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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Technologie ist bekannt, bei der eine Brennstoffzelle bei einem Niedrigeffizienz-Betriebspunkt betrieben wird, wenn ein Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle benötigt wird (siehe die japanische Patentanmeldung
JP 2007-184243 A ). Gemäß der in der
JP 2007-184243 A beschriebenen Technik wird, um die Brennstoffzelle bei dem Niedrigeffizienz-Betriebspunkt zu betrieben, die erzeugte Spannung unter Verwendung eines Wandlers verringert, und die Fördermenge von Kathodengas, das durch einen Luftkompressor zugeführt wird, wird verringert. Mit dieser Regelung wird der Betriebspunkt verändert, während die Leistungsausgabe konstant gehalten wird, so dass die Brennstoffzelle in den Aufwärmbetrieb wechselt.
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Im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle wird ein stabiles Fortführen des Aufwärmbetriebs jedoch nicht ausreichend berücksichtigt. Wenn sich beispielsweise die Leistungsausgabe während des Fortführens des Aufwärmbetriebs ändert, werden der Wandler und der Luftkompressor gesteuert, um den Betriebspunkt der Brennstoffzelle zu verändern. In einem Fall beispielsweise, bei dem der Wandler so konfiguriert ist, dass er gesteuert wird, das der erzeugte Strom einen Sollwert erreicht, wird der Sollwert des erzeugten Stroms erhöht, wenn die Leistungsausgabe ansteigt, und der Sollwert des erzeugten Stroms wird gesenkt, wenn die Leistungsausgabe sinkt. Parallel zur Steuerung des Wandlers wird die Fördermenge des durch den Luftkompressor zugeführten Kathodengases derart geregelt, dass eine Leistungssollausgabe erreicht wird. Es ist bekannt, dass bei einer Brennstoffzelle der erzeugte Strom und die erzeugte Spannung eine spezifische Korrelation zeigen, wenn die zuzuführenden Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff konstant sind. Diese Korrelation wird nachfolgend als „I–V-Charakteristik” bezeichnet.
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Die Steuerung der Fördermenge des vom Luftkompressor zugeführten Kathodengases hat ein schlechteres Ansprechverhalten als die Steuerung durch den Wandler. Daher wird in einigen Fällen der Betriebspunkt in einer Situation verändert, bei der die Steuerung des erzeugten Stromes durch den Wandler die dominante Steuerung ist.
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Es sei angemerkt, dass abhängig vom Betriebspunkt der Brennstoffzelle eine Abnahme des erzeugten Stromes eher zu einem Anstieg der Leistungsausgabe führt (dies wird im Detail bezugnehmend auf 4 beschrieben). Wenn daher die Leistungsausgabe nur durch ein Absenken des erzeugten Stromes gesenkt wird, um die Leistungsausgabe bei einem derartigen Betriebspunkt zu senken, wird der Betriebspunkt zu einem Betriebspunkt geändert, bei dem der erzeugte Strom niedriger ist, als der erzeugte Strom bei einem Betriebspunkt, bei dem die Leistungsausgabe eine Spitze erreicht. Grundsätzlich zeigt die I–V-Charakteristik die folgende Tendenz: in einem Bereich, in dem der erzeugte Strom niedrig ist, ist die Spannung umso höher, je niedriger der Strom ist. Wenn daher der Betriebspunkt auf die oben beschriebene Weise verändert wird, nimmt die erzeugte Spannung zu. Wenn dagegen, wie später im Detail beschrieben wird, die erzeugte Spannung hoch ist, ist die Menge an erzeugter Wärme gering. Daher wird, wenn der Betriebspunkt in der vorstehend beschriebenen Weise verändert wird, die erzeugte Wärmemenge gering, so dass der Aufwärmbetrieb unterbrochen wird.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung schafft eine Technik zum stabilen Fortführen eines Aufwärmbetriebs ohne Unterbrechung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit Anodengas und Kathodengas versorgt wird, um elektrische Leistung zu erzeugen; einen Verbraucher, der die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung verbraucht; eine Sekundärbatterie, die die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung speichert; eine Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um einen Ausgabesollwert basierend auf Informationen, die von dem Verbraucher und der Sekundärbatterie erlangt werden, zu berechnen, wobei der Ausgabesollwert ein Wert ist, der eine Leistungsausgabeforderung anzeigt, die von der Brennstoffzelle gefordert wird; einen Kompressor, der der Brennstoffzelle das Kathodengas zuführt, so dass eine Leistungsausgabe der Brennstoffzelle den von der Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung berechneten Ausgabesollwert erreicht; eine Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um einen Stromsollwert zu bestimmen, wobei der Stromsollwert ein Sollwert eines von der Brennstoffzelle erzeugten Stromes ist; und eine Wandler, der den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom entsprechend dem bestimmten Stromsollwert regelt. Bei dem Brennstoffzellensystem ist die Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung ausgestaltet, um, während eines Niedrigeffizienz-Stromerzeugungsbetriebs, bei dem die Effizienz der Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Leistung verringert ist, indem eine Fördermenge von Kathodengas bezüglich einer Fördermenge von Anodengas reduziert wird, i) in einem ersten Zustand, bei dem eine Bedingung, wonach die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle um einen Betrag, der gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, größer als der von der Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung berechnete Ausgabesollwert ist, oder eine Bedingung, wonach die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle kleiner als der Ausgabesollwert ist, erfüllt ist, einen Stromwert als den Stromsollwert zu bestimmen, der derart berechnet ist, dass die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle den von der Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung berechneten Ausgabesollwert erreicht, und ii) in einem zweiten Zustand, bei dem die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle um einen Betrag, der kleiner als der vorgegebene Wert ist, größer als der von der Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung berechnete Ausgabesollwert ist, einen Stromwert als den Stromsollwert zu bestimmen, der im unmittelbar vorhergehenden ersten Zustand berechnet wurde.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt wird, während des Niedrigeffizienz-Stromerzeugungsbetriebs, wenn die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle um einen Betrag, der kleiner als der vorgegebene Wert ist, größer als der Ausgabesollwert ist, der Stromsollwert beibehalten. Daher ist es möglich, eine Situation zu vermeiden, bei welcher die Brennstoffzelle in einen Hocheffizienz-Betrieb wechselt, bei dem die erzeugte Wärmemenge niedrig ist, um den Zustand zu beseitigen, bei dem die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle um einen Betrag, der kleiner als der vorgegebene Wert ist, größer als der Ausgabesollwert ist.
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Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene andere Art und Weise als die vorstehend Beschriebene ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Erfindung in Form eines Aufwärmverfahrens für eine Brennstoffzelle, als Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens, und als nicht-flüchtiges Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, ausgeführt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
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1 eine Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems zeigt;
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2 eine Darstellung, die schematisch den elektrischen Aufbau des Brennstoffzellensystems zeigt;
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3 einen Graph, der die I–V-Charakteristik einer Brennstoffzelle zeigt;
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4 einen Graph, der die Leistungsausgabe-Strom-Charakteristik der Brennstoffzelle zeigt; und
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5 ein Flussdiagramm, das einen Stromsollwert-Bestimmungsprozess zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist eine Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 100 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 hat eine Brennstoffzelle 10, einen Controller 20, eine Kathodengaszuführvorrichtung 30, eine Kathodengasaustragvorrichtung 40, eine Anodengaszuführvorrichtung 50, eine Anodengas-Zirkulationsaustragvorrichtung 60 und eine Kühlmittelzuführvorrichtung 70.
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Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die mit Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) versorgt wird, die dieser als Reaktionsgase zugeführt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 10 hat einen Stapelaufbau mit einer Mehrzahl (z. B. 400) von Zellen 11, die gestapelt sind. Jede Zelle 11 hat eine Membranelektrodenanordnung und zwei Separatoren. Die Membranelektrodenanordnung ist ein elektrische Leistung bzw. Strom erzeugender Körper mit einer Elektrolytmembran und Elektroden, die an den jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind. Die Membranelektrodenanordnung wird zwischen den beiden Separatoren gehalten.
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Die Elektrolytmembran besteht aus einer dünnen Solidpolymermembran, die eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit im nassen Zustand zeigt. Die Elektrode besteht aus Kohlenstoff. Platinkatalysatoren zum Unterstützen der Reaktion zur Stromerzeugung sind auf den Elektrolytmembran-seitigen Flächen der Elektroden geträgert. Jede Zelle 11 ist mit Sammelrohren (nicht dargestellt) für Reaktionsgase und ein Kühlmittel ausgebildet. Die Reaktionsgase in den Sammelrohren werden einem Stromerzeugungsbereich einer jeden Zelle 11 durch Gasleitungen, die in der Zelle 11 ausgebildet sind, zugeführt.
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Der Controller 20 steuert die Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 wie nachfolgend beschrieben wird, wodurch er veranlasst, dass die Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung bzw. Strom erzeugt.
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Die Kathodengaszuführvorrichtung 30 umfasst eine Kathodengasleitung 31, einen Luftkompressor 32 sowie ein Strömungsaufteilungsventil 34. Die Kathodengasleitung 31 ist eine Leitung, die mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Der Luftkompressor 32 ist mit der Brennstoffzelle 10 durch die Kathodengasleitung 31 verbunden. Der Luftkompressor 32 saugt Außenluft an und verdichtet diese, und führt die verdichtete Luft dann der Brennstoffzelle 10 als Kathodengas zu. Die Drehzahl des Luftkompressors 32 wird derart geregelt, dass ein Ausgabewert, der durch die Stromerzeugung erzielt wird (nachfolgend als „Ist-Ausgabewert” bezeichnet), einen Ausgabesollwert erreicht, wobei die Strömungsrate bzw. Durchflussmenge des Kathodengases gesteuert wird. Der Ausgabesollwert wird als Sollwert für die Leistungsausgabe von der Brennstoffzelle 10 genutzt. Der Ausgabesollwert wird beispielsweise basierend auf einer von einem Verbraucher 200 geforderten Leistung durch eine Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung 22, die im Controller 20 enthalten ist, bestimmt.
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Das Strömungsaufteilungsventil 34 ist zwischen dem Luftkompressor 32 und der Brennstoffzelle 10 angeordnet. Daneben ist das Strömungsaufteilungsventil 34 mit einem Bypass 35 verbunden. Der Bypass 35 ist eine Strömungsleitung, welche das Strömungsaufteilungsventil 34 mit einer (später beschriebenen) Kathodenabgasleitung 41 verbindet. Wenn die verdichtete Luft vom Luftkompressor 32 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, unterbricht das Strömungsaufteilungsventil 34 einen Luftstrom zum Bypass 35 und stellt eine Verbindung zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite der Kathodengasleitung 31 her. Wenn dagegen die verdichtete Luft vom Luftkompressor 32 der Brennstoffzelle 10 nicht zugeführt wird, unterbricht das Strömungsaufteilungsventil 34 den Luftstrom zur stromabwärtigen Seite der Kathodengasleitung 31 und stellt eine Verbindung zwischen der stromaufwärtigen Seite der Kathodengasleitung 31 und dem Bypass 35 her.
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Die Kathodengasaustragvorrichtung 40 umfasst eine Kathodenabgasleitung 41 und ein Druckregelventil 43. Die Kathodenabgasleitung 41 ist eine Leitung, die mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Das Kathodenabgas wird durch die Kathodenabgasleitung 41 aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ausgetragen. Das Druckregelventil 43 regelt den Druck des durch die Kathodenabgasleitung 41 strömenden Kathodenabgases (Gegendruck der Brennstoffzelle 10).
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Die Anodengaszuführvorrichtung 50 umfasst eine Anodengasleitung 51, einen Wasserstofftank 52, ein An-Aus-Ventil 53, einen Regler 54 sowie einen Injektor 55. Der Wasserstofftank 52 ist mit der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 durch die Anodengasleitung 51 verbunden. Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 10 vom Tank zugeführt.
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Das An-Aus-Ventil 53, der Regler 54 und der Injektor 55 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite (d. h. der Seite in der Nähe des Wasserstofftanks 52) her in der Anodengasleitung 51 angeordnet. Das An-Aus-Ventil 53 wird entsprechend einer Anweisung vom Controller 20 geöffnet und geschlossen, um dadurch das Einströmen von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 52 zur stromaufwärtigen Seite des Injektors 55 zu regeln. Der Regler 54 ist ein Druckregelventil, das den Druck des Wasserstoffs auf der stromaufwärtigen Seite des Injektors 55 regelt.
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Der Injektor 55 ist ein elektromagnetisch betriebenes An-Aus-Ventil mit einem Ventilelement, das elektromagnetisch basierend auf einem Steuerzyklus und einer Ventilöffnungszeitdauer, die vom Controller 20 eingestellt werden, betätigt wird. Der Controller 20 steuert die Menge an Wasserstoff, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, durch Steuern des Steuerzyklus und der Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 55.
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Die Anodengas-Zirkluationsaustragvorrichtung 60 umfasst eine Anodengasleitung 61, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62, eine Anodengaszirkulationsleitung 63, eine Wasserstoffzirkulationspumpe bzw. -umwälzpumpe 64, eine Anodenabführleitung 65 sowie ein Abführventil 66. Die Anodenabgasleitung 61 ist eine Leitung, die einen Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 verbindet. Die Anodenabgasleitung 61 führt das Anodengas, welches nicht reagiertes Gas (z. B. Wasserstoff und Stickstoff), das während der Reaktion zur Stromerzeugung nicht verwendet wurde, enthält, zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62.
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Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 ist mit der Anodengaszirkulationsleitung 63 und der Anodenabführleitung 65 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 trennt die Gaskomponente und Wasser, die im Anodenabgas enthalten sind, voneinander. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 führt die Gaskomponente zur Anodengaszirkulationsleitung 63 und führt das Wasser zur Anodenabführleitung 65.
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Die Anodengaszirkulationsleitung 63 ist mit der Anodengasleitung 51 an einer stromab vom Injektor 55 gelegenen Stelle verbunden. Die Wasserstoffumwälzpumpe 64 ist in der Anodengaszirkulationsleitung 63 vorgesehen. Der in der Gaskomponente, die im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 vom Wasser getrennt wurde, enthaltene Wasserstoff wird der Anodengasleitung 51 durch die Wasserstoffumwälzpumpe 64 zugeführt. Auf diese Weise wird der im Anodenabgas enthaltene Wasserstoff im Brennstoffzellensystem 100 zirkuliert, um der Brennstoffzelle 10 erneut zugeführt zu werden. Hierdurch kann der Nutzungsgrad von Wasserstoff verbessert werden.
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Die Anodenabführleitung 65 ist eine Leitung, durch welche das Wasser, das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 62 von der Gaskomponente getrennt wurde, aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ausgetragen wird. Das Abführventil 66 ist an der Anodenabführleitung 65 angeordnet. Das Abführventil 66 wird entsprechend einer Anweisung vom Controller 20 geöffnet und geschlossen. Der Controller 20 hält das Abführventil 66 normalerweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 geschlossen und öffnet das Abführventil 66 zu einem vorgegebenen Abführzeitpunkt, der vorab eingestellt wurde, oder einem Zeitpunkt zum Austragen von Inertgas, das im Anodenabgas enthalten ist.
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Die Kühlmittelzuführvorrichtung 70 umfasst eine Kühlmittelleitung 71, einen Radiator 72 sowie eine Kühlmittelumwälzpumpe 73. Die Kühlmittelleitung 71 ist eine Leitung, die ein Kühlmitteleinlasssammelrohr und ein Kühlmittelauslasssammelrohr verbindet, die in der Brennstoffzelle 10 vorgesehen sind. Das Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 10 wird durch die Kühlmittelleitung 71 zirkuliert. Der Radiator 72 ist an der Kühlmittelleitung 71 angeordnet. Der Radiator 72 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem durch die Kühlmittelleitung 71 fließenden Kühlmittel und der Außenluft durch, wodurch das Kühlmittel gekühlt wird.
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Die Kühlmittelumwälzpumpe 73 ist in der Kühlmittelleitung 71 an einer stromab des Radiators 72 gelegenen Stelle (an einer Stelle zwischen dem Radiator 72 und dem Kühlmitteleinlass der Brennstoffzelle 10) angeordnet. Die Kühlmittelumwälzpumpe 73 führt das im Radiator 72 gekühlte Kühlmittel der Brennstoffzelle 10 zu.
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2 ist eine Darstellung, die schematisch den elektrischen Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Komponenten wie dem Controller 20 eine Sekundärbatterie 81, einen FDC 82, einen DC-AC-Inverter bzw. Wechselrichter 83, einen BDC 85, eine Zellenspannungsmessvorrichtung 91 sowie eine Stromspannungsmessvorrichtung 92.
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Die Zellenspannungsmessvorrichtung 91 ist mit jeder Zelle 11 der Brennstoffzelle 10 verbunden, um die Spannung (Zellenspannung) einer jeden Zelle 11 zu messen. Die Zellenspannungsmessvorrichtung 91 überträgt die Messergebnisse an den Controller 20. Die Strommessvorrichtung 92 misst den Wert des Stromes, der durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, und überträgt den Wert des erzeugten Stromes an den Controller 20.
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Der FDC 82 und der BDC 85 sind Schaltungen, die als DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler ausgestaltet sind. Der FDC 82 regelt den Strom, der durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, basierend auf einem Stromsollwert, der von einer Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung 24, die im Controller 20 enthalten ist, übertragen wird. Der Stromsollwert wird als Sollwert des durch die Brennstoffzelle 10 erzeugten Stromes verwendet. Der Stromsollwert wird durch den Controller 20 bestimmt. Darüber hinaus wandelt der FDC 82 die erzeugte Spannung um und führt die erzeugte Spannung dem Wechselrichter 83 zu und misst den Wert der erzeugten Spannung und überträgt den Wert an den Controller 20. Der BDC 85 steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 81 unter der Steuerung durch den Controller 20. Die Sekundärbatterie 81 ist als Lithiumionenbatterie ausgebildet und fungiert als Hilfsstromquelle der Brennstoffzelle 10.
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Der DC-AC-Inverter bzw. Wechselrichter 83 ist mit der Brennstoffzelle 10 und dem Verbraucher 200 verbunden. Der Wechselrichter 83 wandelt die von der Brennstoffzelle 10 und der Batterie 81 erhaltene elektrische Gleichstromleistung in elektrische Wechselstromleistung um und speist die elektrische Wechselstromleistung an den Verbraucher 200. Im Verbraucher 200 erzeugte regenerative elektrische Leistung wird durch den Wechselrichter 83 in elektrische Gleichstromleistung umgewandelt und der BDC 85 lädt die elektrische Gleichstromleistung in die Sekundärbatterie 81. Wenn der Ausgabesollwert berechnet wird, berücksichtigt die Ausgabesollwert-Berechnungseinrichtung 22 zusätzlich zum Verbraucher 200 den Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 81.
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Nachfolgend wird ein schnelles Aufwärmen beschrieben. Das schnelle Aufwärmen ist ein Betriebsmodus zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle 10 durch Betreiben der Brennstoffzelle 10 in einem Niedrigeffizienz-Stromerzeugungszustand (später beschrieben). Das schnelle Aufwärmen wird dadurch erzielt, dass die Fördermenge von Kathodengas bezüglich der Fördermenge von Anodengas verringert wird. Das schnelle Aufwärmen wird Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschrieben.
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3 zeigt einen Graph, der die I–V-Charakteristik der Brennstoffzelle 10 zeigt. Eine Kurve 1v zeigt den Fall, bei dem die Durchflussmenge bzw. Strömungsrate des Kathodengases eine Strömungsrate F 1 ist (nachfolgend bezeichnet „Strömungsrate” die Strömungsrate des Kathodengases), eine Kurve 2v bezeichnet den Fall, bei dem die Strömungsrate eine Strömungsrate F2 (F2 > F1) ist, und eine Kurve 3v bezeichnet den Fall, bei dem die Strömungsrate eine Strömungsrate F3 (F3 > F2) ist. Die Strömungsrate bzw. Durchflussmenge des Anodengases ist ausreichend hoch und eine ausreichende Menge an Anodengas für die Stromerzeugung ist gewährleistet.
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4 ist ein Graph, der die Leistungsausgabe-Strom-Charakteristik der Brennstoffzelle 10 zeigt. Eine Kurve 1p zeigt den Fall, bei dem die Strömungsrate die Strömungsrate F1 ist, eine Kurve 2p zeigt den Fall, bei dem die Strömungsrate die Strömungsrate F2 ist, und eine Kurve 3p zeigt den Fall, bei dem die Strömungsrate die Strömungsrate F3 ist.
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Wie in 4 gezeigt ist, wird in dem Fall, bei dem der Ausgabesollwert eine Leistungsausgabe P0 anzeigt und die Strömungsrate die Strömungsrate F2 ist, der Ist-Ausgabewert theoretisch gleich dem Ausgabesollwert, wenn der Betriebspunkt auf einen Betriebspunkt mit einem Strom I0 (Betriebspunkt A1) und einem Strom I0' (Betriebspunkt A2) eingestellt wird.
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Die Menge der Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle 10 sinkt, wenn die erzeugte Spannung eine Wärmeerzeugungsreferenzspannung erreicht. Dies liegt daran, dass der theoretische Wert der Menge der Wärmeerzeugung durch die folgende Gleichung bestimmt wird (1): Menge der Wärmeerzeugung = (Wärmeerzeugungsreferenzspannung – erzeugte Spannung) × erzeugter Strom (1)
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Wobei die Wärmeerzeugungsreferenzspannung die Energie, ausgedrückt durch eine Spannung, ist, die anhand einer Enthalpie-Änderung bei der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoffberechnet wird, und die Wärmeerzeugungsreferenzspannung durch einen Wert ausgedrückt wird, der durch Teilen der Enthalpie durch die Faraday-Konstante und die Zahl der Elektronen von Wasserstoff erhalten wird. Üblicherweise zeigt die Wärmeerzeugungsreferenzspannung einen Wert, der höher ist als die Leerlaufspannung OCV.
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Beim schnellen Aufwärmen dagegen wird die Menge der Wärmeerzeugung erhöht und die Temperatur der Brennstoffzelle 10 wird erhöht, indem der Betriebspunkt auf den Strom I0 eingestellt wird. Der Strom I0 liegt bezüglich des Stromwerts, welcher der Spitze von Kurve 2p entspricht, auf einer höheren Stromseite. Darüber hinaus ist beim Strom I0 die erzeugte Spannung niedriger als die erzeugte Spannung, die der Spitze der Kurve 2p entspricht.
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Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, ist beim Betriebspunkt A1 die erzeugte Spannung eine untere Spannungsgrenze Vmin. Der FDC 82 ist ausgestaltet, um den erzeugten Strom derart zu regeln, dass die erzeugte Spannung nicht unter die untere Grenzspannung Vmin fällt. Der Grund dafür, dass die erzeugte Spannung beim Betriebspunkt A1 zum Ausführen des schnellen Aufwärmens die untere Grenzspannung Vmin ist, ist, dass die erzeugte Spannung soweit wie möglich abgesenkt wird, um die Menge der Wärmeerzeugung zu erhöhen. Die Strömungsrate F2 ist eine Strömungsrate, die durch die Steuerung zum Erreichen der Leistungsausgabe P0 bei der unteren Grenzspannung Vmin erreicht wird. Aufgrund dieser Steuerung wird, während der Ist-Ausgabewert den Ausgabesollwert erreicht, eine Menge der Wärmeerzeugung bzw. Wärmeerzeugungsmenge, die für das schnelle Aufwärmen notwendig ist, gewährleistet.
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Die vorstehend beschriebene Steuerung wird nachfolgend im Detail beschrieben. 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Stromsollwert-Bestimmungsprozess zeigt. Die Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung 24 des Controllers 20 führt den Stromsollwert-Bestimmungsprozess wiederholt während des schnellen Aufwärmens der Brennstoffzelle 10 aus.
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Zuerst bestimmt die Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung 24, ob der Ist-Ausgabewert kleiner als der Ausgabesollwert ist (S310). Wenn der Ist-Ausgabewert kleiner als der Ausgabesollwert ist (JA in S310), wird der Stromsollwert derart erhöht, dass der Ist-Ausgabewert den Ausgabesollwert erreicht (S320) und der Stromsollwert-Bestimmungsprozess wird beendet. Der Fall, bei dem der Stromsollwert erhöht wird, wird Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschrieben.
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Der Fall, bei dem der Ist-Ausgabewert die Leistungsausgabe P0 beim Betriebspunkt A1 ist, und der Ausgabesollwert eine Leistungsausgabe P1 (Leistungsausgabe P1 > Leistungsausgabe P0) ist, wie in 4 gezeigt, wird beispielhaft beschrieben. Beim Betriebspunkt A1 ist die erzeugte Spannung die untere Grenzspannung Vmin. Daher kann der FDC 82 den erzeugten Strom nicht erhöhen, wenn die Strömungsrate beibehalten wird, selbst wenn der Stromsollwert erhöht wird. Wenn jedoch der Luftkompressor 32 die Strömungsrate erhöht, steigt der erzeugte Strom entsprechend der unteren Grenzspannung Vmin allmählich an. Wenn der Betriebspunkt auf diese Weise einen Betriebspunkt B erreicht, wird die Leistungsausgabe P1 erzielt.
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Wenn dagegen der Ist-Ausgabewert gleich oder größer als der Ausgabesollwert ist (NEIN in S310), bestimmt die Stromsollwert-Bestimmungseinrichtung 24, ob der Ist-Ausgabewert in einem Bereich eines Totbandes bzw. Nacheilbereichs ist (S330). Das Totband bzw. der Nacheilbereich wird Bezug nehmend auf 4 beschrieben. Wenn der Ausgabesollwert eine Leistungsausgabe P2 ist, ist die Untergrenze des Totbandes die Leistungsausgabe P2 und die Obergrenze des Totbandes ist eine Leistungsausgabe (P2 + Pth1). Eine Leistungsausgabe Pth1 ist ein positiver Ausgabewert. Das bedeutet, das Totband ist nur auf der positiven Seite bezüglich des Ausgabesollwerts eingestellt. Es sei angemerkt, dass, obgleich die Leistungsausgabe Pth1 ein Wert ist, der spürbar kleiner als die Leistungsausgabe P2 ist, die Leistungsausgabe Pth1 in 4 als ein Wert dargestellt ist, der größer ist als der tatsächliche Wert, um die Darstellung zu vereinfachen.
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Wenn der Ist-Ausgabewert außerhalb des Bereichs des Totbandes liegt (NEIN in S330), wird der Stromsollwert verringert, so dass der Ist-Ausgabewert den Stromsollwert erreicht (S340), und anschließend wird der Stromsollwert-Bestimmungsprozess beendet. Der Fall, bei welchem der Ist-Ausgabewert außerhalb des Bereichs des Totbandes liegt, kann als ein Fall betrachtet werden, bei dem der Ist-Ausgabewert um einen Wert größer als der Ausgabesollwert ist, der gleich oder größer als der vorgegebene Wert Pth1 ist. Der Fall, bei welchem der Stromsollwert verringert wird, wird Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschrieben.
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Der Fall, bei welchem der Ist-Ausgabewert die Leistungsausgabe P1 ist (Betriebspunkt B) und somit außerhalb des Totbandes liegt, und der Ausgabesollwert die Leistungsausgabe P2 ist (Leistungsausgabe P2 < Leistungsausgabe P1), wie in 4 gezeigt, wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. In diesem Fall wird, um die Leistungsausgabe P2 zu erreichen, während die untere Grenzspannung Vmin für das schnelle Aufwärmen beibehalten wird, der Betriebspunkt auf den Betriebspunkt C1 eingestellt, indem die Strömungsrate des Kathodengases auf die Strömungsrate F1 (auf der Kurve 1p) geregelt wird und der Stromsollwert auf einen Strom I2a eingestellt wird, wie in 4 gezeigt.
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Die Strömungsratensteuerung hat jedoch ein geringeres Ansprechverhalten als die Stromsteuerung. Daher verringert der FDC 82 den erzeugten Strom, bevor aufgrund einer Abnahme der Durchflussmenge bzw. Strömungsrate der Betriebspunkt vom Betriebspunkt B auf den Betriebspunkt C1 verändert wird. Als Ergebnis erreicht der Ist-Betriebspunkt den Betriebspunkt C2, der der Strömungsrate F3 und der Leistungsausgabe P2 entspricht, während sich die Durchflussmenge bzw. Strömungsrate kaum von der Strömungsrate F3 verändert. Da jedoch das Totband eingestellt ist, stoppt eine Abnahme des erzeugten Stromes, wenn der Betriebspunkt einen Betriebspunkt C3 erreicht (Strom Ib2), bei welchem die Leistungsausgabe (P2 + Pth1) erzielt wird, wie in 4 gezeigt.
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Die erzeugte Spannung am Betriebspunkt C3 ist eine Spannung V3 (3) und stellt einen Wert dar, der nahe der Leerlaufspannung OCV ist. Die Menge der Wärmeerzeugung ist daher gering. Wenn jedoch der Ist-Ausgabewert außerhalb des Totbandes liegt, ist die Differenz zwischen dem Ist-Ausgabewert und dem Ausgabesollwert groß. Daher wird der Steuerung des Ausgabewerts eine höhere Priorität beigemessen, als dem schnellen Aufwärmen, und der Ausgabewert wird, wie vorstehend beschrieben, gesteuert.
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Wenn dagegen der Ist-Ausgabewert im Bereich des Totbandes liegt (JA in S330), wird der Stromsollwert beibehalten ohne gesenkt zu werden (S350), und der Stromsollwert-Bestimmungsprozess wird beendet. Wenn der Ist-Ausgabewert im Bereich des Totbandes liegt (JA in S330), wird, selbst wenn der Ist-Ausgabewert nicht mit dem Ausgabesollwert übereinstimmt, der in den unmittelbar vorhergehenden Schritten S320 oder S330 berechnete Stromsollwert beibehalten, ohne den Stromsollwert zu berechnen, um zu veranlassen, dass der Ist-Ausgabewert den Stromsollwert erreicht. In der vorliegenden Ausführungsform ist, da das Totband nur auf der positiven Seite bezüglich des Stromsollwerts eingestellt ist, der Ist-Ausgabewert größer als der Ausgabesollwert.
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Der Fall, bei welchem der Ist-Ausgabewert im Bereich des Totbandes liegt, kann als ein Fall betrachtet werden, bei welchem der Ist-Ausgabewert um einen Wert, der kleiner ist als der vorgegebene Wert Pth1, größer als der Ausgabesollwert ist. Der Fall, bei welchem der Ist-Ausgabewert im Bereich des Totbandes ist, wird Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschrieben.
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Der Fall, bei welchem der Ist-Ausgabewert die Leistungsausgabe P0 ist (Betriebspunkt A1), der Ausgabesollwert die Leistungsausgabe P2 ist, und (P2 + Pth1) > P0 > P2 ist, wie in 4 gezeigt, wird beispielhaft beschrieben. In diesem Fall wird, da der Stromsollwert gehalten wird, ein plötzlicher Anstieg des Ist-Ausgabewerts oder der erzeugten Spannung verhindert. Es sei angemerkt, dass, selbst wenn ein Abfallen des Stromsollwerts wie vorstehend beschrieben verhindert wird, die durch den Luftkompressor 32 erzielte Strömungsrate unter der Bedingung variieren kann, dass es eine Differenz zwischen dem Ist-Ausgabewert und dem Ausgabesollwert gibt, und daher auch der Betriebspunkt variieren kann.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird, wenn der Stromsollwert gehalten wird, obgleich der Ist-Ausgabewert größer als der Stromsollwert ist, überschüssige elektrische Leistung erzeugt. Die überschüssige elektrische Leistung wird in der Sekundärbatterie 81 gespeichert. Selbst wenn das Totband wie vorstehend beschrieben eingestellt ist, wird daher der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 nicht nachteilig beeinflusst.
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Wenn der Ist-Ausgabewert gleich dem Ausgabesollwert ist, wird in S330 eine bestätigende Bestimmung erhalten. In diesem Fall ist es daher möglich, den Zustand beizubehalten, bei dem der Ist-Ausgabewert gleich dem Ausgabesollwert ist, indem der Stromsollwert gehalten wird.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird, auch wenn der Ist-Ausgabewert größer als der Ausgabesollwert ist, der Stromsollwert beibehalten, solange die Differenz zwischen dem Ist-Ausgabewert und dem Ausgabesollwert gleich oder kleiner als die Leistungsausgabe Pth1 ist. Es ist somit möglich, eine Situation zu vermeiden, bei welcher die erzeugte Spannung deutlich ansteigt, um den Ausgabewert leicht zu senken, und das schnelle Aufwärmen somit unterbrochen wird. Darüber hinaus ist das Totband nicht auf der negativen Seite bezüglich des Ausgabesollwerts eingestellt. Daher wird in einem Fall, bei dem die Leistungsausgabe erhöht wird, das Ansprechverhalten nicht verringert.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedene andere Art und Weise innerhalb des Umfangs der Erfindung ausgeführt werden.
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Die Strömungsrate kann basierend auf einem anderen Wert als dem Leistungsausgabewert gesteuert werden. Beispielsweise kann die Steuerung derart ausgeführt werden, dass die Strömungsrate erhöht wird, wenn der Stromsollwert erhöht wird, und die Strömungsrate gesenkt wird, wenn der Stromsollwert gesenkt wird. In diesem Fall wird, wenn der Stromsollwert beibehalten wird, auch die Strömungsrate beibehalten, so dass auch der Betriebspunkt beibehalten wird.
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Die Bestimmung des Ausgabesollwerts, die Bestimmung des Stromsollwerts, der für den FDC gilt, und die Steuerung der Durchflussmenge bzw. Strömungsrate, die durch den Luftkompressor erzielt werden soll, können wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kollektiv durch den Controller 20 ausgeführt werden, oder können durch eine Mehrzahl von Steuereinheiten (z. B. ECUs) in koordinierter Weise ausgeführt werden. Wenn die Bestimmungen und die Steuerung durch eine Mehrzahl von Steuereinheiten (z. B. ECUs) in koordinierter Weise ausgeführt werden, können die Mehrzahl von Steuereinheiten kollektiv als Controller bezeichnet werden. Das Totband kann, wenn die Stromausgabe höher ist als die benötigte Ausgabe, in der Breite größer sein als das Totband bzw. der Nacheilbereich, wenn die Stromausgabe kleiner als die benötigte Ausgabe ist.
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Die Brennstoffzelle kann eine andere Brennstoffzelle als eine Brennstoffzelle für ein Automobil sein. Die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle sein, die an einer anderen Art von Fahrzeug montiert ist (z. B. ein Zweirad-Fahrzeug oder ein Zug), oder kann eine stationäre Brennstoffzelle sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-184243 A [0002, 0002]