DE112012005964B4

DE112012005964B4 - Brennstoffzellensystem mit Katalysatoraktivierungsfunktion

Info

Publication number: DE112012005964B4
Application number: DE112012005964.6T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KA Matsusue Masaaki; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAI Ikeda Kotaro
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN104137315B; US9786938B2; JP5850133B2; DE112012005964T5; CA2866010C; JPWO2013128609A1; US20150111122A1; CN104137315A; DE112012005964B8; CA2866010A1; WO2013128609A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10) aufweisend:eine Brennstoffzelle (20) mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; undeine Steuervorrichtung (60), die ausgestaltet ist, um:einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine vorgegebene Reduzierungsspannung auszuführen, undeinen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) vorherzusagen und die Notwendigkeit und den Umfang des Leistungswiederherstellungsprozesses basierend auf einem Vorhersageergebnis zu bestimmen,wobei ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine erste Reduzierungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine zweite Reduzierungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Reduzierungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (20) ausgebildet wird,dadurch gekennzeichnet, dassdie Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um, wenn eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, bevor eine erste vorgegebene Zeitspanne vergangen ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf die erste Reduzierungsspannung zu senken; wohingegen die Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um, wenn die Anforderung der Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, nachdem die erste vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nachdem eine zweite vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, welche länger als die erste vorgegebene Zeitspanne ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf die zweite Reduzierungsspannung zu senken.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Katalysatoraktivierungsfunktion.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Strom- bzw. Leistungserzeugungssystem, das Brennstoff vermittels einem elektrochemischen Prozess oxidiert, um dadurch direkt Energie, die während einer derartigen Oxidationsreaktion freigesetzt wird, in elektrische Energie bzw. Strom umzuwandeln. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel hat eine Membranelektrodenanordnung, bei welcher eine Polymerelektrolytmembran, die selektiv Wasserstoffionen transportiert, sandwichartig zwischen einem Paar Elektroden aufgenommen ist, die aus porösen Materialien bestehen. Eine jede Elektrode umfasst: eine Katalysatorschicht, die, als Hauptbestandteil, Carbon- bzw. Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platinbasierten Metallkatalysator trägt, und mit der Polymerelektrolytmembran in Kontakt steht; und eine Gasdiffusionsschicht, die auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist, wobei die Gasdiffusionsschicht sowohl luftdurchlässig als auch elektronenleitend ist.
Bei derartigen Brennstoffzellensystemen kann, wenn eine Zelle kontinuierlich in einem Betriebsbereich betrieben wird, in welchem die Zellspannung eine Oxidationsspannung (etwa 0,7 V bis 1,0 V) erreicht, ein Oxidbelag auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet werden und die wirksame Fläche des Platinkatalysators verringern, was zu einer Verschlechterung der Ausgabeeigenschaften führen kann. Diesbezüglich offenbart die JP 2008- 192 468 A einen Prozess, bei welchem, wenn eine von der Brennstoffzelle ansprechend auf eine Anforderung zu erzeugende elektrische Leistung kleiner als ein vorgegebener Wert ist, die Zufuhr von Luft (Oxidationsgas) zur Brennstoffzelle gestoppt wird und die Ausgangspannung der Brennstoffzelle durch einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler zwangsgesenkt wird, so dass die Zellspannung auf eine Absenk- bzw. Reduzierungs- oder Reduktionsspannung (z.B. 0,6 V oder darunter) abgesenkt wird, um dadurch einen Oxidbelag von der Oberfläche der Katalysatorschicht zu entfernen und die Leistung der Katalysatorschicht wiederherzustellen (ein solcher Prozess wird nachfolgend als „Auffrischungsprozess“ bezeichnet).
Die JP 2008- 192 468 A beschreibt zudem im Hinblick auf ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem als Fahrzeugbasierte Stromquelle nutzt, das Unterbinden des Auffrischungsprozesses wenn das Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Geschwindigkeit fährt, die gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Brennstoffzellensysteme und Verfahren zur Vorhersage der Betriebszustände von Brennstoffzellensystemen sind zudem aus der JP 2005- 093 120 A sowie der DE 11 2008 000 334 T5 bekannt.
Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Im Zuge der jüngsten Nachforschungen hinsichtlich der Bildung und Entfernung eines Oxidbelags in einer Katalysatorschicht wurde festgestellt, dass nicht nur eine Spannungsstufe sondern zwei oder mehr Spannungsstufen als Reduzierungsspannung existieren, die ein Entfernen eines derartigen Oxidbelags zulassen. Wenn beispielsweise zwei Reduzierungsspannungsstufen existieren, liegen zwei Arten von Belägen - ein Belag, der durch Absenken der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf eine Reduzierungsspannung wie in der JP 2008- 192 468 A beschrieben (nachfolgend als „erste Reduzierungsspannung“ bezeichnet) entfernt werden kann (ein derartiger Belag wird nachfolgend als „Typ-I Oxidbelag“ bezeichnet), und ein Belag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung auf eine zweite Reduzierungsspannung, die niedriger ist als die erste Reduzierungsspannung, entfernt werden kann (ein derartiger Belag wird nachfolgend als „Typ-II Oxidbelag“ bezeichnet) - in einem Mischzustand in einem Oxidbelag vor.
Der Auffrischungsprozess aus der JP 2008- 192 468 A geht lediglich von einer Spannungsstufe für eine Reduzierungsspannung aus, die das Entfernen des Oxidbelags zulässt (die erste Reduzierungsspannung). Selbst wenn es daher möglich ist, durch Absenken der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels für eine vorgegebene Zeitspanne auf eine derartig angenommene erste Reduzierungsspannung, den Typ-I Oxidbelag zu entfernen, ist es dennoch nicht möglich, den Typ-II Oxidbelag zu entfernen. Die Leistung der Katalysatorschicht kann somit nicht in ausreichendem Maße regeneriert werden.
Wenn der Auffrischungsprozess die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf die zweite Reduzierungsspannung senkt, um auch den Typ-II Oxidbelag zu entfernen, wird davon ausgegangen, dass die Leistung der Katalysatorschicht in ausreichendem Maße regeneriert werden kann; jedoch wird die Zellspannung niedriger als beim Absenken der Zellspannung auf die erste Reduzierungsspannung, was zu einer spürbaren Verschlechterung des Antwortverhaltens auf eine Hochleistungs- bzw. Hochlastanforderung (Anforderung einer Ausgabeerhöhung) führen kann. Wenn beispielsweise die Brennstoffzellenspannung in einem Brennstoffzellenfahrzeug deutlich abgesenkt bzw. verringert wird, kann es unmöglich werden, eine Ausgabe zu erzielen, die einer Beschleunigerantwort zum Zeitpunkt der Hochlastanforderung folgen kann, was zu einer spürbaren Verschlechterung der Fahrbarkeit (Steuerbarkeit) führen kann.
Ausgehend von den vorstehend genannten Problemen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das in der Lage ist, die Leistungswiederherstellung einer Katalysatorschicht zu maximieren während der Einfluss auf das Antwortverhalten auf eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung minimiert werden kann.
Mittel zur Lösung des Problems
Um diese Aufgabe zu lösen weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; und eine Steuervorrichtung, die ausgestaltet ist, um einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Spannung auszuführen, und einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle vorhersagt und die Notwendigkeit und den Umfang des Leistungswiederherstellungsprozesses basierend auf einem Vorhersageergebnis zu bestimmen.
Da bei der vorstehenden Konfiguration die Notwendigkeit des Leistungswiederherstellungsprozesses und der Umfang (das Niveau) des auszuführenden Leistungswiederherstellungsprozesses gemäß dem vorhergesagten Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung bestimmt werden können ist es möglich, ein Gleichgewicht zwischen der Minimierung des Einflusses auf das Antwortverhalten auf eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung und der Maximierung der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht zu erzielen.
Die Steuervorrichtung ist ausgestaltet, um, wenn bei der vorstehenden Konfiguration ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine erste Reduzierungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine zweite Reduzierungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Reduzierungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgebildet wird, die vorgegebene Spannung, auf welche die Ausgangsspannung entsprechend dem Vorhersageergebnis verringert werden soll, zu ändern, wenn bestimmt wird, dass der Leistungswiederherstellungsprozess notwendig ist.
Bei der vorstehenden Konfiguration wird der Leistungswiederherstellungsprozess nicht in gleicher Weise ausgeführt, wenn er notwendig ist, sondern der Prozess kann ausgeführt werden, indem entsprechend dem vorhergesagten Zeitpunkt der Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung ausgewählt wird, ob nur der erste Oxidbelag oder der erste und der zweite Oxidbelag entfernt werden sollen. Dementsprechend ist es möglich, ein Gleichgewicht zwischen der Minimierung des Einflusses auf das Antwortverhalten auf eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung und der Maximierung der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht von noch höherem Niveau zu erzielen.
Beispielsweise ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, dass sie, wenn eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, bevor eine erste vorgegebene Zeitspanne vergangen ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die erste Reduzierungsspannung senkt; wohingegen, wenn die Anforderung der Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, nachdem die erste vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nachdem eine zweite vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, welche länger als die erste vorgegebene Zeitspanne ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die zweite Reduzierungsspannung abgesenkt wird.
Wenn bei der vorstehenden Konfiguration vorhergesagt wird, dass bald eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, wird dem Minimieren des Einflusses auf das Antwortverhalten auf eine derartig Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung die erste Priorität eingeräumt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wird daher nur auf die erste Reduzierungsspannung abgesenkt. Wenn dagegen vorhergesagt wird, dass so bald keine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle gestellt wird, wird der Maximierung der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht die erste Priorität eingeräumt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wird daher auf die zweite Reduzierungsspannung abgesenkt.
Bei der vorstehenden Konfiguration kann die Steuervorrichtung die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf die zweite Reduzierungsspannung senken, wenn eine Ausgabeanforderung an die Brennstoffzelle gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist (ein Beispiel hierfür entspricht einem Leerlaufbetrieb in einem Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem installiert ist).
Wenn das wie vorstehend beschrieben konfigurierte Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellenfahrzeug als Fahrzeugbasierte Stromquelle installiert ist, kann die Steuervorrichtung einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle basierend auf einem Bremsgrad vorhersagen.
Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, die Leistungswiederherstellung einer Katalysatorschicht zu maximieren während der Einfluss auf das Antwortverhalten auf eine Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung minimiert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 zeigt eine Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Zelle, die den Brennstoffzellenstapel bildet;
3 zeigt ein Zeitschaubild eines Beispiels einer Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems;
4 zeigt ein Flussschaubild, das den Ablauf zum Ausführen eines Auffrischungsprozesses unter der Bedingung zeigt, dass der Bremsgrad einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt;
5 zeigt ein Flussschaubild, das den Ablauf zum Ausführen eines Auffrischungsprozesses entsprechend einem derartigen Bremsgrad zeigt, wenn der Bremsgrad einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt;
6 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel des in 5 gezeigten Auffrischungsprozesses zeigt, der entsprechend dem Bremsgrad ausgeführt wird, wobei die Tabelle die Beziehung zwischen dem Bremsgrad und einer Auffrischungsspannung zeigt;
7 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel des in 5 gezeigten Auffrischungsprozesses zeigt, der entsprechend dem Bremsgrad ausgeführt wird, wobei die Tabelle die Beziehung zwischen dem Bremsgrad und einer Auffrischungszeitspanne zeigt;
8 zeigt eine Ansicht, wie sich die jeweiligen Anteile eines Typ-I Oxidbelags, eines Typ-II Oxidbelags und eines Typ-III Oxidbelags in einem Oxidbelag, der auf einer Katalysatorschicht ausgebildet ist, über die Zeit verändern, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf einem konstanten Wert gehalten wird; und
9 zeigt eine Ansicht, wie sich die jeweiligen Anteile eines Typ-I Oxidbelags und eines Typ-II Oxidbelags in einem Oxidbelag, der auf einer Katalysatorschicht ausgebildet ist, entsprechend der Zunahme der Zahl der Male verändern, die die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels während ihres Ansteigens und Absinkens eine vorgegebene Grenzspannung kreuzt.

Bezugszeichenliste

11: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzelle
24a: Katalysatorschicht
25: Membranelektrodenanordnung
60: Controller (Steuervorrichtung)

Ausführungsformen der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht wiederholt beschrieben.
(Ausführungsform 1)
1 zeigt die Systemkonfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß Ausführungsform 1.
Das Brennstoffzellensystem 10 dient als Fahrzeugbasiertes Stromversorgungssystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist und umfasst: einen Brennstoffzellenstapel 20, der mit Reaktionsgasen (einem Brenngas und einem Oxidationsgas) versorgt wird und elektrische Leistung erzeugt; ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30 zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel 20; ein Brenngaszufuhrsystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 20; ein Leistungssystem 50 zum Steuern des Ladens und Entladens elektrischer Leistung; und einen Controller 60, der das gesamte System steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Solidpolymerelektrolytzellenstapel, in welchem eine Mehrzahl von Zellen in Reihe gestapelt ist. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet die Oxidationsreaktion nach Formel (1) an der Anode statt, und die Reduktionsreaktion nach Formel (2) findet an der Kathode statt. Die Stromerzeugungsreaktion nach Formel (3) geschieht im Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes. H₂ → 2H⁺ + 2e^- (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ +2e^- → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Der Brennstoffzellenstapel 20 hat: einen Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 (FC-Spannung); und einen Stromsensor 72 zum Erfassen eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 20 (FC-Strom).
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 umfasst: eine Oxidationsgasleitung 33, in welcher das der Kathode im Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführende Oxidationsgas fließt; und eine Oxidationsgasabgasleitung 34, in welcher aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenes Oxidationsabgas fließt. Die Oxidationsgasleitung 33 hat: einen Luftkompressor 32, der das Oxidationsgas aus der Umgebung bzw. Atmosphäre über einen Filter 31 einbringt; einen Befeuchter 35, der das durch den Luftkompressor 32 verdichtete Oxidationsgas befeuchtet; und ein Sperrventil A1 zum Absperren der Zufuhr von Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel 20.
Die Oxidationsgasabgasleitung 34 hat: ein Sperrventil A2 zum Absperren des Auslassens des Oxidationsgasabgases vom Brennstoffzellenstapel 20; ein Gegendruckregelventil A3 zum Regeln des Zufuhrdrucks des Oxidationsgases; und einen Befeuchter 35 zum Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsgasabgas (nasses Gas).
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat: eine Brenngaszufuhrquelle 41; eine Brenngasleitung 43, in welcher das von der Brenngaszufuhrleitung 41 zur Anode im Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführende Brenngas fließt; eine Zirkulationsleitung 44 zum Rückführen von Brenngasabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben wird, zur Brenngasleitung 43; eine Umwälzpumpe 45, die das Brenngasabgas in der Zirkulationsleitung 44 umwälzt, um selbiges der Brenngasleitung 43 zuzuführen; und eine Abgas-/Abwasserleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 wird beispielsweise von einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoffabsorbierenden Legierung oder Ähnlichem gebildet und speichert Wasserstoffgas mit hohem Druck (z.B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brenngasleitung 43. Der Druck des Brenngases wird beispielsweise über einen Regler H2 und einen Injektor 42 auf etwa 200 kPa verringert und das Brenngas wird dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
Die Zirkulationsleitung 44 ist mit einem Sperrventil H4 zum Absperren des Auslassens von Brenngasabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Abgas-/Abwasserleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt, verbunden. Die Abgas-/Abwasserleitung 46 ist mit einem Abgas-/Abwasserventil H5 vorgesehen. Das Abgas-/Abwasserventil H5 wird durch eine Anweisung vom Controller 60 betätigt, um Wasser sowie Verunreinigungen enthaltendes Brennabgas in der Zirkulationsleitung 44 nach außen auszugeben.
Das vom Abgas-/Abwasserventil H5 abgegebene Brenngasabgas wird mit dem Oxidationsgasabgas, das durch die Oxidationsgasabgasleitung 34 strömt, vermischt und durch einen Verdünner (nicht dargestellt) verdünnt. Die Umwälzpumpe 45 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brenngasabgas im Zirkulations- bzw. Umwälzsystem zu zirkulieren und selbiges dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
Das Leistungssystem 50 umfasst einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebs- bzw. Traktionsinverter 53, einen Antriebs- bzw. Traktionsmotor 54 und Hilfsaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 dient zum Erhöhen einer Gleichstromspannung, die von der Batterie 52 zugeführt wird, und Ausgeben der resultierenden Spannung an den Antriebswandler 53; sowie zum Absenken einer Gleichstromspannung, die durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder der Spannung einer regenerativen Leistung, die vom Antriebsmotor 54 als Ergebnis regenerativen Bremsens erzeugt wird, um die Batterie 52 mit der resultierenden Leistung zu laden.
Die Batterie 52 fungiert als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung; als Speicherquelle für regenerative Leistung während eines regenerativen Bremsvorgangs; oder als Energiepuffer für eine Laständerung, die aus der Beschleunigung oder Verzögerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs resultiert. Geeignete Beispiele für die Batterie 52 können einen Akku wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium Batterie, eine Nickel-Wasserstoff Batterie und eine Lithium Batterie umfassen. Ein SOC (Ladezustand)-Sensor ist an der Batterie 52 angebracht, um den Ladezustand, der die verbleibende Leistung der Batterie 52 darstellt, zu erfassen.
Der Antriebsinverter 53 kann beispielsweise ein PWM-Inverter sein, der vermittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird, wobei der Antriebsinverter 53 eine Gleichstromspannung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, entsprechend einem Steuerbefehl vom Controller 60 in eine Dreiphasenwechselstromspannung wandelt und ein Drehmoment des Antriebsmotors 54 steuert. Der Antriebsmotor 54 kann beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor sein, der eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt.
Die Hilfsaggregate 55 sind ein Sammelbegriff für Motoren, die in den jeweiligen Teilen des Brennstoffzellensystems angeordnet sind (z.B. Leistungsquellen für die Pumpen), Inverter zum Ansteuern/Antreiben dieser Motoren und verschiedene Arten von Fahrzeugbasierten Hilfsaggregaten (z.B. Luftkompressor, Injektor, Kühlwasserumwälzpumpe, Radiator, etc.).
Der Controller 60 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einen RAM, Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellen und dergleichen, wobei der Controller 60 die Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Wenn beispielsweise ein Startsignal IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, empfangen wird, beginnt der Controller 60 mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und erhält die vom gesamten System benötigte Leistung basierend auf einem Beschleunigeröffnungsgradsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird. Die für das gesamte System benötigte elektrische Leistung ist die Summe der Menge an elektrischer Leistung für das Fahren des Fahrzeugs und der Menge an elektrischer Leistung für die Hilfsaggregate.
Die elektrische Leistung für die Hilfsaggregate umfasst die elektrische Leistung, die durch die Fahrzeugbasierten Hilfsaggregate (Befeuchter, Luftverdichter, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserumwälzpumpe, etc.) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von Geräten verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkgetriebe, Aufhängung, etc.), die elektrische Leistung, die von Gerätschaften verbraucht wird, die in einem Fahrgastraum angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.) und dergleichen.
Der Controller 60 bestimmt das Verteilungsverhältnis der von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenen elektrischen Leistung und der von der Batterie 52 ausgegebenen elektrischen Leistung und steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40 so, dass die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung mit einer elektrischen Sollleistung übereinstimmt. Der Controller 60 steuert ferner den Gleichstromwandler 51 derart, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu regeln und dadurch den Betriebspunkt (die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Zelle 21, welche den Brennstoffzellenstapel 20 bildet.
Die Zelle 21 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 22, eine Anode 23, eine Kathode 24 sowie Separatoren 26 und 27. Die Anode 23 und die Kathode 24 sind Diffusionselektroden mit einem sandwichartigen Aufbau, bei welchem derartige Elektroden die Polymerelektrolytmembran 22 sandwichartig von deren beiden Seiten umfassen.
Die Separatoren 26 und 27 bestehen aus Gasundurchlässigen leitfähigen Elementen und nehmen die vorstehend genannte Sandwichstruktur sandwichartig von ihren beiden Seiten auf und bilden einen Brenngasströmungspfad und einen Oxidationsgasströmungspfad zwischen den Separatoren und der Anode 23 und der Kathode 24. Der Separator 26 ist mit Rippen 26a ausgestaltet, die im Querschnitt eine vertiefte Form haben.
Dadurch, dass die Rippen 26a an der Anode 23 anliegen können, sind die Öffnungen der Rippen 26a verschlossen, wodurch der Brenngasströmungspfad ausgebildet wird. Der Separator 27 ist mit Rippen 27a ausgebildet, die im Querschnitt eine vertiefte Form haben. Dadurch, dass die Rippen 27a an der Kathode 24 anliegen können, sind die Öffnungen der Rippen 27a verschlossen, wodurch der Oxidationsgasströmungspfad ausgebildet wird.
Die Anode 23 umfasst: eine Katalysatorschicht 23a die als Hauptbestandteil Carbonpulver bzw. Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platinbasierten Metallkatalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru, etc.) trägt und mit der Polymerelektrolytmembran 22 in Kontakt steht; sowie eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und sowohl luftdurchlässig als auch Elektronenleitend ist. Die Kathode umfasst ebenfalls eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b, die in der gleichen Weise ausgestaltet sind.
Genauer gesagt werden die Katalysatorschichten 23a und 24a durch Verteilen des Kohlenstoffpulvers, welches das Platin oder eine aus Platin und anderen Metallen bestehende Legierung trägt, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gebildet, Hinzufügen einer geeigneten Menge einer Elektrolytlösung, um diese in eine Paste umzuwandeln, und Film- bzw. Raster- oder Siebdrucken der Paste auf die Polymerelektrolytmembran 22 gebildet. Die Gasdiffusionsschichten 23b und 24b können aus Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz, der aus Kohlenstofffasergarn gewoben wird, gebildet werden.
Die Polymerelektrolytmembran 22 ist eine Protonenleitende Ionenaustauschmembran aus einem Solidpolymermaterial (z.B. fluoriertem Harz bzw. Fluorharz), wobei eine derartige Polymerelektrolytmembran 22 im nassen Zustand eine besondere elektrische Leitfähigkeit zeigt. Die Polymerelektrolytmembran 22, die Anode 23 und die Kathode 24 bilden eine Membranelektrodenanordnung 25.
3 ist ein Zeitschaubild, das die Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems 10 zeigt.
Das Brennstoffzellensystem 10 ist derart ausgestaltet, um seine Leistungserzeugungseffizienz durch Schalten der Operationsmodi des Brennstoffzellenstapels 20 entsprechend der Arbeits- bzw. Betriebslast zu verbessern.
Beispielsweise führt das Brennstoffzellensystem 10 in einem Niedriglastbereich mit einer niedrigen Leistungserzeugungseffizienz (einem Betriebsbereich, in welchen die angeforderte zu erzeugende Leistung niedriger als ein vorgegebener Wert ist) einen intermittierenden Betrieb aus, in welchem der Betrieb derart gesteuert wird, dass ein Leistungserzeugungssollwert für den Brennstoffzellenstapel 20 auf Null gesetzt wird und die für das Fahren des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung sowie die für den Betrieb des Systems benötigte elektrische Leistung durch die von der Batterie 52 zugeführte elektrische Leistung abgedeckt wird. Es sei angemerkt, dass die Zellspannung während des intermittierenden Betriebs relativ hoch gehalten wird, da die Fahrbarkeit abnimmt, wenn die Zellspannung niedrig ist und eine Hochlastanforderung (Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung) während des intermittierenden Betriebs erhalten wird.
In einem Hochlastbereich mit hoher Leistungserzeugungseffizienz (einen Betriebsbereich, in welchem die geforderte zu erzeugende Leistung gleich oder höher als ein vorgegebener Wert ist) führt das Brennstoffzellensystem 10 dagegen einen normalen Lastbetrieb bzw. Normallastbetrieb aus, in welchem der Betrieb derart gesteuert wird, dass ein Leistungserzeugungsbefehlswert für die Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Öffnungsgrad eines Beschleunigers und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird und die für das Fahren des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung sowie die für den Betrieb des Systems benötigte elektrische Leistung nur durch die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung oder durch die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Leistung und die von der Batterie 52 zugeführte elektrische Leistung abgedeckt werden.
Wenn das Fahrzeug gestoppt ist, beispielsweise unmittelbar nachdem das Fahrzeug gestartet wurde oder während das Fahrzeug an einer roten Ampel steht, in anderen Worten, wenn der Schalthebel in einer P-Stellung oder N-Stellung ist, oder wenn das Bremspedal niedergedrückt und die Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist, obgleich der Schalthebel in der D-Stellung ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 einen Leerlaufbetrieb durch, in welchem der Brennstoffzellenstapel 20 betrieben wird, um elektrische Leistung mit einer Leistungserzeugungsspannung zu erzeugen, die benötigt wird, um die Fahrbarkeit zu gewährleisten, während die Batterie 52 mit der erzeugten Leistung geladen wird.
In einem Zustand, bei welchem die Kathode 24 bei hoher Spannung gehalten wird, beispielsweise während des vorstehend beschriebenen Leerlaufbetriebs, kann ein Platinkatalysator in der Katalysatorschicht 24a aufgelöst werden, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Hochpotenzialvermeidungssteuerung (OC-Vermeidungsbetrieb) betrieben wird, bei welcher die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels derart gesteuert wird, dass sie eine obere Grenzspannung V1 nicht übersteigt, um dadurch die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhalten. Die obere Grenzspannung V1 wird beispielsweise auf etwa 0,9 V pro Zelle eingestellt.
4 zeigt ein Flussschaubild, das den Prozess zum Ausführen eines Auffrischungsprozesses unter der Bedingung zeigt, dass der Bremsgrad einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Es sei angemerkt, dass, obgleich die vorstehend genannte 3 ein Beispiel zeigt, bei welchem die Notwendigkeit des Auffrischungsprozesses während eines Leerlaufbetriebs (beispielsweise während das Fahrzeug an einer roten Ampel steht) nach einem Normallastbetrieb bestimmt wird, 4 ein Beispiel zeigt, bei welchem die Notwendigkeit des Auffrischungsprozesses während eines Normallastbetriebs bestimmt wird.
Während eines Normallastbetriebs (Schritt S1) bestimmt der Controller 60 die Notwendigkeit des Auffrischungsprozesses in vorgegebenen Zeitintervallen (Schritt S3). Die Notwendigkeit des Auffrischungsprozesses wird durch Ermitteln einer Menge der Oxidbelagbildung (der Oberflächenbereich des ausgebildeten Oxidbelags) und Beurteilen, ob die ermittelte Menge der Oxidbelagbildung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, bestimmt, wobei die Ermittlung beispielsweise durch Ausführen einer Zeitintegration basierend auf der verstrichenen Zeit seit dem vorangehenden Auffrischungsprozess, unter Bezugnahme auf ein Kennfeld, das basierend auf experimentellen Ergebnissen oder Simulationen erstellt wurde, unter Ausführung theoretischer Berechnungen oder unter Bezugnahme auf die Ausgabetendenz während der Hochpotenzialvermeidungssteuerung ausgeführt wird.
Im Brennstoffzellenstapel 20 gelangen Wasserstoffionen, die, wie durch die vorstehend genannte Formel (1) gezeigt ist, an der Kathode 23 erzeugt werden, durch die Elektrolytmembran 22 und bewegen sich zur Kathode 24, und die zur Kathode 24 gelangten Wasserstoffionen reagieren elektrochemisch mit Sauerstoff im Oxidationsgas, das der Kathode 24 zugeführt wird, und verursachen eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffs, wie durch die vorstehend genannte Formel (2) dargestellt ist. Aufgrund dessen wird die Platinkatalysatoroberfläche der Katalysatorschicht 24 von einem Oxidbelag bedeckt, der den Wirkbereich verringert und die Leistungserzeugungseffizienz (Ausgabeeigenschaften) herabsetzt.
Der Auffrischungsprozess ist ein Prozess, bei welchem die Zellspannung für eine vorgegebene Zeitspanne (nachfolgend auch als „Auffrischungszeitspanne“ bezeichnet) auf eine Reduzierungs- bzw. Verringerungsspannung (nachfolgend auch als „Auffrischungsspannung“ bezeichnet) abgesenkt wird, um den Oxidbelag zu verringern und selbigen von der Katalysatoroberfläche zu entfernen. Genauer gesagt wird die Spannung einer jeden Zelle, also die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20, für eine vorgegebene Zeitspanne abgesenkt, um den Ausgangsstrom zu erhöhen und die an der Katalysatorschicht 24a auftretende elektrochemische Reaktion von einem Oxidationsreaktionsbereich in einem Reduktionsreaktionsbereich zu verschieben, wodurch die Katalysatoraktivität wiederhergestellt wird.
Wenn die ermittelte Menge der Oxidbelagbildung den vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigt (Schritt S3: NEIN), kehrt der Controller 60 in den Normallastbetrieb zurück (Schritt S1). Wenn die ermittelte Menge den vorgegebenen Grenzwert übersteigt (Schritt S3: JA), bestimmt der Controller 60 basierend auf einem Bremsgradsignal, das von einem Bremssensor ausgegeben wird, ob der Bremsgrad einen Grenzwert α übersteigt (Schritt S5). Der Grenzwert α ist beispielsweise auf einen Wert von 5% bis 10% eingestellt.
Wenn der Bremsgrad den Grenzwert α nicht übersteigt (Schritt S5: NEIN), in anderen Worten: wenn der Grad, um den das Bremspedal niedergedrückt ist, unter einem bestimmten Niveau liegt, kehrt der Prozess zu Schritt S1 zurück.
Wenn der Bremsgrad den Grenzwert α übersteigt (Schritt S5: JA), beispielsweise wenn der Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels 20 ein Leerlaufbetrieb ist, z.B. während das Fahrzeug an einer roten Ampel steht und der Bremsgrad voll ist, führt der Controller 60 den Auffrischungsprozess aus (Schritt S7).
Es sei angemerkt, dass der Auffrischungsprozess dieser Ausführungsform unabhängig vom Bremsgrad mit einer konstanten Auffrischungsspannung (Reduzierungsspannung) und für eine konstante Auffrischungszeitspanne (Zeitspanne zum Halten der Reduzierungsspannung) ausgeführt wird.
Betrachtet vom Standpunkt des Maximierens der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a ist die Wiederherstellungsspannung in einem solchen Wiederherstellungsprozess vorzugsweise niedrig genug, um die Entfernung eines Typ-II Oxidbelags oder eines Typ-III Oxidbelags, die später beschrieben werden, zu ermöglichen.
Wie vorstehend beschrieben ist, sollten, um die Ausführung des Auffrischungsprozesses bei dieser Ausführungsform zuzulassen, zumindest zwei Bedingungen erfüllt sein: (1) die Menge bzw. Größe der Oxidbelagbildung muss über einem vorgegebenen Grenzwert bzw. Schwellenwert liegen; und (2) der Bremsgrad muss über einem vorgegeben Schwellenwert α liegen. In anderen Worten, selbst wenn die Menge der Oxidbelagbildung einen vorgegeben Schwellen- bzw. Grenzwert übersteigt, wird der Auffrischungsprozess verhindert, wenn der Bremsgrad einen vorgegebenen Grenz- bzw. Schwellenwert α nicht übersteigt.
Wenn der Bremsgrad den Grenzwert α übersteigt, bedeutet dies, dass der Niederdrückbetrag des Bremspedals groß ist und, in einem solchen Fall, davon ausgegangen werden kann, dass eine Hochlastanforderung wenig wahrscheinlich ausgegeben wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Auffrischungsprozess in einem Zustand ausgeführt, wo die Ausgabe einer Hochlastanforderung relativ unwahrscheinlich ist, so dass die Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a maximiert werden kann und gleichzeitig der Einfluss auf die Fahrbarkeit bzw. Steuerbarkeit minimiert werden kann.
(Ausführungsform 2)
5 zeigt ein Flussschaubild, das den Ablauf zum Ausführen des Auffrischungsprozesses zeigt, wenn der Bremsgrad einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, gemäß einem solchen Bremsgrad.
Die 6 und 7 zeigen jeweils ein Beispiel des in 5 gezeigten Auffrischungsprozesses, der gemäß dem Bremsgrad ausgeführt wird. 6 zeigt eine Tabelle, welche die Beziehung zwischen dem Bremsgrad und einer Auffrischungsspannung zeigt, und 7 zeigt eine Tabelle, welche die Beziehung zwischen dem Bremsgrad und einer Auffrischungszeitspanne zeigt.
Das in 5 gezeigte Flussschaubild wird nun beschrieben. Da die Schritte S1 bis S5 in 5 die gleichen Schritte wie die Schritte S1 bis S5 in 4 sind, werden diese Schritte mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht erneut beschrieben. Der Prozess aus Schritt S17, der auf Schritt S5 folgt, wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Bei dem in Schritt S7 aus 4 ausgeführten Auffrischungsprozess sind die Auffrischungsspannung und die Auffrischungszeitspanne unabhängig vom Bremsgrad jeweils auf konstante Werte eingestellt. Bei dem Auffrischungsprozess aus Schritt S17 in 5 jedoch werden die Auffrischungsspannung und/oder die Auffrischungszeitspanne entsprechend dem Bremsgrad verändert.
(Änderung der Auffrischungsspannung)
Wie beispielsweise in 6 dargestellt ist, ist die Auffrischungsspannung 0,6 V (nachfolgend als „Muster V1“ bezeichnet), wenn der Bremsgrad gleich oder niedriger als 25% ist, und der Auffrischungsprozess mit einer derartigen Auffrischungsspannung kann einen Typ-1 Oxidbelag entfernen, der später beschrieben werden wird.
Wenn der Bremsgrad größer als 25% und gleich oder kleiner als 50% ist, ist die Auffrischungsspannung 0,4 V (nachfolgend als „Muster V2“ bezeichnet), und der Auffrischungsprozess mit einer derartigen Auffrischungsspannung kann einen Typ-II Oxidbelag entfernen, der später beschrieben werden wird. Wenn der Bremsgrad größer als 50% ist, ist die Auffrischungsspannung 0,05 V (nachfolgend als „Muster V3“ bezeichnet), und der Auffrischungsprozess mit einer derartigen Auffrischungsspannung kann einen Typ-III Oxidbelag entfernen, der später beschrieben werden wird.
Der Typ-I Oxidbelag, der Typ-II Oxidbelag und der Typ-III Oxidbelag sind als Beläge bekannt, die in einem vermischten Zustand in einem einzigen Oxidbelag vorliegen können. Wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels auf einer konstanten Oxidbelagbildungsspannung (Oxidationsspannung) gehalten wird, ist bekannt, dass die Anteile dieser drei Arten von Oxidbelägen im Gesamtoxidbelag allmählich variieren, je länger die Zeit geht, wie beispielsweise in 8 gezeigt ist. Darüber hinaus ist bekannt, dass die Größen ihrer Reduzierungsspannungen die nachfolgend dargestellte Beziehung zeigen.
Beziehung der Größe der Reduzierungsspannungen
Typ-I Oxidbelag (z.B. 0,65 V bis 0,9 V) > Typ-II Oxidbelag (z.B. 0,4 V bis 0,6 V) > Typ-III Oxidbelag (z.B. 0,05 V bis 0,4 V)
Zudem ist bekannt, dass die jeweiligen Anteile des Typ-I Oxidbelags, des Typ-II Oxidbelags und des Typ-III Oxidbelags im Gesamtoxidbelag allmählich variieren, je öfter die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 eine vorgegebene Grenzspanne (z.B. 0,8 V) während ihres Ansteigens und Abnehmens (nachfolgend als „Zykluszahl“) übersteigt, wie beispielsweise in 9 dargestellt ist (der Typ-III Oxidbelag ist in 9 nicht dargestellt).
Bei dieser Ausführungsform wird die Auffrischungsspannung entsprechend dem Bremsgrad verändert, in anderen Worten, entsprechend dem Niveau der Möglichkeit, dass das Gaspedal bald niedergedrückt wird und die Menge an Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt werden muss, zunimmt. Beispielsweise kann, beim Muster V1, bei welchem der Bremsgrad relativ gering ist, davon ausgegangen werden, dass die Möglichkeit des Niederdrückens des Gaspedals verglichen zu den Mustern V2 und V3 relativ hoch ist. Daher wird hier mehr Augenmerk darauf gelegt, den Einfluss auf die Fahrbarkeit zu minimieren, und die Auffrischungsspannung wird entsprechend auf den höchsten Wert gesetzt, so dass nur der Typ-I Oxidbelag entfernt werden kann.
Dagegen kann beim Muster V3, bei welchem der Bremsgrad relativ hoch ist, davon ausgegangen werden, dass die Möglichkeit des Niederdrückens des Gaspedals verglichen zu den Mustern V1 und V2 relativ gering ist, so dass nicht so viel Augenmerk auf den Einfluss auf die Steuerbarkeit bzw. Fahrbarkeit gelegt werden muss und stattdessen mehr Augenmerk auf das Maximieren der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a gelegt werden kann. Die Auffrischungsspannung wird dementsprechend auf den niedrigsten Wert gesetzt, um dadurch das Entfernen des Typ-I Oxidbelags, Typ-II Oxidbelags und Typ-III Oxidbelags zu ermöglichen.
Im dazwischenliegenden Muster V2 ist die Möglichkeit des Niederdrückens des Gaspedals niedriger als im Muster V1 jedoch nicht so niedrig wie in Muster V3. Um somit ein größtmögliches Gleichgewicht zwischen dem Einfluss auf die Fahrbarkeit und die Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a zu schaffen, wird die Auffrischungsspannung auf einen Wert zwischen der Spannung von Muster V1 und der Spannung von Muster V2 gesetzt, um dadurch ein Entfernen des Typ-I Oxidbelags und des Typ-II Oxidbelags zu ermöglichen.
(Änderung der Auffrischungszeitspanne)
Wenn beispielsweise, wie in 7 gezeigt ist, der Bremsgrad gleich oder niedriger als 10% ist, ist die Auffrischungszeitspanne 0,5 Sekunden (nachfolgend als „Muster T1“ bezeichnet), wenn der Bremsbetrag größer als 10% und gleich oder kleiner als 30% ist, ist die Auffrischungszeitspanne 1 Sekunde (nachfolgend als „Muster T2“ bezeichnet), und wenn der Bremsgrad größer als 30% ist, ist die Auffrischungszeitspanne 3 Sekunden (nachfolgend als „Muster T3“ bezeichnet).
Bei dieser Ausführungsform wird die Auffrischungszeitspanne entsprechend dem Bremsgrad verändert, in anderen Worten, entsprechend der Möglichkeit, dass das Gaspedal bald niedergedrückt wird und die von dem Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugende geforderte elektrische Leistung zunimmt. Beispielsweise kann, beim Muster T1, in welchem der Bremsgrad relativ niedrig ist, davon ausgegangen werden, dass die Wahrscheinlichkeit für das Niederdrücken des Gaspedals im Vergleich zu den Mustern T2 und T3 relativ hoch ist. Daher wird hier mehr Augenmerk darauf gelegt, den Einfluss auf die Steuerbarkeit bzw. Fahrbarkeit zu minimieren und die Auffrischungszeitspanne wird entsprechend auf den kürzesten Wert gesetzt.
In Muster T3 dagegen, in welchem der Bremsgrad relativ hoch ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Möglichkeit des Niederdrückens des Gaspedals verglichen zu den Mustern T1 und T2 relativ gering ist, so dass dem Einfluss auf die Fahrbarkeit nicht so viel Aufmerksamkeit zugemessen wird und stattdessen mehr Augenmerk auf das Maximieren der Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a gelegt wird und die Auffrischungszeitspanne dementsprechend auf den längsten Wert eingestellt wird.
Im dazwischenliegenden Muster T2 ist die Möglichkeit, dass das Gaspedal gedrückt wird, niedriger als beim Muster T1 aber nicht so niedrig wie beim Muster T3. Um daher den Einfluss auf die Fahrbarkeit und die Leistungswiederherstellung der Katalysatorschicht 24a größtmöglich ins Gleichgewicht zu bringen, wird die Auffrischungszeitspanne auf einen Wert zwischen dem Wert aus Muster T1 und dem Wert aus Muster T2 gesetzt.
Bei dieser Ausführungsform steigt die Menge des entfernten Oxidbelags in der Reihenfolge der Muster T1, Muster T2 und Muster T3. In anderen Worten, in einer Situation, bei welcher die Abnahme der Fahrbarkeit zu berücksichtigen ist (Muster T1), wird die Zeitspanne zum Halten der Zellspannung auf einem niedrigen Wert so kurz wie möglich gewählt, um dadurch der Fahrbarkeit Priorität zuzumessen; hingegen wird in einer Situation, bei welcher der Verschlechterung der Fahrbarkeit nicht so viel Beachtung beigemessen wird (Muster T3), die Zeitspanne zum Halten der Zellspannung auf einem niedrigen Wert lang, so dass dementsprechend der Maximierung der Menge des entfernten Oxidbelags Priorität zugemessen wird.
Der Auffrischungsprozess kann durch Kombinieren der vorstehenden Beispiele aus den 6 und 7 ausgeführt werden.
Beispielsweise kann der Auffrischungsprozess dadurch ausgeführt werden, dass: die Auffrischungsspannung und die Auffrischungszeitspanne auf 0,6 V und 0,5 Sekunden gesetzt werden, wenn der Bremsgrad kleiner oder gleich als 10% ist; die Auffrischungsspannung und die Auffrischungszeitspanne auf 0,6 V und 1 Sekunde gesetzt werden, wenn der Bremsgrad größer als 10% und kleiner oder gleich 25% ist; die Auffrischungsspannung und die Auffrischungszeitspanne auf 0,4 V und 1 Sekunde gesetzt werden, wenn der Bremsgrad größer als 25% und kleiner oder gleich als 30% ist; die Auffrischungsspannung und die Auffrischungszeitspanne auf 0,4 V und 3 Sekunden gesetzt werden, wenn der Bremsgrad größer als 30% und kleiner oder gleich 50% ist, und die Auffrischungsspannung und Auffrischungszeitspanne auf 0,05 V und 3 Sekunden gesetzt werden, wenn der Bremsgrad größer als 50% ist.
Eine jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschreibt ein Beispiel, bei welchen der Zeitpunkt der Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle 20 gemäß den Bremsgrad im Brennstoffzellenfahrzeug, bei welchem das Brennstoffzellensystem 10 installiert ist, vorhergesagt wird; der Weg der Vorhersage des Zeitpunkts einer Anforderung nach einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle 20 ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Beispielsweise kann der Zeitpunkt einer Anfrage nach einer Ausgabeerhöhung basierend auf der Annahme, dass der Bremsgrad 100% ist, vorhergesagt werden, wenn der Schalthebel in der P-, N- oder B-Stellung ist.
Eine jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschreibt ein Beispiel, bei welchem das Brennstoffzellensystem 10 als Fahrzeugbasiertes Stromversorgungssystem genutzt wird, jedoch ist die Verwendung des Brennstoffzellensystems 10 hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem als Stromquelle für andere bewegliche Objekte (Roboter, Schiffe, Flugzeuge, etc.) als Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorstehenden Ausführungsformen kann zudem als Stromerzeugungsaggregat (stationäres Stromversorgungssystem) für Häuser und Gebäude, etc. verwendet werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10) aufweisend: eine Brennstoffzelle (20) mit einer Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden, die jeweils eine Katalysatorschicht aufweisen, an beiden Seiten einer Polymerelektrolytmembran angeordnet sind; und eine Steuervorrichtung (60), die ausgestaltet ist, um: einen Leistungswiederherstellungsprozess für die Katalysatorschicht durch Absenken einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine vorgegebene Reduzierungsspannung auszuführen, und einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) vorherzusagen und die Notwendigkeit und den Umfang des Leistungswiederherstellungsprozesses basierend auf einem Vorhersageergebnis zu bestimmen, wobei ein erster Oxidbelag, der durch Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine erste Reduzierungsspannung entfernt werden kann, und ein zweiter Oxidbelag, der nur nach Absenken der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf eine zweite Reduzierungsspannung entfernt werden kann, die niedriger als die erste Reduzierungsspannung ist, in einem vermischten Zustand in einem Oxidbelag vorliegen, der auf der Katalysatorschicht während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (20) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um, wenn eine Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, bevor eine erste vorgegebene Zeitspanne vergangen ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf die erste Reduzierungsspannung zu senken; wohingegen die Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um, wenn die Anforderung der Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) für einen Zeitpunkt vorhergesagt wird, nachdem die erste vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nachdem eine zweite vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, welche länger als die erste vorgegebene Zeitspanne ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf die zweite Reduzierungsspannung zu senken.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (20) auf die zweite Reduzierungsspannung zu senken, wenn eine Ausgabeanforderung an die Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei dieses in einem Brennstoffzellenfahrzeug als Fahrzeugbasierte Stromquelle installiert ist, und wobei die Steuervorrichtung (60) ausgestaltet ist, um einen Zeitpunkt einer Anforderung einer Ausgabeerhöhung an die Brennstoffzelle (20) basierend auf einem Bremsgrad vorherzusagen.