolytischen Film 22 und der Katalysatorschicht 23a und
einer Trennfläche zwischen dem elektrolytischen Film 22 und
der Katalysatorschicht 24a, um eine elektrische Doppelschicht
zu bilden. Die Spannung, die durch die auf der elektrischen Doppelschicht
gesammelten Elektronen und Wasserstoffionen erzeugt wird, wird jeweils
als eine Energiequelle zur Aktivierung des Wasserstoffgases und
eines Sauerstoffgases in einem Grundzustand verbraucht, und deshalb
wird die Spannung allgemein als Aktivierungsüberspannung
bezeichnet. Es ist bekannt, daß die auf den oben genannten
Trennflächen ausgebildete Spannung als eine elektrische
Energiespeicherquelle fungiert und daß die dynamischen
elektrischen Charakteristika der Schicht zu jenen eines Kondensators äquivalent
sind.
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Wenn
der Leistungserzeugungsstrom plötzlich erhöht
oder verringert wird, folgt die Absenkung einer ohmschen Spannung
aufgrund eines ohmschen Widerstands des elektrolytischen Films 22 der Änderung
des Leistungserzeugungsstroms mit guten Ansprecheigenschaften, aber
die in der elektrischen Doppelschicht erzeugte Aktivierungsüberspannung kann
der Änderung des Leistungserzeugungsstroms mit den guten
Ansprecheigenschaften nicht folgen und kommt langsam innerhalb einer
gewissen Zeit in einem Gleichgewichtszustand zur Ruhe. Ein Grund dafür,
daß ein solcher Unterschied entsteht, besteht darin, daß der
elektrolytische Film 22 modellhaft als ein Widerstandselement
dargestellt werden kann, während die elektrischen Charakteristika
der elektrischen Doppelschicht modellhaft als der Kondensator dargestellt
werden können.
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Die 4 ist
ein entsprechendes Schaltbild, in dem die dynamischen elektrischen
Charakteristika des Brennstoffzellenstapels modellhaft dargestellt sind.
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Der
Brennstoffzellenstapel 20 besitzt eine Schaltungsstruktur,
in der eine ideale Brennstoffzelle 28 und ein Kondensator 29 einander
parallel geschaltet sind. Die ideale Brennstoffzelle 28 stellt
modellhaft eine virtuelle Brennstoffzelle dar, die nicht die obigen C-V-Charakteristika
aufweist und unter dem Gesichtspunkt der elektrischen Charakteristika
eine Verhaltensweise aufweist, die jener einer variablen Leistungsquelle äquivalent
ist. Der Kondensator 29 stellt modellhaft das elektrische
Verhalten der elektrischen Doppelschicht dar, die auf den oben genannten Trennflächen
als kapazitives Element ausgebildet sind. Eine externe Last 56 ist
eine äquivalente Schaltung, die modellhaft das Leistungssystem 50 darstellt.
Wenn der aus der idealen Brennstoffzelle abgegebene Strom Ifc ist,
ist die Ausgangsspannung der idealen Brennstoffzelle (die Ausgangsspannung des
Brennstoffzellenstapels 20) Vfc, der in den Kondensator 29 fließende
Strom Ic, der aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zur externen
Last 56 fließende Strom Is, die Kapazität
des Kondensators 29C ist und die Zeit t, gelten die folgenden
Gleichungen: Ifc = Ic + Is (4) Ic = C × ΔVfc/Δt (5)
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Wie
in den Gleichungen (4) und (5) gezeigt, steigt der in den Kondensator 29 fließende
Strom Ic entsprechend einem Änderungsbetrag ΔVfc/Δt
pro Zeiteinheit an, wenn die Ausgangsspannung Vfc ansteigt, und
deshalb nimmt der Strom Is ab, der vom Brennstoffzellenstapel 20 zur
externen Last 56 ausgegeben wird. Andererseits nimmt der
in den Kondensator 29 fließende Strom Ic entsprechend
einem Änderungsbetrag ΔVfc/Δt pro Zeiteinheit
ab, wenn die Ausgangsspannung Vfc sinkt, und deshalb nimmt der Strom
Is zu, der vom Brennstoffzellenstapel 20 zur externen Last 56 ausgegeben
wird. Die Spannungszunahme-/Spannungsabnahmemenge der Ausgangsspannung
Vfc pro Zeiteinheit kann auf diese Weise gesteuert werden, um den
Strom einzustellen, der vom Brennstoffzellenstapel zur externen
Last 56 ausgegeben wird (nachfolgend als vereinfacht als ΔV-Steuerung
bezeichnet).
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Als
Ausführungsbeispiel für die ΔV-Steuerung
dient ein Verfahren zur Steuerung der Ausgangsspannung Vfc zur Absorbierung
der überschüssigen Leistung durch den Kondensator 29, wenn
die Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 20 rasch
sinkt, beispielsweise während des Betriebs mit geringem
Wirkungsgrad. Der Betrieb mit geringem Wirkungsgrad ist ein Betrieb,
um ein stöchiometrisches Luftverhältnis auf einen
geringeren Wert als 1,0 einzustellen und die Menge des dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführenden
Reaktionsgases zu steuern, um einen Leistungsverlust zu erhöhen
und damit das System mit einer geringen Leistungserzeugungseffizienz
zu betreiben. Das stöchiometrische Luftverhältnis
ist das Verhältnis eines Sauerstoffüberschusses,
das den Überschuß an zugeführtem Sauerstoff
gegenüber dem Sauerstoff anzeigt, der zur Reaktion mit
Wasserstoff ohne jeglichen Überschuß oder Mangel
erforderlich ist. Wenn das stöchiometrische Luftverhältnis
auf einen kleinen Wert eingestellt wird, um einen Betrieb mit geringem Wirkungsgrad
durchzuführen, wird die Überspannungskonzentration
größer als während des normalen Betriebs
und deshalb nimmt der durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff erhaltene thermische Verlust (Leistungsverlust) der Energie
zu.
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Der
Betrieb mit geringem Wirkungsgrad wird beispielsweise als Mittel
zur absichtlichen Erhöhung des Wärmeverlusts während
des Starts bei niedriger Temperatur (während des Starts
mit einer vorgegebenen oder geringeren Stapeltemperatur) durchgeführt,
um den Brennstoffzellenstapel 20 in einer Vorbereitungsstufe
vor dem Fahren des Fahrzeugs oder während eines Aufwärmbetriebs
bei fahrendem Fahrzeug schnell aufzuwärmen.
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Während
die Menge des dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführenden
Brenngases auf einem festen Wert gehalten wird und der Durchfluß des
Oxidationsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 so geregelt
wird, daß entsprechend dem Öffnungsgrad des Fahrpedals
eine gewünschte Leistung erhalten wird, wird während
des Fahrbetriebs des Fahrzeugs der Betrieb mit geringem Wirkungsgrad
ausgeführt, bis die Stapeltemperatur auf die vorgegebene
Temperatur (z. B. 0°C) ansteigt, und die Betriebsweise
wird auf den Normalbetrieb umgeschaltet, wenn die Stapeltemperatur
die vorgegebene Temperatur erreicht.
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Die 5 zeigt
die I-V-Charakteristik des Brennstoffzellenstapels.
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Während
des normalen Betriebs wird zur Verbesserung des Wirkungsgrads der
Leistungserzeugung der Betrieb derart gesteuert, daß der
Betriebspunkt, (der Ausgangsstrom Ifc, die Ausgangsspannung Vfc)
auf einer I-V-Charakteristikkurve (einer Strom-Spannungs-Charakteristik-Kurve) 200 liegt.
Andererseits wird während des Betriebs mit geringem Wirkungsgrad
der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung absichtlich abgesenkt, um
den thermischen Verlust zu erhöhen, so daß der
Betriebspunkt auf einen Spannungspunkt eingestellt wird, der unterhalb
der I-V-Charakeristikkurve 200 liegt; beispielsweise ist
die Ausgangsspannung Vfc = 1. V1 ist vorzugsweise und beispielsweise
etwa ½ der Leerlaufspannung OCV des Brennstoffzellenstapels 20. Durch
die Betriebsweise mit geringem Wirkungsgrad wird, weil die Ausgangsspannung
Vfc auf V1 fixiert ist, der Durchfluß des vom Luftkompressor 32 dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten
Oxidationsgases gesteuert, um den Ausgangsstrom Ifc zu regeln, und
die Steuerung der Leistungserzeugung wird gemäß einer
Betriebslast (z. B. der Öffnungsgrad des Fahrpedals) durchgeführt.
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Beispielsweise
ist der Betriebspunkt zu einer Zeit, zu der der Aufwärmbetrieb
durchgeführt wird, während das Fahrzeug im Betrieb
mit geringem Wirkungsgrad fährt, OP1 (I1, V1). Selbst wenn
ein Fahrer das Fahrpedals freigibt, um rasch den Erzeugungsbefehlswert
für den Brennstoffzellenstapel 20 abzusenken,
wird der Luftkompressor 32, der nicht mit einer die Drehzahl
reduzierenden Vorrichtung, wie einer Bremse, versehen ist, rasch
seine Drehzahl verringern können, sondern seine Rotation
für eine Weile mit einer Drehzahl fortsetzen, die etwas
größer ist als es dem Erzeugungsbefehlswert entsprechen würde.
Dann wird überschüssige Leistung erzeugt, die
der Differenz zwischen der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten
Leistungsmenge und dem Erzeugungsbefehlswert entspricht. Wenn die
Ausgangsspannung Vfc durch die ΔV-Steuerung von V1 nach
V2 angehoben wird (zu dieser Zeit bewegt sich der Betriebspunkt
von OP1 nach OP2), kann der parasitär im Brennstoffzellenstapel 20 vorhandene
Kondensator 29 mit dieser überschüssigen
Leistung geladen werden, so daß der vom Brennstoffzellenstapel 20 der
externen Last zugeführte Leistungswert im wesentlichen
dem Erzeugungsbefehlswert entsprechen kann.
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Nach
dem Laden des Kondensators 29 mit der überschüssigen
Leistung wird die Ausgangsspannung Vfc von V2 auf V1 gesenkt, um
den Betriebspunkt von OP2 nach OP1 zurückzuführen.
Zu dieser Zeit wird Leistung des geladenen Kondensators 29 zur
externen Last 56 entladen mit einem Abfall der Ausgangsspannung
Vfc, wodurch die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels
derart unterdrückt werden muß, daß die
vom Brennstoffzellenstapel 20 der externen Last 56 zugeführte
Leistung (die Summe aus der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten
Leistung und der vom Kondensator 29 entladenen Leistung)
der von der externen Last 56 angeforderten Leistung entspricht.
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Um
das Problem zu lösen, wird die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 20 mit
Oxidationsgas vom Luftkompressor 32 auf einen stabilen
Durchflußgrenzwert abgesenkt (der minimale Durchfluß mit dem
die Luft in einem solchen Bereich mit der Fähigkeit zugeführt
werden kann, die Durchflußstabilität oder Ansprecheigenschaften
im Bereich mit niedriger Drehzahl sicherzustellen), und zudem wird
der Ventilöffnungsgrad des Bypassventils 39 geregelt,
um den Zufluß des Oxidationsgases zum Brennstoffzellenstapel 20 auf
den stabilen Durchflußgrenzwert oder weniger zu reduzieren.
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Falls
die Kapazität des Luftkompressors 32 groß ist,
ist es schwierig, den Durchfluß des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten
Oxidationsgases auf den stabilen Durchflußgrenzwert oder
weniger so abzusenken, daß die vom Brennstoffzellenstapel 20 der
externen Last 56 während des Verfahrens zur Spannungsabsenkung
zugeführte Leistung der Leistung entspricht, die von der
externen Last 56 angefordert wird, wegen der obigen Gestaltung
kann aber der Durchfluß der über den Bypasskanal 38 strömenden
Bypassluft reguliert werden, um den Durchfluß des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten
Oxidationsgases auf den stabilen Durchflußgrenzwert oder
weniger zu reduzieren.
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Nach
Vollendung des Verfahrens zur Spannungsabsenkung werden die Drehzahl
des Luftkompressors 32 und der Ventilöffnungsgrad
des Bypassventils 39 reguliert, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Oxidationsgas
derart zuzuführen, wie es der Leistungsanforderung entspricht.
Wenn die Kapazität des Luftkompressors 32 groß ist
und der Luftkompressor 32 zu dem Zweck betrieben wird,
die Leistung zu erzeugen, die der Leistungsanforderung nach Vollendung
des Verfahrens zur Spannungsabsenkung entspricht, wird dem Brennstoffzellenstapel 20 mehr Oxidationsgas
als nötig zugeführt und es könnte überschüssige
Leistung erzeugt werden. Jedoch kann gemäß der
obigen Gestaltung zustzlich zur Betriebssteuerung des Luftkompressors 32 der
Durchfluß der durch den Bypasskanal 38 strömenden
Bypassluft geregelt werden, um dem Brennstoffzellenstapel 20 stabil
das Oxidationsgas zuzuführen, das der geforderten Leistung
entspricht.
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Es
ist zu beachten, daß in dem Falle, daß der Luftkompressor 32 eine
kleine Kapazität besitzt, der Durchfluß der dem
Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Luft exakt
so geregelt werden kann, daß die während des Verfahrens
zur Spannungsabsenkung vom Brennstoffzellenstapel 20 der
externen Last 56 zugeführte Leistung der Leistungsanforderung
der externen Last 56 entspricht und das der geforderten Leistung
entsprechende Oxidationsgas nach Vollendung des Verfahrens zur Spannungsabsenkung
stabil dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt
werden kann, und daß der Bypasskanal 38 nicht
erforderlich ist. Weiter kann in einem solchen Falle der Betrieb des
Luftkompressors 32 während des Verfahrens zur Spannungsabsenkung
gestoppt werden.
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Es
ist zu beachten, daß ein auf der I-V-Charakteristikkurve 200 positionierter
Betriebspunkt OP3 (I1, V3) anzeigt, daß die maximale Spannung,
die theoretisch vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben
wird, beim Ausgangsstrom I1 V3 ist. Ein Bereich, in dem die Ausgangsspannung
Vfc durch die ΔV-Steuerung erhöht werden kann,
während der Ausgangsstrom Ifc während der Betriebsweise
mit geringem Wirkungsgrad beim Betriebspunkt OP1 auf einen Bereich
von OP1 bis OP3 beschränkt ist. Deshalb ist, wenn ein übermäßiger
Spannungsanstieg von V3 nach V1 befohlen wird, der dem befohlenen Spannungswert
gemäße Betriebspunkt auf der I-V-Charakteristikkurve 200 ein
neuer Betriebspunkt.
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Die 6 ist
eine Zeittafel die ein Verfahren zur ΔV-Steuerung zeigt.
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Als
ein Beispiel, bei dem die Leistungserzeugungsanforderung für
den Brennstoffzellenstapel 20 rasch abnimmt, wird der Fall
angenommen, bei welchem der Zustand, in dem das Fahrpedal betätigt
(die Drossel geöffnet) ist, während der Zeitspanne
von t10 bis t11 besteht, und bei welchem ab dem Zeitpunkt t11 das Fahrpedal
unbetätigt (die Drossel geschlossen) ist, wobei die ΔV-Steuerung
beschrieben wird.
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Zum
Zeitpunkt t11, wenn das Fahrpedal entlastet (die Drossel geschlossen)
wird, nimmt die Betriebslast des Brennstoffzellenstapels ab und
deshalb berechnet die Steuervorrichtung 70 einen Befehlswert
Pref für die Leistungserzeugung derart, daß die
Leistung erzeugt wird, die der Abnahme der Betriebslast entspricht.
Zu dieser Zeit kann die Leistung erzeugt werden, die den bordeigenen
Hilfsvorrichtungen zugeführt werden soll, und deshalb nimmt
der Erzeugungsbefehlswert Pref allmählich ab. Der Betriebspunkt
zum Zeitpunkt t11 ist OP1 (I1, V1).
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Weil
jedoch der Luftkompressor 32 nicht mit einer Drehzahlreduziervorrichtung,
wie einer Bremse, versehen ist, kann die Drehzahl des Luftkompressors
nicht sofort beendet werden, selbst wenn das Fahrpedal beim Zeitpunkt
t11 freigegeben wird, vielmehr setzt der Luftkompressor unter dem
Einfluß der Trägheit für eine Weile seine
Rotation fort und die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte
Menge des Oxidationsgases ist größer als die Oxidationsgasmenge,
die dem Erzeugungsbefehlswert Pref entspricht. Deshalb wird eine
Erzeugungsmenge Pmes des Brennstoffzellenstapels 20 größer
als der Erzeugungsbefehlswert Pref und eine Differenz Ws zwischen
der Erzeugungsmenge und dem Erzeugungsbefehlswert ist die überschüssige
Leistung.
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Der
Gleichspannungswandler 51 erhöht die Ausgangsspannung
Vfc des Brennstoffzellenstapels 20 um soviel wie ΔVfc
= (V2 – V1) und stellt den Betriebspunkt auf OP2 (I1, V2)
ein. Dann wird die kapazitive Komponente im Brennstoffzellenstapel 20,
d. h. der Kondensator 29, mit der überschüssigen
Leistung Ws geladen, und deshalb vom Brennstoffzellenstapel 20 eine
Leistung (Pmes – Ws) ausgegeben, die im wesentlichen dem
Erzeugungsbefehlswert Pref entspricht.
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Zum
Zeitpunkt t12, wenn die Ladung des Kondensators 29 mit
der überschüssigen Leistung Ws vollendet ist,
nimmt die Ausgangsspannung Vfc um soviel wie ΔVfc = (V2 – V1)
ab und der Betriebspunkt kehrt von OP2 (I1, V2) nach OP1 (I1, V1)
zurück. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Zufuhr des Oxidationsgases
vom Luftkompressor 32 zum Brennstoffzellenstapel 20 ab
auf den stabilen Durchflußgrenzwert und der Ventilöffnungsgrad
des Bypassventils 39 wird weiter geregelt, um die Leistungserzeugung
des Brennstoffzellenstapels 20 zu unterdrücken.
Wenn der Luftkompressor 32 eine kleine Kapazität
besitzt und das der geforderten Leistung entsprechende Oxidationsgas
nach Vollendung des Verfahrens zur Spannungssenkung dem Brennstoffzellenstapel 20 stabil
zugeführt werden kann, kann die Rotation des Luftkompressors 32 während
des Verfahrens zur Spannungssenkung gestoppt werden. Nachdem der
Betriebspunkt nach OP1 zurückgekehrt ist, wird die Drehzahl
des Luftkompressors 32 derart gesteuert, daß Oxidationsgas
entsprechend der vom Brennstoffzellenstapel 20 geforderten
Leistung zugeführt wird.
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Es
ist zu beachten, daß als ein Beispiel für das
Verfahren zur Spannungsabsenkung beschrieben wurde, das Verfahren
zur Absenkung der Ausgangsspannung Vfc zu verstärken, um
die überschüssige Leistung Ws zu absorbieren;
es kann aber zusätzlich die obige Steuerung beispielsweise
selbst in einem Falle angewandt werden, in welchem während
des Starts bei niedriger Temperatur die Ausgangsspannung Vfc von
der Leerlaufspannung OCV zum Spannungswert eines gewünschten
Betriebspunkts abgesenkt wird, um die Betriebsweise mit geringem
Wirkungsgrad durchzuführen.
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Wie
oben beschrieben kann, wenn beim Absenken der Ausgangsspannung Vfc
am Brennstoffzellenstapel 20 die Zufuhr von Oxidationsgas
zum Brennstoffzellenstapel 20 angesichts der Entladung aus
dem Kondensator 29 zur externen Last 56 abgesenkt
wird, die vom Brennstoffzellenstapel 20 der externen Last 56 zugeführte
Leistung der durch die externe Last 56 angeforderten Leistung
entsprechen.
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Bei
der obigen Ausführungsform wurde die Gestaltung einer Anwendung
dargestellt, bei der das Brennstoffzellensystem 10 als
ein bordeigenes Leistungserzeugungssystem benutzt wird, jedoch ist
die Anwendung des Brennstoffzellensystems 10 nicht auf
dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 10 als
Leistungsquelle außer bei einem Brennstoffzellenfahrzeug
auf einem beweglichen Körper (einem Roboter, einem Schiff,
einem Flugzeug oder dergleichen) angebracht werden. Überdies
kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform als Leistungserzeugungseinrichtung
(ein stationäres Leistungserzeugungssystem) einer Behausung,
eines Gebäudes oder dergleichen benutzt werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine Zellenaktion unter Berücksichtigung
der Entladung aus einer kapazitiven Komponente einer Brennstoffzelle
an eine externe Last gesteuert werden, wenn die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle gesenkt wird.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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Ein
Brennstoffzellensystem (10) schließt ein: einen
Brennstoffzellenstapel (20), der ein Brenngas und ein Oxidationsgas
zur Erzeugung einer Leistung empfängt; einen Luftkompressor
(32), der das Oxidationsgas dem Brennstoffzellenstapel
(20) zuführt und eine Steuervorrichtung (70),
die den Durchfluß des vom Luftkompressor (32)
dem Brennstoffzellenstapel (20) zugeführten Oxidationsgases
unter Berücksichtigung der Entladung einer kapazitiven
Komponente des Brennstoffzellenstapels (20) reduziert,
wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels vermindert
wird. Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (20 gefallen
ist, kann das Brennstoffzellensystem (10) eine Zellenaktion
unter Berücksichtigung der Entladung der kapazitiven Komponente
des Brennstoffzellenstapels (20) zu einer externen Last
steuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-30979 [0003, 0003]