DE102005052019B4

DE102005052019B4 - Verfahren zum Steuern/Regeln eines Leerlaufstopps eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102005052019B4
Application number: DE102005052019.7A
Authority: DE
Inventors: Daishi Igarashi; Yoshikazu Murakami; Junji Uehara; Kenichiro Ueda; Dai Saitoh; Chihiro Wake
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: US20060093880A1; US7618728B2; DE102005052019A1

Abstract

Verfahren zum Steuern/Regeln des Leerlaufstopps eines Brennstoffzellensystems (1; 101), welches umfasst: ein Brennstoffgas-Zuleitungsmittel (5; 104, 104a, 141, 141a) zum Zuleiten von Brennstoffgas; ein Oxidationsgas-Zuleitungsmittel (6; 106, 106a, 161, 161a) zum Zuleiten von Oxidationsgas; eine Brennstoffzelle (3; 102), welcher das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zum Erzeugen von Elektrizität zugeleitet werden; und ein Leerlaufstoppmittel (9; 185) zum Stoppen der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3; 102), um einen Leerlaufstopp durchzuführen, wobei die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von einzelnen Zellen enthält und das Brennstoffzellensystem (101) ferner ein Spannungsmessmittel (103) zum Erfassen einer Spannung jeder einzelnen Zelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren dann, wenn eine Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung kleiner oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert ist, die folgenden Schritte ausführt: Berechnen einer Spannungsabweichung, welche eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung und einem Spannungsmittelwert einer Mehrzahl der einzelnen Zellen oder eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit höchster Spannung unter allen einzelnen Zellen und einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung unter allen einzelnen Zellen ist, Unterscheiden einer unnormalen Spannungsabnahme (Ursache 1) von einer normalen Spannungsabnahme (Ursache 2) durch Bestimmen einer unnormalen Spannungsabnahme (Ursache 1), wenn die Spannungsabweichung größer als ein vorbestimmter zweiter Schwellwert ist, ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leerlaufstopp-Steuer-/Regeltechnik zum Stoppen der Erzeugung von Elektrizität eines Brennstoffzellensystems, welches an einem beweglichen Körper mit eingebauter Brennstoffzelle, wie etwa Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen, angebracht ist.
Zur Verbesserung der Kraftstoffökonomie wird für ein Brennstoffzellenfahrzeug, an welchem ein Brennstoffzellensystem angebracht ist, eine sogenannte Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung ausgeführt.
Die Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung wird beispielsweise durch Stoppen eines Teils von Zubehörteilen zum Zuleiten von Reaktionsgas zu der Brennstoffzelle, wie einem Kompressor, während des Stopps des Fahrzeugs ausgeführt. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2001-359204 A (siehe Absätze [0026] bis [0038] und 1–5) eine derartige Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung.
Selbst dann, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug anhält, ist ein Leerlaufstopp jedoch in einigen Fällen nicht erwünscht. Die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2004-173450 A offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches die Fälle bestimmt, in denen Leerlaufstopp nicht gewünscht ist und den Stopp der Zufuhr von Reaktionsgas verhindert, d. h. den Leerlaufstopp verhindert. In diesem Brennstoffzellenfahrzeug wird die elektrische Spannung einer jeden einzelnen Zelle, die Teil der Brennstoffzelle ist, erfasst, und wenn die elektrische Spannung absinkt, so wird der Leerlauf stopp verhindert.
Wenn in dem oben genannten Brennstoffzellensystem der Leerlaufstopp während einer Zeit ausgeführt wird, zu der die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle niedrig ist, so wird die Beschleunigung des Aufwärmbetriebs in nachteiliger Weise unterbrochen. Dies verlängert einen Zustand instabiler Zellenspannung, was zu einem Nachteil dahingehend führt, dass eine Reaktion auf einen Neustart aus dem Leerlauf heraus nur langsam stattfindet und dass ein ruhiges Laufen des beweglichen Körpers mit eingebauter Brennstoffzelle beeinträchtigt ist. Ferner wird ein Zustand schlechter Fahreigenschaften fortgesetzt. Ein Leerlaufstopp ist jedoch im Hinblick auf die Verbesserung der Kraftstoffökonomie notwendig.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 2004-173450 A bekannt.
Aus der EP 1 339 124 A1 und der EP 1 410 456 B1 ist es bekannt, dass die Überwachung der Elektrodenspannung ein geeignetes Mittel zur Beurteilung des Zustandes einer Brennstoffzelle ist.
Es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Leerlaufstopps eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welches geeignete Bedingungen zur Verhinderung eines Leerlaufstopps besser festlegt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindunsgemäße Verfahren des Steuerns/Regelns des Leerlaufstopps eines Brennstoffzellensystems umfasst: ein Brennstoffgas-Zuleitungsmittel zum Zuleiten von Brennstoffgas; ein Oxidationsgas-Zuleitungsmittel zum Zuleiten von Oxidationsgas; eine Brennstoffzelle, welcher das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zum Erzeugen von Elektrizität zugeleitet werden; und ein Leerlaufstoppmittel zum Stoppen der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle, um einen Leerlaufstopp durchzuführen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: einen ersten Schritt des Bestimmens, ob die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle instabil ist; und einen zweiten Schritt zum Verhindern des Leerlaufstopps durch das Leerlaufstoppmittel, wenn das Instabilitätszustands-Erfassungsmittel erfasst, dass die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle instabil ist, sodass die Brennstoffzelle die Erzeugung von Elektrizität fortsetzt.
Die Brennstoffzelle enthält eine Mehrzahl von einzelnen Zellen und das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Spannungsmessmittel zum Erfassen einer Spannung jeder einzelnen Zelle. Der erste Schritt umfasst ferner die folgenden Schritte: Berechnen einer Spannungsabweichung, die eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung und einem Spannungsmittelwert einer Mehrzahl der einzelnen Zellen ist, oder eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit der höchsten Spannung unter allen einzelnen Zellen und einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung unter allen einzelnen Zellen ist.
Das Brennstoffzellensystem kann ein Temperaturmessmittel umfassen zum Erfassen einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und eine Erfassung kann im ersten Schritt nach Maßgabe der durch das Temperaturmessmittel erfassten Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und einer ersten vorbestimmten Temperatur, unterhalb welcher eine Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle instabil wird, ausgeführt werden.
In dem erwähnten Steuer-/Regelverfahren wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle beim Leerlaufstopp bzw. bei einer Leerlaufstoppanforderung der Brennstoffzelle erfasst und nach Maßgabe der erfassten Betriebstemperatur wird die Brennstoffzelle vorzugsweise im Elektrizitätserzeugungszustand gehalten und der Leerlaufstoppzustand wird vermieden. Es ist daher möglich, das Brennstoffzellensystem derart zu verbessern, dass eine Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle nicht instabil wird.
Da die Brennstoffzelle stabil Elektrizität erzeugt und der bewegliche Körper mit eingebauter Brennstoffzelle sich ruhig/problemlos bewegen kann, ist es möglich, die Fahrcharakteristiken des beweglichen Körpers mit eingebauter Brennstoffzelle beizubehalten und eine Beeinträchtigung der Fahreigenschaften zu verhindern.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner ein Elektrizitätsspeichermittel zum Speichern von durch die Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie umfassen. Das Elektrizitätsspeichermittel speichert elektrische Energie von der Brennstoffzelle, wenn die Spannung des Elektrizitätsspeichermittels niedriger ist als die Spannung der Brennstoffzelle.
Ferner ist es möglich, die Verursachung einer Verringerung der Zellenspannung zu untersuchen und einen Leerlaufstopp geeignet zu verhindern. Im Ergebnis kann ein effektiver Betrieb der Brennstoffzelle und eine Verbesserung der Kraftstoffökonomie erzielt werden.
Das Elektrizitätsspeichermittel kann ein Kondensator sein.
Ferner kann die Verhinderung des Leerlaufstopps zu demjenigen Zeitpunkt aufgehoben werden, wenn die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle stabil wird.
Die Erzeugung von Elektrizität kann zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt werden, wenn nach der Ausführung der Verhinderung des Leerlaufstopps eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.
Außerdem kann die Erzeugung von Elektrizität zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt werden, wenn nach der Verhinderung der Ausführung des Leerlaufstopps eine vorbestimmte Anzahl von Spülungen durchgeführt worden ist.
Ferner kann die Erzeugung von Elektrizität zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt werden, wenn nach der Ausführung der Verhinderung des Leerlaufstopps für eine vorbestimmte Zeitdauer ein Betrieb ausgeführt wurde, in welchem das Brennstoffgas oder/und das Oxidationsgas der Brennstoffzelle in einer Menge zugeleitet wurde, die größer ist als eine normale Zuleitungsmenge.
Demgemäß ist es möglich, die Verhinderung des Leerlaufstopps zu geeigneter Zeit aufzuheben.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich. Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden deutlicher, indem illustrative, nicht beschränkende Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben werden, wobei in den Zeichnungen:
1 eine Blockdarstellung ist, die die Konstruktion eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform erläutert;
2 ein Flussdiagramm ist, welches Abläufe für die durch die ECU von 1 durchgeführte Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung erläutert;
3 eine Blockdarstellung ist, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
4 ein Flussdiagramm ist, welches das Verfahren des Steuerns/Regelns der Brennstoffzelle von 3 erläutert.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nachfolgend eine erste und eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen wird die Beschreibung auf ein Brennstoffzellenfahrzeug als Beispiel eines beweglichen Körpers mit eingebauter Brennstoffzelle gerichtet. Wenngleich auf eine Beschreibung verzichtet wird, kann die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Schienenfahrzeug, Schiffe usw. oder auf andere Einbaugerätschaften, welche ihren Antrieb/ihre Energie aus durch eine Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie entnehmen, angewendet werden, sofern eine Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung durchgeführt wird.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform ist das Instabilitätszustands-Erfassungsmittel aus einer ECU (Electronic Contol Unit, elektronische Steuer-/Regeleinheit) gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
KONSTRUKTION DES BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUGS
Unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte Blockdiagramm wird die Konstruktion eines Brennstoffzellenfahrzeugs 1 beschrieben.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 enthält Lasten 2, wie etwa eine Energiequelle/Antriebsquelle zur Bewegung einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt), eine Brennstoffzelle 3, welche den Lasten 2 elektrische Energie zuführt, ein Kühlmittelzuleitungssystem 4, welches der Brennstoffzelle 3 Kühlmittel zuleitet, ein Wasserstoffzuleitungssystem 5, welches der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff zuleitet, sowie ein Luftzuleitungssystem 6, welches der Brennstoffzelle 3 Luft zuleitet.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 enthält außerdem ein Temperaturmessmittel zum Erfassen einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 (Einlasswasserstoff-Temperatursensor 32, Auslasswasserstoff-Temperatursensor 33, Einlasswasser-Temperatursensor 34, Auslasswasser-Temperatursensor 35 sowie Auslassluft-Temperatursensor 36).
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 enthält einen Zellspannungsdetektor 7 und einen Ejektor 8.
Ferner ist das Brennstoffzellenfahrzeug 1 mit einer ECU (Electronic Control Unit, elektronische Steuer-/Regeleinheit) 9 versehen. Die ECU 9 ist mit den Lasten 2, der Brennstoffzelle 3, dem Kühlmittelzuleitungssystem 4, dem Wasserstoffzuleitungssystem 5 und dem Luftzuleitungssystem 6 per Signalleitung verbunden und kommuniziert (sendet und empfängt Daten) mit diesen, um das gesamte System zu steuern/regeln sowie um zu bestimmen, ob der Leerlaufstopp ausgeführt werden sollte.
LASTEN
Lasten 2 sind eine Energiequelle/Antriebsquelle, welche von der Brennstoffzelle 3 zugeführte elektrische Energie verbraucht und das Brennstoffzellenfahrzeug 1 bewegt. Die Lasten 2 enthalten einen Wechselrichter 21, einen Antriebsmotor 22 und Zubehörteile 23.
Der Wechselrichter 21 ist elektrisch mit dem Antriebsmotor 22 verbunden. Der Wechselrichter 21 wandelt von der Brennstoffzelle 3 zugeleitete elektrische Energie von Gleichstrom in Wechselstrom und leitet diesen dem Antriebsmotor 22 zu.
Der Antriebsmotor 22 wird durch die von dem Wechselrichter 21 zugeleitete elektrische Energie gedreht und überträgt Antriebskraft über ein Getriebe (nicht gezeigt) und dgl. auf Räder (nicht gezeigt), um das Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu bewegen.
Zubehörteile 23 sind mit der Brennstoffzelle 3 in einer solchen Weise verbunden, dass sie parallel zum Wechselrichter 21 geschaltet sind, und sie verbrauchen elektrische Energie. Zubehörteile 23 sind elektrische Gerätschaften, wie etwa elektrische Erzeugnisse, einschließlich Frontscheinwerfer und ECU.
BRENNSTOFFZELLE
Die Brennstoffzelle 3 umfasst eine Mehrzahl von als Stapel übereinander geschichteten Zellen, wobei jede Zelle einen Anodenpol 3a, einen Kathodenpol 3b sowie eine zwischen dem Anodenpol 3a und dem Kathodenpol 3b aufgenommene Festpolymer-Elektrolytmembran 3c. Die Konstruktion der Brennstoffzelle 3 ist schematisch in 1 gezeigt. Über das Wasserstoffzuleitungssystem 5 wird dem Anodenpol 3a der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff zugeführt und über das Luftzuleitungssystem 6 wird dem Kathodenpol 3b der Brennstoffzelle 3 Luft zugeführt. Ferner wird der Brennstoffzelle 3 über das Kühlmittelzuleitungssystem 4 Kühlmittel zugeführt.
Wenn der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff und Luft als Reaktionsgas von dem Wasserstoffzuleitungssystem 5 und dem Luftzuleitungssystem 6 zugeführt werden, so wird Wasserstoff an einer Reaktionsfläche (nicht gezeigt) des Anodenpols 3a ionisiert und wandert durch die Polymer-Elektrolytmembran 3c zum Kathodenpol 3b. So erzeugte Elektronen werden abgezogen und den Lasten 2 als elektrische Gleichstromenergie zugeführt.
TEMPERATURMESSMITTEL
Wie zuvor beschrieben wurde, umfasst das Temperaturmessmittel den Einlasswasserstoff-Temperatursensor 32, den Auslasswasserstoff-Temperatursensor 33, den Einlasswasser-Temperatursensor 34, den Auslasswasser-Temperatursensor 35 und den Auslassluft-Temperatursensor 36. Die Beziehungen zwischen der durch jeden der Sensoren erfassten Temperatur und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 wurden im Vorfeld durch Experimente und dgl. ermittelt Wie später beschrieben wird, steuert/regelt die ECU 9 den Leerlaufstopp auf Grundlage der Beziehungen zwischen einem erfassten Wert eines jeden Sensors und der Betriebstemperatur, bei welcher die Brennstoffzelle 3 den Leerlaufbetrieb stoppt. Es wird nun jeder Sensor beschrieben.
Der Einlasswasserstoff-Temperatursensor 32 erfasst eine Temperatur TH2IN des Wasserstoffs, der von dem Wasserstoffzuleitungssystem 5 zugeleitet wird und in den Einlass der Brennstoffzelle 3 strömt. Ein Teil des aus dem Auslass der Brennstoffzelle 3 ausgelassenen Wasserstoffs strömt in den Ejektor 8 und anschließend wieder in den Einlass der Brennstoffzelle 3. Aus diesem Grund variiert die Temperatur TH2IN entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3. Wenn insbesondere die Brennstoffzelle 3 nicht ausreichend aufgewärmt ist, so ist die Temperatur des Wasserstoffs niedrig. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 kann durch Erfassen der Temperatur des Wasserstoffs am Einlass bestimmt werden. Daher kann die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 aus der Temperatur TH2IN bestimmt werden.
Der Auslasswasserstoff-Temperatursensor 33 erfasst die Temperatur TH2OUT von Wasserstoff, der aus dem Auslass der Brennstoffzelle 3 ausgelassen wird. Die Temperatur TH2OUT variiert entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 und kann somit zur Bestimmung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 verwendet werden.
Der Einlasswasser-Temperatursensor 34 erfasst die Temperatur TWIN von Kühlmittel, welches von dem Kühlmittelzuleitungssystem 4 zugeleitet wird und in den Einlass der Brennstoffzelle 3 strömt. In dem Fall, dass aus dem Auslass der Brennstoffzelle 3 ausgelassenes Kühlmittel in das Kühlmittelzuleitungssystem 4 zurückkehrt und gekühlt wird, bevor es der Brennstoffzelle 3 zugeleitet wird, so variiert die Temperatur TWIN entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3, wenn die Kühlkapazität des Kühlmittelzuleitungssystems 4 unverändert bleibt. Wenn die Brennstoffzelle 3 nicht ausreichend aufgewärmt ist, so ist die Temperatur des Kühlmittels niedrig. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 kann durch Erfassen der Temperatur des Kühlmittels am Einlass bestimmt werden. Somit kann die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 aus der Temperatur TWIN bestimmt werden.
Der Auslasswasser-Temperatursensor 35 erfasst die Temperatur TWOUT von Kühlmittel, welches in der Brennstoffzelle 3 strömt und aus dem Auslass ausgelassen wird. Die Temperatur TWOUT variiert ebenfalls entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 und kann somit zur Bestimmung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 verwendet werden.
Der Auslassluft-Temperatursensor 36 erfasst die Temperatur TAOUT von Luft, welche aus dem Luftzuleitungssystem 6 heraus zugeleitet wird, durch die Brennstoffzelle strömt und aus dem Auslass ausgelassen wird. Die Temperatur TAOUT variiert ebenfalls entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 und kann somit zur Bestimmung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 verwendet werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform fünf Temperaturmessmittel, wie etwa der Einlasswasserstoff-Temperatursensor 32, der Auslasswasserstoff-Temperatursensor 33, der Einlasswasser-Temperatursensor 34, der Auslasswasser-Temperatursensor 35 und der Auslassluft-Temperatursensor 36, eingesetzt werden, so kann es doch möglich sein, wenigsten eine durch einen beliebigen dieser Sensoren erhaltene Temperatur zu erfassen.
Aus diesem Grund ist die folgende Beschreibung insbesondere für den Fall vorgesehen, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 aus der Temperatur TWOUT bestimmt wird, welche die durch den Auslasswasser-Temperatursensor 35 erfasste Temperatur des Kühlmittels ist. Die Betriebstemperatur kann jedoch aus einer der anderen Temperaturen TH2IN, TH2OUT, TWIN und TAOUT bestimmt werden und auf eine detaillierte Beschreibung darüber wird verzichtet.
Ferner können anstelle der Bestimmung der Betriebstemperatur auf Grundlage einer beliebigen der oben genannten Temperaturen wenigstens zwei dieser Temperaturen verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Leerlaufstopp ausgeführt werden sollte.
ZULEITUNGSSYSTEME FÜR KÜHLMITTEL, WASSERSTOFF UND LUFT
Das Kühlmittelzuleitungssystem 4 stellt eine Zirkulation und eine Zuleitung von Kühlmittel für die Kühlung der Brennstoffzelle 3 bereit. Das Kühlmittelzuleitungssystem 4 enthält Kühleinrichtungen (nicht gezeigt) zum Kühlen des Kühlmittels, das zirkulieren gelassen und von der Brennstoffzelle 3 zurückgeführt wird, sowie eine Kühlpumpe (nicht gezeigt). Das Kühlmedium ist nicht auf ein Kühlmittel oder auf Kühlwasser beschränkt, sofern es die Brennstoffzelle 3 kühlen kann.
Das Wasserstoffzuleitungssystem 5 leitet Wasserstoff dem Anodenpol 3a der Brennstoffzelle 3 zu. Das Wasserstoffzuleitungssystem 5 ist mit einem Hochdruck-Wasserstoffspeichertank (nicht gezeigt) zum Speichern von Wasserstoff bei hohen Drücken ausgestattet.
Von dem gesamten, aus der Brennstoffzelle 3 ausgelassenen Wasserstoff wird Wasserstoff, der nicht zum Ejektor 8 zurückgeführt wird, mit aus er Brennstoffzelle 3 ausgelassener Luft in einem Verdünnungskasten (nicht gezeigt) gemischt, um die Konzentration zu reduzieren, und wird zur Außenluft hin ausgelassen.
Das Luftzuleitungssystem 6 leitet Luft (Sauerstoff) als Oxidationsmittel dem Kathodenpol 3b der Brennstoffzelle 3 zu. Das Luftzuleitungssystem 6 ist mit einem Luftkompressor (nicht gezeigt) ausgestattet.
ZELLSPANNUNGSDETEKTOR UND EJEKTOR
Der Zellspannungsdetektor 7 erfasst die Spannung einer jeden der Mehrzahl von Zellen, die Teil der Brennstoffzelle 3 sind. Erfasste Zellspannungen werden durch die ECU 9 überwacht.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung, wie später beschrieben wird, die ECU 9 den Leerlaufstoppzustand entsprechend der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 steuert/regelt, ist es möglich, zu verhindern, dass die Zellspannung der gesamten Brennstoffzelle 3 instabil ist. Somit können durch den Zellspannungsdetektor 7 erfasste Zellspannungen als Bezugsgröße verwendet werden, um zu erfassen, ob die ECU 9 den Leerlaufstopp normal steuert/regelt. Die ECU 9 stoppt den Leerlauf nicht, wenn die Zellspannung der Brennstoffzelle 3 instabil ist.
Der Ejektor 8 sammelt Wasserstoff, der nicht durch die Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle 3 verbraucht wurde. Der Ejektor 8 wird zum Zwecke der Verbesserung der Ausnutzungsrate von Wasserstoff eingesetzt.
Wie zuvor beschrieben wurde, bestimmt die ECU (Steuer-/Regeleinrichtung (Leerlaufstoppmittel; Instabilitäts-Erfassungsmittel)) 9, ob der Leerlaufstopp ausgeführt werden sollte oder nicht. Die ECU 9 führt die folgenden Schritte aus. Die ECU 9 überwacht die Ausgabe des Zellspannungsdetektors 7 und führt einen Schritt des Bestimmens aus, ob die Brennstoffzelle 3 Elektrizität erzeugt oder nicht. Die ECU 9 emfängt außerdem Signale für den Beschleunigungspedal-Öffnungsgrad AP und für die Öffnung und das Schließen des Zündschalters IG und auf Grundlage dieser Signale führt die ECU 9 einen Schritt des Bestimmens aus, ob eine Leerlaufstoppanforderung vorliegt oder nicht. Ferner führt die ECU 9 einen Schritt des Überwachens aus, beispielsweise der Temperatur TWOUT, die durch das Temperaturmessmittel, wie etwa den Auslasswasser-Temperatursensor 35, als Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 erfasst wurde.
Die ECU 9 liest ferner einen Schwellwert der Betriebstemperatur (erste vorbestimmte Temperatur) aus einem Speicher (nicht gezeigt) aus. Die erste vorbestimmte Temperatur ist die Minimaltemperatur, die zur stabilen Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle 3 benötigt wird. In dieser Ausführungsform wird die erste vorbestimmte Temperatur als Temperatur gesetzt, die der durch den Auslasswasser-Temperatursensor 35 erfassten Temperatur TWOUT zugeordnet ist.
LEERLAUFSTOPP-STEUERUNG/REGELUNG
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 und teilweise 1 werden nachfolgend Abläufe der Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung beschrieben, die durch die ECU 9 ausgeführt werden.
Die ECU 9 überwacht die Ausgabe des Zellspannungsdetektors 7 und bestimmt, ob die Brennstoffzelle 3 Elektrizität erzeugt oder nicht (S1). Wenn die Brennstoffzelle 3 Elektrizität erzeugt (S1, Ja), so bestimmt die ECU 9, ob eine Leerlaufstoppanforderung vorliegt oder nicht (S2). Signale, wie etwa der Beschleunigungpedal-Öffnungsgrad AP und das Bremssignal, können als Leerlaufstopp-Anforderungssignal verwendet werden. Wenn beispielsweise das Beschleunigungspedal nicht gedrückt ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit bei auf EIN geschalteter Bremse bei 0 km/h liegt, so kann ein Leerlaufstopp ausgeführt werden.
Wenn eine Leerlaufstoppanforderung vorliegt (S2; Ja), so bestimmt die ECU 9, ob oder ob nicht der Fall gegeben ist, dass die Betriebstemperatur nicht geringer ist als die erste vorbestimmte Temperatur (Betriebstemperatur erste vorbestimmte Temperatur) (S3). Wenn die durch den Auslasswasser-Temperatursensor 35 erfasste Temperatur TWOUT (Betriebstemperatur) nicht niedriger ist als die erste vorbestimmte Temperatur (S3; Ja), so sendet die ECU eine Leerlaufstopp-Zulassungsanweisung und versetzt die Brennstoffzelle 3 in einen Leerlaufstoppzustand (S4). Wenn die durch den Auslasswasser-Temperatursensor 35 erfasste Temperatur TWOUT (Betriebstemperatur) niedriger ist als die erste vorbestimmte Temperatur (S3; Nein), so sendet die ECU 9 eine Leerlaufstopp-Verhinderungsanweisung und verhindert den Leerlaufstopp der Brennstoffzelle 3. Die ECU versetzt die Brennstoffzelle 3 vorzugsweise in den Elektrizitätserzeugungszustand anstatt die Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung auszuführen. Dies kann das Aufwärmen der Brennstoffzelle beschleunigen, sodass sich das Brennstoffzellenfahrzeug 1 ruhig/problemlos bewegen kann.
Wenn die Brennstoffzelle 3 keine Elektrizität erzeugt (S1; Nein), so bestimmt die ECU 9, dass sich die Brennstoffzelle 3 in einem Leerlaufstoppzustand befindet und beendet den Ablauf. Wenn ferner keine Leerlaufstoppanforderung vorliegt (S2; Nein), so beendet die ECU 9 den Ablauf, da die Brennstoffzelle 3 Elektrizität erzeugt (S1; Ja) und das Brennstoffzellenfahrzeug 1 fährt.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
In einer mit einer Brennstoffzelle, Lasten und einem Elektrizitätsspeichermittel (Batterie, Kondensator oder dgl.) ausgestatteten Brennstoffzellensystem fällt die Spannung einzelner Zellen, die Teil der Brennstoffzelle bilden, aus den folgenden beiden Ursachen (Ursache 1 und Ursache 2) ab. Die Leerlaufstopp-Steuerung/Regelung kann korrekt verhindert werden, wenn diese Ursachen bestimmt werden.
Genauer gesagt ist die Spannung (Zellspannung) zwischen einer einzelnen Zelle, deren elektrische Pole mit ausreichend Reaktionsgas (Brennstoffgas, Oxidationsgas) versorgt sind, und einer einzelnen Zelle, deren elektrische Pole in unzureichendem Maß mit Reaktionsgas versorgt sind, verschieden. In einer einzelnen Zelle, deren elektrische Pole mit unzureichender Menge an Reaktionsgas versorgt sind, ist die Spannung relativ niedrig. Wenn beispielsweise der elektrische Pol/die elektrischen Pole einer einzelnen Zelle mit Wasser bedeckt ist/sind, so stellt sich eine unzureichende Zufuhr von Reaktionsgas zu der Elektrode ein und die Spannung der einzelnen Zelle nimmt ab. Dies wird unter Ursache 1 klassifiziert.
Normalerweise wird Wasser aus der einzelnen Zelle durch eine Luftströmung des zugeleiteten Reaktionsgases ausgelassen. Wenn jedoch der Leerlaufstopp ausgeführt wird und die Zuleitung von Reaktionsgas gestoppt wird, so wird Wasser nicht durch die Luftströmung des zugeleiteten Reaktionsgases ausgelassen. Da innerhalb der einzelnen Zelle verbleibendes Reaktionsgas in geringem Maße zur Entstehung von Wasser reagiert, wenngleich auch in geringer Menge, kann der elektrische Pol/können die elektrischen Pole weiter mit Wasser bedeckt werden. Dies führt zu einer weiteren Abnahme der Zellspannung und daher zu einer Fehlfunktion der Brennstoffzelle bei Beendigung des Leerlaufstopps und Neustart der Brennstoffzelle. Eine Abnahme der Spannung aufgrund der unzureichenden Zuleitung von Reaktionsgas, die insbesondere aus einer Wasserbedeckung der Elektrode/der Elektroden resultiert, tritt meistens für individuelle einzelne Zellen auf.
Wenn gleichzeitig das Brennstoffzellensystem mit einem Elektrizitätsspeichermittel ausgerüstet ist, in welchem Elektrizität durch die Brennstoffzelle gespeichert wird, so kann eine Abnahme der Zellspannung aus einer anderen als der oben genannten Ursache heraus auftreten, beispielsweise aufgrund von elektrischer Ladung für das Elektrizitätsspeichermittel. Dies wird unter Ursache 2 klassifiziert. Eine Abnahme der Zellspannung wegen des Elektrizitätsspeichermittels tritt nicht in einer bestimmten einzelnen Zelle, sondern statt dessen in allen einzelnen Zellen auf.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein solcher Unterschied, d. h. die normale Spannungsabnahme (Ursache 2) und die unnormale Spannungsabnahme (Ursache 1) auf Grundlage einer Spannungsabweichung (erste Spannungsabweichung) zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit einer niedrigen Spannung und dem Spannungsmittelwert der einzelnen Zellen oder auf Grundlage einer Spannungsabweichung (zweite Spannungsabweichung) zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit der höchsten Spannung und einer Spannung einer einzelnen Zelle mit der niedrigsten Spannung unterschieden und der Leerlaufstopp kann unter Berücksichtigung dieses Unterscheidungsergebnisses auf geeignete Weise verhindert werden. Ein Fehler bei der Verhinderung des Leerlaufstopps kann somit begrenzt werden, was zu einer Verbesserung der Kraftstoffökonomie führt.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Wie in 3 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem 101 gemäß dieser Ausführungsform an einem Brennstoffzellenfahrzeug angebracht. Das Brennstoffzellensystem 101 verhindert einen Leerlaufstopp, wenn ein Unterschied zwischen dem Spannungsmittelwert und der niedrigsten Zellspannung größer ist als ein erster Schwellwert (vorbestimmter Wert).
Das Brennstoffzellensystem 101 ist hauptsächlich gebildet aus einer Brennstoffzelle 102, einem Zellspannungsdetektor 103 zum Erfassen einer Spannung jeder einzelnen Zelle der Brennstoffzelle 102, einem Anodensystem zum Zuführen/Abführen von Wasserstoffgas als Brennstoffgas zu/von der Anode der Brennstoffzelle 102, einem Kathodensystem zum Zuleiten/Ableiten von Luft als Oxidationsgas zu/von der Kathode der Brennstoffzelle 102, ein Elektrizitätsspeichermittel 172, welches die Erzeugung von Elektrizität unterstützt, indem es die Lastschwankungen reduziert, die durch die Erzeugung von Elektrizität der Brennstoffzelle 102 verursacht werden, Lasten 171, welche durch die Brennstoffzelle 102 erzeugte elektrische Energie oder in dem Elektrizitätsspeichermittel 172 gespeicherte elektrische Energie verbrauchen, sowie eine Steuer-/Regeleinheit (ECU) 180 zum Steuern/Regeln dieser Komponenten. Das Brennstoffzellensystem 101 treibt Lasten 171 durch die durch die Brennstoffzelle 102 erzeugte elektrische Energie und die in dem Elektrizitätsspeichermittel 172 gespeicherte elektrische Energie an.
BRENNSTOFFZELLE
Die Brennstoffzelle 102 ist hauptsächlich aus einer Mehrzahl von einzelnen Zellen gebildet, von denen jede eine Anode (Kraftstoffpol), eine Kathode (Luftpol) und eine zwischen der Anode und der Kathode aufgenommene Elektrolytmembran aufweist. Die einzelnen Zellen sind durch Separatoren als Stapel übereinandergeschichtet. Jeder der Separatoren enthält eine Nut zum Zuführen von Reaktionsgas zur gesamten Fläche der Elektrolytmembran (Kraftstoffpol; Luftpol), ein Durchgangsloch zum Zuführen von Reaktionsgas zu jeder einzelnen Zelle, und dgl., welche als ein anodenseitiger Strömungsweg 104 und ein kathodenseitiger Strömungsweg 106 dienen. Wasserstoffgas strömt als Brennstoffgas durch den anodenseitigen Strömungsweg 104, um so der Anode jeder einzelnen Zelle zugeführt zu werden, und Luft strömt als Oxidationsgas durch den kathodenseitigen Strömungsweg 106, um so der Kathode jeder einzelnen Zelle zugeführt zu werden.
Wenn Wasserstoff einer jeden Anode und Luft einer jeden Kathode zugeführt werden, so tritt eine elektrochemische Reaktion zwischen jeder Anode und jeder Kathode auf, um dadurch eine bestimmte Potenzialdifferenz an jeder einzelnen Zelle zu erzeugen. Da diese einzelnen Zellen in Reihe miteinander verbunden sind, kann der Brennstoffzelle 102 eine große elektrische Energie entnommen werden.
ZELLSPANNUNGSDETEKTOR
Ein Zellspannungsdetektor (Spannungserfassungsmittel) 103 ist vorgesehen, um die Spannung (Zellspannung) jeder einzelnen Zelle zu erfassen. Der Zellspannungsdetektor 103 ist elektrisch mit einer Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 und einer Zellspannungserfassungseinheit 182 der ECU 180, die später noch zu beschreiben sind, verbunden. Die erhaltenen Zellspannungen werden an die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 und die Zellspannungserfassungseinheit 182 übertragen.
ANODENSYSTEM
Ein Anodensystem ist an der Anodenseite der Brennstoffzelle 102 angeordnet, um Wasserstoffgas zuzuleiten und abzuleiten. Das Anodensystem enthält hauptsächlich einen Wasserstoffspeichertank 141 zum Speichern von Wasserstoffgas, ein Absperrventil (Zubehörteile) 142, einen Ejektor 143 und ein Spülventil 151.
Zunächst wird die Wasserstoffgas-Zuleitungsseite (Brennstoffgas-Zuleitungsmittel) beschrieben. Der Wasserstoffspeichertank 141 ist mit dem Absperrventil 142 über eine Rohrleitung 141a verbunden. Das Absperrventil 142 ist stromabwärts des Wasserstoffspeichertanks 141 angeordnet und mit dem Ejektor 143 über eine Rohrleitung 142a verbunden. Das Absperrventil 142 ist elektrisch mit einer Steuer-/Regeleinheit 185 der ECU 180 verbunden und sperrt die Zuleitung von Wasserstoff zu einer geeigneten Zeit durch die Anweisung von der Steuer-/Regeleinheit 185 ab. Der Ejektor 143 ist mit einem Wasserstoffeinlass 104a der Brennstoffzelle 102 durch eine Rohrleitung 143a verbunden. Daher strömt Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffspeichertank 141 über das Absperrventil 142 und den Ejektor 143 zum anodenseitigen Strömungsweg 104 innerhalb der Brennstoffzelle 102.
Als Nächstes wird die Wasserstoffgasauslassseite beschrieben. Ein Spülventil 151 ist mit einem Wasserstoffauslass 104b verbunden, der mit dem anodenseitigen Strömungsweg 104 über eine Rohrleitung 151a in Verbindung steht. Die Rohrleitung 151a verzweigt an einer Zwischenposition zwischen dem Spülventil 151 und dem Wasserstoffauslass 104b und ist mit dem Ejektor 143 verbunden. Das Spülventil 151 ist elektrisch mit der Steuer-/Regeleinheit 185 der ECU 180 verbunden. Wenn die Brennstoffzelle 102 Elektrizität erzeugt, so wird das Spülventil 151 durch die Anweisung von der Steuer-/Regeleinheit 185 geschlossen, sodass Wasserstoff (Anodenabgas; Brennstoffgas), welcher aus der Brennstoffzelle 102 ausgelassen wird, zur Wasserstoffzuleitungsseite zurückgeführt wird. Ein solcher Kreislauf des Wasserstoffs ermöglicht eine effektive Ausnutzung von Wasserstoffgas. Wenn zwischenzeitlich Feuchtigkeit innerhalb des Anodenabgases aufgrund der Erzeugung von Elektrizität zunimmt, so wird das Spülventil 151 durch die Anweisung von der Steuer-/Regeleinheit 185 geöffnet, sodass das Anodenabgas mit hohem Feuchtigkeitsgehalt aus dem System ausgelassen (gespült) werden kann.
KATHODENSYSTEM
Das Kathodensystem ist an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 102 angeordnet, um Luft zuzuleiten und abzuleiten. Das Kathodensystem enthält hauptsächlich einen Kompressor (Zubehörteile) 161.
Zunächst wird die Oxidationsgaszuleitungsseite (Oxidationsgas-Zuleitungsmittel) beschrieben. Der Kompressor 161 ist mit einem Lufteinlass 106a der Brennstoffzelle 102 durch eine Rohrleitung 161a verbunden. Der Kompressor 106a nimmt die Außenluft auf und leitet dem kathodenseitigen Strömungsweg 106 Luft zu. Der Kompressor 161 ist elektrisch mit er Steuer-/Regeleinheit 185 der ECU 180 verbunden, sodass die Steuer-/Regeleinheit 185 die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 161 und dgl. steuern/regeln kann, um die Menge an der Brennstoffzelle 102 zugeleiteter Luft (Oxidationsgas) zu steuern/regeln.
In der Rohrleitung 161a ist ein Befeuchter (nicht gezeigt) angeordnet. Der Befeuchter befeuchtet die der Brennstoffzelle 102 zugeleitete Luft.
Als Nächstes wird die Luftauslassseite beschrieben. Eine Rohrleitung 161b ist mit einem Luftauslass 106b der Brennstoffzelle 102 verbunden, der mit dem kathodenseitigen Strömungsweg 106 in Verbindung steht. Daher kann aus der Brennstoffzelle 102 ausgelassene Luft (Kathodenabgas; Oxidationsgas) durch die Rohrleitung 161b aus dem System ausgelassen werden.
Durch die Brennstoffzelle 102 erzeugte elektrische Energie wird einem Elektrizitätsspeichermittel 172 oder Lasten 171 über einen Strombegrenzer (VCU) 173 zugeleitet. Der VCU 173 begrenzt die Ausgabe der Brennstoffzelle 102 je nach Notwendigkeit und leitet elektrische Energie dem Elektrizitätsspeichermittel 172 oder den Lasten 171 zu.
Das Elektrizitätsspeichermittel 172 ist beispielsweise ein elektrischer Doppelschichtkondensator. Das Elektrizitätsspeichermittel 172 speichert die durch die Brennstoffzelle 102 erzeugte Elektrizität, wenn die Spannung des Elektrizitätsspeichermittels 172 niedriger ist als die Spannung der Brennstoffzelle 102. Das Elektrizitätsspeichermittel 172 ist mit den Lasten 171 durch den VCU 173 verbunden, um je nach Notwendigkeit elektrische Energie den Lasten 171 zuzuleiten oder die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle 102 zu unterstützen. Das Elektrizitätsspeichermittel 172 ist elektrisch mit der Steuer-/Regeleinheit 185 der ECU 180 verbunden, sodass Informationen über den Betrag der gespeicherten Elektrizität des Elektrizitätsspeichermittels 172 an die Steuer-/Regeleinheit 185 übertragen wird.
Die Lasten 171 umfassen beispielsweise einen Motor, ein Klimatisierungsgerät, ein Fahrzeugnavigationssystem usw. Lasten 171 sind elektrisch mit der Steuer-/Regeleinheit 185 verbunden und Informationen über die Lasten 171 werden an die Steuer-/Regeleinheit 185 übertragen.
ECU
Die ECU (Steuer-/Regeleinheit (Instabilitätszutand-Erfassungsmittel)) 180 arbeitet hauptsächlich derart, dass sie: die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle 102 steuert/regelt; dass sie bestimmt, ob eine ungewöhnliche einzelne Zelle innerhalb der Brennstoffzelle 102 vorhanden ist oder nicht; dass sie den Betrieb des Absperrventils 142 oder des Kompressors 161 in dem Brennstoffzellensystem 101 unter vorbestimmten Leerlaufstoppbedingungen verhindert, um so einen Verbrauch elektrischer Energie durch diese zu verhindern oder zu beschränken, sowie derart, dass sie Reaktionsgas einspart. Die ECU 180 ist hauptsächlich aus einer CPU, einem ROM, einem RAM, verschiedenen Schnittstellen und elektronischen Schaltungen gebildet. Die ECU 180 enthält ferner eine Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181, eine Zellspannungserfassungseinheit 182, eine Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183, eine Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, die Steuer-/Regeleinheit 185, eine Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 sowie eine Uhr 187.
Die ECU 180 wirkt mit dem Beschleunigungspedal AP des Brennstoffzellenfahrzeugs zusammen.
ZELLSPANNUNGSMITTELWERT-BERECHNUNGSEINHEIT
Die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 ist jeweils elektrisch mit dem Zellspannungsdetektor 103, der Zellspannungserfassungseinheit 182 beziehungsweise der Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 verbunden. In dieser Ausführungsform summiert die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 alle von dem Zellspannungsdetektor 103 auf Anweisung von der Zellspannungserfassungseinheit 182 eingegebenen Zellspannungen auf und dividiert den Gesamtwert durch die Anzahl der gesamten einzelnen Zellen, um den Zellspannungsmittelwert zu berechnen. Der erhaltene Zellspannungsmittelwert wird an die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 übertragen.
ZELLSPANNUNGSERFASSUNGSEINHEIT
Die Zellspannungserfassungseinheit 182 ist elektrisch mit dem Zellspannungsdetektor 103, der Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 und der Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 verbunden. Die Zellspannungserfassungseinheit 182 überwacht jede der durch den Zellspannungsdetektor 103 erfassten Zellspannungen. Die Zellspannungserfassungseinheit 182 vergleicht jede von dem Zellspannungsdetektor 103 übertragene Zellspannung, detektiert eine Zelle, die den geringsten Spannungswert zeigt, und ermittelt den Spannungswert (niedrigeste Zellspannung) dieser Zelle. Die Zellspannungserfassungseinheit 182 bestimmt ferner, ob der Fall vorliegt, dass die niedrigste Zellspannung nicht größer ist als ein vorbestimmter Wert (niedrigste Zellspannung ≤ vorbestimmter Wert). Wenn die niedrigste Zellspannung nicht größer ist als der vorbestimmte Wert, so sendet die Zellspannungserfassungseinheit 182 eine Anweisung zur Berechnung des Zellspannungsmittelwerts an die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 und überträgt die niedrigste Zellspannung an die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183. Wenn die niedrigste Zellspannung größer ist als der vorbestimmte Wert, so setzt die Zellspannungserfassungseinheit 182 die Überwachung fort.
SPANNUNGSDIFFERENZ-BERECHNUNGSEINHEIT
Die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 ist elektrisch mit der Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181, der Zellspannungserfassungseinheit 182 und der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 verbunden. Die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 berechnet eine Spannungsdifferenz (erste Spannungsabweichung), welche eine Differenz zwischen dem durch die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 berechneten Zellspannungsmittelwert und der durch die Zellspannungserfassungseinheit 182 erfassten niedrigsten Zellspannung ist, und überträgt die erhaltene Spannungsdifferenz an die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184.
LEERLAUFSTOPPVERHINDERUNGSBEDINGUNGS-BESTIMMUNGSEINHEIT
Die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 ist elektrisch mit der Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183, der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 und der Steuer-/Regeleinheit 185 verbunden. Die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 vergleicht die Spannungsdifferenz (erste Spannungsdifferenz), die von der Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 übertragen wird, mit dem ersten Schwellwert und wenn die Spannungsdifferenz größer als der erste Schwellwert ist (erste Spannungsdifferenz > erster Schwellwert), so bestimmt die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 1 abgenommen hat. Anschließend überträgt die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 zur Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186, ob eine Zelle vorhanden ist, die einen Spannungsabfall zeigt (Unterspannung-Zellvergangenheit) oder nicht. Wenn die Spannungsdifferenz nicht größer ist als der erste Schwellwert (erste Spannungsdifferenz ≤ erster Schwellwert), so bestimmt die Leeraufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 2 abgenommen hat und sendet an die Steuer-/Regeleinheit 185 eine Anweisung zum Bestimmen, ob die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen erfüllt sind oder nicht.
STEUER-/REGELEINHEIT
Die Steuer-/Regeleinheit 185 ist elektrisch mit dem an der Anodenseite angeordneten Absperrventil 142, dem Spülventil 151, dem an der Kathodenseite angeordneten Kompressor 161 usw. verbunden. Je nach Notwendigkeit steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 185 ein Öffnen und ein Schließen des Absperrventils 142 und des Spülventils 151, den Betrieb des Kompressors 161 (Drehzahl) und dgl.
Ferner ist die Steuer-/Regeleinheit 185 elektrisch mit dem Beschleunigungspedal AP verbunden und erfasst eine Information über den Zustand des Beschleunigungspedals AP, sodass die Steuer-/Regeleinheit 185 auf Grundlage dieser Information die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen und die Leerlaufstoppzulassungsbedingungen bestimmt. Die Steuer-/Regeleinheit 185 steuert/regelt ein Öffnen und ein Schließen des Absperrventils 142, der Drehzahl des Kompressors 181 usw. auf Grundlage des ermittelten Ergebnisses.
Genauer gesagt können die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen etwa umfassen: ”Die Ausgabe des Beschleunigungspedals AP wird erfasst”. Die Leerlaufstoppzulassungsbedingungen können beispielsweise umfassen: ”Es wird keine Ausgabe des Beschleunigungspedals AP erfasst” oder ”Das Spülen wurde abgeschlossen”.
Ferner ist die Steuer-/Regeleinheit 185 mit der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 und der Uhr 187 verbunden. Die Steuer-/Regeleinheit 185 speichert ein bestimmtes Steuer-/Regelprogramm. Die Ausführung des Programms ermöglicht es der Steuer-/Regeleinheit 185, das Absperrventil 142, das Spülventil 151 und dem Kompressor 161 zu steuern/regeln.
UNTERSPANNUNG-ZELLVERGANGENHEIT-SPEICHEREINHEIT
Die Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 ist elektrisch mit der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 und der Steuer-/Regeleinheit 185 verbunden. Die Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 speichert die Unterspannung-Zellvergangenheit, die von der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 aus übertragen wird.
Ferner überträgt die Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 an die Steuer-/Regeleinheit 185 nach Maßgabe einer Anforderung von der Steuer-/Regeleinheit 185, ob eine Unterspannung-Zellvergangenheit vorhanden ist oder nicht, oder löscht nach Maßgabe einer Anforderung von der Steuer-/Regeleinheit 185 die gespeicherte Unterspannung-Zellvergangenheit.
UHR
Die Uhr 187 ist elektrisch mit der Steuer-/Regeleinheit 185 verbunden und zählt Zeit. Beispielsweise beginnt die Uhr 187 die Zeitzählung bei einem Beginn des Spülens und beendet diese am Ende des Spülens und überträgt die Zeit zur Steuer-/Regeleinheit 185.
Als Nächstes wird ein Beispiel der Betriebsweise beschrieben, bei welchem die Differenz (erste Spannungsabweichung) zwischen dem Spannungsmittelwert der Brennstoffzelle 102 und der niedrigsten Zellspannung berechnet wird und bei welchem der Leerlaufstopp verhindert wird, wenn die Differenz größer ist als der erste Schwellwert. 4 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren des Steuerns/Regelns der Brennstoffzelle 102 erläutert. Dieses Flussdiagramm kann sowohl in dem Fall, dass das Fahrzeug anhält, als auch in dem Fall, dass das Fahrzeug fährt, verwendet werden.
ERFASSUNG DER NIEDRIGSTEN ZELLSPANNUNG
Es ist notwendig, dass das Brennstoffzellensystem 101 zum Stoppen des Leerlaufs bereit ist. Das Problem liegt nicht darin, ob das Brennstoffzellensystem 101 den Leerlauf tatsächlich gestoppt hat, sondern es ist notwendig, dass bestimmte Bedingungen erfüllt worden sind, um den Leerlauf des Brennstoffzellensystems 101 zu stoppen.
Die Zellspannungserfassungseinheit 182 vergleicht jede der von dem Zellspannungsdetektor 103 übertragenen Zellspannungen, erfasst/ermittelt eine einzelne Zelle mit der niedrigsten Zellspannung und ermittelt den Spannungswert (niedrigste Zellspannung) dieser Zelle. Die Zellspannungserfassungseinheit 182 bestimmt, ob die niedrigste Zellspannung nicht größer als der vorbestimmte Wert ist (niedrigste Zellspannung ≤ der vorbestimmte Wert) (S101). Wenn die niedrigste Zellspannung nicht größer ist als der vorbestimmte Wert (S101; Ja), so sendet die Zellspannungserfassungseinheit 182 eine Anweisung zum Berechnen des Zellspannungsmittelwerts an die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 und überträgt die niedrigste Zellspannung an die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183. Wenn die niedrigste Zellspannung größer ist als der vorbestimmte Wert (S101; Nein), so wird der Betrieb in Schritt S101 wiederholt.
BERECHNUNG DES ZELLSPANNUNGSMITTELWERTS
Die Zellspannungsmittelwert-Berechnungseinheit 181 summiert dann alle durch den Zellspannungsdetektor 103 erhaltenen Zellspannungen und dividiert den Gesamtwert durch die Anzahl der gesamten einzelnen Zellen in der Brennstoffzelle 102, um den Zellspannungsmittelwert zu berechnen (S102).
BERECHNUNG DER SPANNUNGSDIFFERENZ
Die Spannungsdifferenz-Berechnungseinheit 183 berechnet dann den Ausdruck, der definiert ist durch: (Zellspannungsmittelwert) – (niedrigste Zellspannung). Der erhaltene Wert wird nachfolgend als Spannungsdifferenz (erste Spannungsdifferenz) bezeichnet.
BESTIMMUNG DER LEERLAUFSTOPPVERHINDERUNG; SPEICHERUNG DER UNTERSPANNUNG-ZELLVERGANGENHEIT
Als Nächstes bestimmt die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, ob die Spannungsdifferenz nicht größer ist als der erste Schwellwert (vorbestimmter Wert) (erste Spannungsdifferenz ≤ erster Schwellwert) (S103). Wenn die Spannungsdifferenz größer als der erste Schwellwert ist (S103; Nein), so bestimmt die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 1 abgenommen hat, und überträgt an die Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186, ob eine einen Spannungsabfall zeigende Zelle vorhanden ist oder nicht (Unterspannung-Zellvergangenheit). Dies liegt daran, dass von allen einzelnen Zellen nur eine kleine Anzahl von einzelnen Zellen aufgrund von die Oberfläche der elektrischen Pole bedeckendem Prozesswasser geringe Spannungswerte zeigen und dass daher dann, wenn diese Werte zu den anderen Spannungswerten addiert werden und eine Division zur Berechnung des Spannungsmittelwerts ausgeführt wird, der erhaltene Spannungsmittelwert keinen bemerkenswerten Spannungsabfall zeigt. Im Schritt S105 veranlasst die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 die Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186, die Unterspannung-Zellvergangenheit zu speichern, und der Betrieb schreitet weiter zu Schritt S106.
Wenn die Spannungsdifferenz nicht größer ist als der erste Schwellwert (S103; Ja), so bestimmt die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 2 abgenommen hat, und der Betrieb schreitet weiter zu Schritt S104. Dies liegt daran, dass der Spannungsabfall aufgrund einer elektrischen Ladung des Elektrizitätsspeichermittels 172 im Allgemeinen an jeder der einzelnen Zellen auftritt, und daher selbst dann, wenn aus allen Spannungswerten der Spannungsmittelwert berechnet wird, dieser einen Wert zeigen kann, der nahe an jeder einzelnen Zelle liegt.
Wenn gemäß dieser Ausführungsform die Spannungsdifferenz größer als der erste Schwellwert ist (erste Spannungsdifferenz > erster Schwellwert), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S105, und wenn die Spannungsdifferenz nicht größer ist als der erste Schwellwert (erste Spannungsdifferenz ≤ erster Schwellwert), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S104. Es ist jedoch möglich, dass der Betrieb zu Schritt S105 weiterschreitet, wenn die Spannungsdifferenz nicht kleiner ist als der erste Schwellwert (erste Spannungsdifferenz ≥ erster Schwellwert), und der Betrieb schreitet weiter zu Schritt S104, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als der erste Schwellwert ist (erste Spannungsdifferenz < erster Schwellwert).
Die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt dann, ob irgendwelche der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen erfüllt sind oder nicht (S104). Genauer enthalten die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen beispielsweise: ”Die Ausgabe des Beschleunigungspedals AP wird erfasst”. Aus diesem Grund empfängt die Steuer-/Regeleinheit 185 in Schritt S104 eine Information über den Zustand des Beschleunigungspedals AP usw. Wenn die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt, dass irgendeine der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen erfüllt ist (S104; Ja), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S106. Wenn die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt, dass keine der Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen erfüllt ist (Schritt S104; Nein), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S101.
AUSFÜHRUNG DER LEERLAUFSTOPPVERHINDERUNG
In Schritt S106 verhindert die Steuer-/Regeleinheit 185 den Leerlaufstopp. Genauer gesagt sendet die Steuer-/Regeleinheit 185 eine Anweisung an das Absperrventil 142 bzw. den Kompressor 161 und steuert/regelt diese derart, dass sie fortwährend das Reaktionsgas zuleiten. Anschließend sendet die Steuer-/Regeleinheit 185 eine Anweisung an das Spülventil 151 und öffnet das Spülventil 151, um einen Spülvorgang zu starten. Zur selben Zeit beginnt die Uhr 187 in der ECU 180, Zeit zu zählen. Der Betrieb schreitet dann weiter zu Schritt S107. Es sollte angemerkt werden, dass das Spülen nicht notwendig ist.
BESTIMMUNG DES BRENNSTOFFZELLENZUSTANDS
In Schritt S107 bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, ob die Unterspannung-Zellvergangenheit in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 gespeichert ist oder nicht. Wenn die Unterspannung-Zellvergangenheit in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 nicht gespeichert ist (S107; Nein), so bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 2 abgenommen hat und der Betrieb schreitet weiter zu Schritt S110. Das bedeutet, dass dann, wenn die Unterspannung-Zellvergangenheit nicht in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 gespeichert ist, die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 in Schritt S103 ”Ja” (Ursache 2) bestimmt hat. Wenn in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 die Unterspannung-Zellvergangenheit gespeichert ist (S107; Ja), so bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, dass die Zellspannung aufgrund von Ursache 1 abgenommen hat; und der Betrieb schreitet weiter zu Schritt S108. Dies bedeutet, dass dann, wenn die Unterspannung-Zellvergangenheit in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 gespeichert ist, die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 in Schritt S103 ”Nein” (Ursache 1) bestimmt hat.
In Schritt S108 bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, ob der Erholungsbetrieb für die einzelnen Zellen, der in Schritt S106 ausgeführt wird, abgeschlossen ist oder nicht. Genauer gesagt bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, ob eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem die Uhr 187 in Schritt S106 begonnen hat, Zeit zu zählen oder nicht. Die vorbestimmte Zeit wird beispielsweise so gesetzt, dass sie vom Start des Spülens bis zum Ende des Spülens reicht.
Wenn die Steuer (Regeleinheit 185 bestimmt, dass der Erholungsbetrieb für die Zellen nicht abgeschlossen ist (S108; Nein), so kehrt der Betrieb zurück zu Schritt S108. Wenn die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt, dass der Erholungsbetrieb abgeschlossen wurde (S108; Ja), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S109.
LÖSCHEN DER UNTERSPANNUNG-ZELLVERGANGENHEIT
In Schritt S109 löscht die Steuer-/Regeleinheit 185 die Unterspannung-Zellvergangenheit, die in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 in Schritt S105 gespeichert wurde. Der Betrieb schreitet dann weiter zu Schritt S110.
BESTIMMUNG DER LEERLAUFSTOPPZULASSUNGSBEDINGUNGEN
In Schritt S110 bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 185, ob irgendeine der Leerlaufstoppzulassungsbedingungen erfüllt ist oder nicht. Genauer gesagt ist die Leerlaufstoppzulassungsbedingung erfüllt, wenn keine Ausgabe des Beschleunigungspedals AP erfasst wird oder wenn das Spülen abgeschlossen worden ist.
Wenn in Schritt S110 die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt, dass irgendeine der Leerlaufstoppzulassungsbedingungen erfüllt ist (S110; Ja), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S111. Wenn in Schritt S110 die Steuer-/Regeleinheit 185 bestimmt, dass keine der Leerlaufstoppzulassungsbedingungen erfüllt ist (S110; Nein), so kehrt der Betrieb zurück zu Schritt S110.
AUFHEBUNG DER LEERLAUFSTOPPVERHINDERUNG
In Schritt S111 versetzt die Steuer-/Regeleinheit 185 das Absperrventil 142 und den Kompressor 161 in die Bereitschaft, die Verhinderung des Leerlaufstopps aufzuheben, d. h. den Leerlaufstopp zuzulassen. Der Betrieb kehrt dann zurück zu Schritt S101.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, so ist es doch selbstverständlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne die Idee der Erfindung zu verlassen.
In der oben erwähnten Ausführungsform wird der Zellspannungsmittelwert durch Berechnen des Mittelwerts aus allen Zellspannungen erhalten, die durch den mit jeder einzelnen Zelle verbundenen Zellspannungsdetektor 103 erfasst werden. Es ist jedoch möglich, den Spannungswert der gesamten Brennstoffzelle 102 derart zu erfassen, dass der erhaltene Spannungswert durch die Anzahl der in der Brennstoffzelle 102 enthaltenen einzelnen Zellen dividiert wird, um den Zellspannungsmittelwert zu erhalten. Die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 kann die Differenz (erste Spannungsabweichung) zwischen dem resultierenden Zellspannungsmittelwert und der niedrigsten Zellspannung mit dem ersten Schwellwert (vorbestimmter Wert) vergleichen.
Es ist nicht notwendig, dass der Zellspannungsmittelwert aus den Zellspannungen aller in der Brennstoffzelle 102 enthaltenen einzelnen Zellen berechnet wird. Beispielsweise kann die Spannung für jede zweite einzelne Zelle erfasst werden und die erfassten Zellspannungen können gemittelt werden, um den Zellspannungsmittelwert zu berechnen. Alternativ kann der Zellspannungsmittelwert aus einer willkürlichen Anzahl mehrerer einzelner Zellen derart berechnet werden, dass die Spannungswerte der willkürlichen einzelnen Zellen gemittelt werden, um den Zellspannungsmittelwert zu berechnen.
Ferner kann es möglich sein, eine einzelne Zelle mit höchstem Spannungswert aus den einzelnen Zellen in der Brennstoffzelle 102 zu ermitteln und die Zellspannung dieser einzelnen Zelle als die höchste Zellspannung zu erhalten, sodass die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungs-Bestimmungseinheit 184 die Differenz (zweite Spannungsabweichung) zwischen der höchsten Zellspannung und der niedrigsten Zellspannung mit dem vorbestimmten Wert (zweiter Schwellwert) vergleichen kann.
Die niedrigste Zellspannung kann aus einer vorbestimmten Anzahl einzelner Zellen mit einem niedrigen Spannungswert derart erhalten werden, dass die Spannungswerte dieser einzelnen Zellen gemittelt werden. Die höchste Zellspannung kann auch aus einer vorbestimmten Anzahl von einzelnen Zellen mit hohem Spannungswert derart erhalten werden, dass die Spannungswerte dieser einzelnen Zellen gemittelt werden.
Unabhängig von der niedrigsten Zellspannung können Spannungswerte (oder ein Spannungswert) verwendet werden, die niedriger als ein vorbestimmter Wert sind. Außerdem können unabhängig von der höchsten Zellspannung Spannungswerte (oder ein Spannungswert) verwendet werden, die höher als ein vorbestimmter Wert sind.
Es kann möglich sein, dass jede einzelne Zelle mit einem Zellspannungsdetektor 103 versehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass ein Zellspannungsdetektor 103 für eine willkürliche Anzahl von einzelnen Zellen vorgesehen ist.
Zubehörteile können Elektromagnetventile, eine Kühlwasserpumpe und eine Wasserstoffpumpe umfassen, sodass die Steuer-/Regeleinheit 185 elektrisch mit diesen verbunden ist und diese steuert/regelt.
Die Steuer-/Regeleinheit 185 kann elektrisch mit Lasten 171 und dem Elektrizitätsspeichermittel 172 verbunden sein. Die Steuer-/Regeleinheit 185 kann eine Information über den Zustand der Lasten 171 und die Menge an gespeicherter Elektrizität des Elektrizitätsspeichermittels 172 erfassen und auf Grundlage dieser Information kann die Steuer-/Regeleinheit 185 Bestimmungen über die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen und die Leerlaufstoppzulassungsbedingungen durchführen, um das Öffnen und das Schließen des Absperrventils 142 und der Drehzahl des Kompressors 161 zu steuern/regeln.
In diesem Fall können die Leerlaufstoppverhinderungsbedingungen enthalten: (1) Die Ausgabe des Beschleunigungspedals AP wird erfasst oder (2) die Menge an gespeicherter Elektrizität des Elektrizitätsspeichermittels 172 ist nicht größer als ein vorbestimmter Wert und eine Anforderungsmenge für die Erzeugung von Elektrizität von den Lasten 171, wie etwa einem Klimatisierungsgerät und/oder einem Fahrzeugnavigationssystem, ist größer als der vorbestimmte Wert. Die Leerlaufstoppzulassungsbedingungen können enthalten: (1) Es wird keine Ausgabe des Beschleunigungspedals AP erfasst und die Menge an gespeicherter Elektrizität ist größer als der vorbestimmte Wert; (2) es wird keine Ausgabe des Beschleunigungspedals AP erfasst und die Anforderungsmenge für die Erzeugung von Elektrizität von den Lasten 171, wie etwa dem Klimatisierungsgerät und/oder dem Fahrzeugnavigationssystem, ist nicht größer als der vorbestimmte Wert; (3) das Spülen ist abgeschlossen oder (4) das Reaktionsgas ist für eine bestimmte Zeitdauer der Brennstoffzelle 102 in einer Menge zugeleitet worden, die größer ist als die normale Zuleitungsmenge. Im Hinblick auf die Bedingung (4) ermöglicht es die Zuleitung von Reaktionsgas in einer Menge, die größer ist als die normale Zuleitungsmenge, das Prozesswasser aus der Brennstoffzelle 102 ausgelassen wird, was den nächsten Leerlaufstoppbetrieb unterstützt. Die Zuleitungsmenge des Reaktionsgases kann nach Maßgabe von Experimenten oder Simulationen entsprechend gesetzt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform überwacht die Zellspannungserfassungseinheit 182 Spannungen der einzelnen Zelle unabhängig davon, ob das Fahrzeug anhält oder fährt. Es ist jedoch möglich, dass die Zellspannungserfassungseinheit 182 die Zellspannungen nur während des Anhaltens des Fahrzeugs oder dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unter einen vorbestimmten Wert absinkt, überwacht.
Ferner wird in Schritt S105 von 4 ein Spannungsabfall einer einzelnen Zelle, der durch die elektrischen Pole überdeckendes Prozesswasser verursacht wird, als Unterspannung-Zellvergangenheit gespeichert. Es kann jedoch jede einzelne Zelle mit einer ID (Identifikation) versehen werden und der Zellspannungsdetektor 103 kann sowohl ID's sowie auch alle Zellspannungen empfangen, sodass der Spannungswert einer einzelnen Zelle, die eine geringere Spannung als ein vorbestimmter Wert zeigt, und die ID dieser Zelle als die Unterspannung-Zellvergangenheit in der Unterspannung-Zellvergangenheit-Speichereinheit 186 gespeichert werden.
Ob die niedrigste Zellspannung nicht größer ist als der vorbestimmte Wert (niedrigste Zellspannung ≤ vorbestimmter Wert) wird gemäß dieser Ausführungsform zu Beginn bestimmt. Ein solcher Bestimmungsvorgang kann jedoch zwischen Schritt S103 und Schritt S104 ausgeführt werden.
Wenn in diesem Fall die niedrigste Zellspannung nicht größer ist als der vorbestimmte Wert (niedrigste Zellspannung ≤ vorbestimmter Wert), so schreitet der Betrieb weiter zu Schritt S104. Wenn die niedrigste Zellspannung größer ist als der vorbestimmte Wert (niedrigste Zellspannung > vorbestimmter Wert), so kehrt der Betrieb zurück zum Anfang.
Ob der Erholungsbetrieb für die Brennstoffzelle 102 abgeschlossen ist, wird in Schritt S108 von 4 durch die Steuer-/Regeleinheit 185 auf Grundlage der verstrichenen vorbestimmten Zeit bestimmt. Anstelle der Bereitstellung der Uhr 187 ist es jedoch auch möglich, einen Zähler zum Zählen der Anzahl der Spülungen einzusetzen. Es wird bestimmt, dass der Erholungsbetrieb der Brennstoffzelle 2 zu einem Zeitpunkt abgeschlossen ist, wenn der Zählerwert einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Leerlaufstopp-Steuer-/Regelverfahren für das Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst: ein Brennstoffgas-Zuleitungsmittel zum Zuleiten von Brennstoffgas, ein Oxidationsgas-Zuleitungsmittel zum Zuleiten von Oxidationsgas, eine Brennstoffzelle, welcher Brennstoffgas und Oxidationsgas zur Erzeugung von Elektrizität zugeleitet werden, ein Leerlaufstoppmittel zum Stoppen der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle, um einen Leerlaufstopp auszuführen, sowie ein Instabilitätszutand-Erfassungsmittel zum Erfassen, ob die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle instabil ist. Wenn das Instabilitätszutand-Erfassungsmittel erfasst, dass die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle instabil ist, so wird der Leerlaufstopp durch das Leerlaufstoppmittel verhindert, sodass die Brennstoffzelle die Erzeugung von Elektrizität fortsetzt.

Claims

Verfahren zum Steuern/Regeln des Leerlaufstopps eines Brennstoffzellensystems (1; 101), welches umfasst: ein Brennstoffgas-Zuleitungsmittel (5; 104, 104a, 141, 141a) zum Zuleiten von Brennstoffgas; ein Oxidationsgas-Zuleitungsmittel (6; 106, 106a, 161, 161a) zum Zuleiten von Oxidationsgas; eine Brennstoffzelle (3; 102), welcher das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zum Erzeugen von Elektrizität zugeleitet werden; und ein Leerlaufstoppmittel (9; 185) zum Stoppen der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3; 102), um einen Leerlaufstopp durchzuführen, wobei die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von einzelnen Zellen enthält und das Brennstoffzellensystem (101) ferner ein Spannungsmessmittel (103) zum Erfassen einer Spannung jeder einzelnen Zelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren dann, wenn eine Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung kleiner oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert ist, die folgenden Schritte ausführt: Berechnen einer Spannungsabweichung, welche eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung und einem Spannungsmittelwert einer Mehrzahl der einzelnen Zellen oder eine Abweichung zwischen einer Spannung einer einzelnen Zelle mit höchster Spannung unter allen einzelnen Zellen und einer Spannung einer einzelnen Zelle mit niedrigster Spannung unter allen einzelnen Zellen ist, Unterscheiden einer unnormalen Spannungsabnahme (Ursache 1) von einer normalen Spannungsabnahme (Ursache 2) durch Bestimmen einer unnormalen Spannungsabnahme (Ursache 1), wenn die Spannungsabweichung größer als ein vorbestimmter zweiter Schwellwert ist, Bestimmen, dass die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3; 102) instabil ist, wenn die unnormale Spannungsabnahme (Ursache 1) von der normalen Spannungsabnahme (Ursache 2) unterschieden wird, und Verhindern des Leerlaufstopps durch das Leerlaufstoppmittel (9; 185), wenn erfasst wurde, dass die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3; 102) instabil ist, sodass die Brennstoffzelle (3; 102) die Erzeugung von Elektrizität fortsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1; 101) ferner ein Temperaturmessmittel (32, 33, 34, 35, 36) zum Erfassen einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (3; 102) umfasst und dass das Verfahren ferner umfasst: Verhindern des Leerlaufstopps durch das Leerlaufstoppmittel (9; 185), wenn erfasst wurde, dass die durch das Temperaturmessmittel (32, 33, 34, 35, 36) erfasste Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (3) unterhalb einer ersten vorbestimmten Temperatur liegt, unterhalb welcher die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3) instabil wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (101) ferner ein Elektrizitätsspeichermittel (172) zum Speichern von durch die Brennstoffzelle (102) erzeugter elektrischer Energie umfasst, und dass das Elektrizitätsspeichermittel (172) elektrische Energie von der Brennstoffzelle (102) speichert, wenn eine Spannung des Elektrizitätsspeichermittels (172) niedriger ist als eine Spannung der Brennstoffzelle (102).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrizitätsspeichermittel (172) ein Kondensator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhinderung des Leerlaufstopps zu demjenigen Zeitpunkt aufgehoben wird, wenn die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle (3; 102) stabil wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Elektrizität zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt wird, wenn nach der Ausführung der Verhinderung der Leerlaufstopps eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Elektrizität zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt wird, wenn nach der Ausführung der Verhinderung des Leerlaufstopps eine vorbestimmte Anzahl von Spülungen durchgeführt worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Elektrizität zu einem Zeitpunkt als stabil bestimmt wird, wenn nach der Verhinderung der Ausführung des Leerlaufstopps für eine vorbestimmte Zeitdauer ein Betrieb ausgeführt worden ist, durch welchen das Brennstoffgas oder/und das Oxidationsgas der Brennstoffzelle (3; 102) in einer Menge zugeleitet wurde, die größer ist als die normale Zuleitungsmenge.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3; 102) an einem beweglichen Körper mit eingebauter Brennstoffzelle (3; 102) montiert ist, der durch die elektrische Energie der Brennstoffzelle (3; 102) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmessmittel eine Mehrzahl von Temperatursensoren umfasst, wobei das Verfahren die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aus Temperaturen bestimmt, die durch wenigstens zwei der Temperatursensoren gemessen wurden.