DE102013216844B4

DE102013216844B4 - Brennstoffzellensystem-Aktivierungsverfahren und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013216844B4
Application number: DE102013216844.6A
Authority: DE
Inventors: Koichiro FURUSAWA; Nobutaka Nakajima; Kaoru Yamazaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2033-08-24
Also published as: US20140065502A1; DE102013216844A1; US10109872B2; JP2014044905A; JP5783974B2

Abstract

Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend:
eine Brennstoffzelle (11), die mit einer Anode (11A) zugeführtem Anodengas und einer Kathode (11B) zugeführtem Kathodengas elektrischen Strom erzeugt;
einen Anodengasströmungsweg (44), der mit der Anode (11A) verbunden ist;
eine Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21), die dem Anodengasströmungsweg (44) das Anodengas zuführt;
einen Anodengaszirkulationsströmungsweg (46) und eine Umwälzpumpe (22), die in der Lage sind, das Anodengas zur Anode (11A) umzuwälzen;
einen Anodengasabführströmungsweg (45), der mit einer Auslassseite der Anode (11A) verbunden ist;
ein Spülventil (23), das in der Lage ist, zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand des Anodengasabführströmungswegs (45) in Bezug auf die Außenseite des Brennstoffzellensystems umzuschalten,
einen Kathodengasströmungsweg (41), der mit der Kathode (11B) verbunden ist;
eine Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16), die dem Kathodengasströmungsweg (41) das Kathodengas zuführt;
einen Kathodengasabführströmungsweg (42), der mit einer Auslassseite der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und von dem ein Bypassströmungsweg (43) mit einem Bypassventil (18) abzweigt, wodurch Kathodengas der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) und, unter Umgehung der Kathode (11B), dem Kathodengasabführströmungsweg (42) zugeführt werden kann;
ein Schließventil (15, 16) zum Schließen des Kathodengasströmungswegs (41) und des Kathodengasabführströmungswegs (42) vor Ausführung eines Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus;
eine Spannungserfassungsvorrichtung (34), die eine Spannung der Brennstoffzelle (11) erfasst;
einen Schaltschütz (30), der zwischen einem verbundenen Zustand der Brennstoffzelle (11) mit einer elektrischen Last (M) und einem Abschaltzustand zwischen diesen umschaltbar ist; und
eine Steuervorrichtung (32), die die Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21) und die Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16) steuert,
worin
im Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus der Brennstoffzelle (11) enthalten sind:
ein erster Schritt (S01, S02, S03) zur Bestimmung, ob das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist oder nicht;
ein zweiter Schritt (S04), um den Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand zu bringen, wenn im ersten Schritt erfasst wird, dass das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden (S01 JA) ist;
ein dritter Schritt (S05) zum Antreiben der Umwälzpumpe (22) nach Ausführung des zweiten Schritts;
ein vierter Schritt (S06, S08) zum Starten der Zufuhr des Anodengases zu dem Anodengasströmungsweg (44) und Öffnen des Spülventils (23) nach Ausführung des dritten Schritts, um die Anode (11A) zu spülen;
ein fünfter Schritt (S09 JA) zum Schließen des Spülventils (23) nach der Spülung der Anode (11A) im vierten Schritt; ein sechster Schritt (S06) zum Zuführen des Kathodengases zu der Kathode (11B) durch den Kathodengasströmungsweg (41) bei geöffnetem Bypassventil (18), nachdem der fünfte Schritt ausgeführt worden ist, und Öffnen der Schließventile (15, 16); und
ein siebter Schritt (S12, S13, S14), um nach Ausführung des sechsten Schritts, wenn eine von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) eine vorbestimmte Spannung erreicht, die elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle (11) durchzuführen, während die elektrische Last (M) mit der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und die Spannung (VFC) bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung gehalten wird,
worin der Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (S15) seit seinem Start abgeschaltet (S16) wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem-Aktivierungsverfahren und ein Brennstoffzellensystem.
DE 10 2009 050 935 A1 beschreibt ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellensystems, welches eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindern soll. Eine Steuervorrichtung öffnet nahezu gleichzeitig die Zufuhr des Anodengases zur Anode und öffnet ein Spülventil. Die Zufuhr zur Kathode und der Auslass aus der Kathode werden dabei geschlossen. Zudem ist ein Schalter in einem geschlossenen Zustand. Ein erzeugtes Spannungspotential ist nicht ausreichend genug, um eine Schädigung in der Brennstoffzelle zu bewirken. Schließlich öffnet die Steuereinheit den Schalter wieder und in einem weiteren Schritt wird der Kathode Luft zugeführt, nachdem die entsprechenden Ventil geöffnet wurden, womit ermöglicht wird, dass die Brennstoffzellenstapelspannung normal als Leerlaufpotential zunimmt.
DE 10 2008 005 530 A1 betrifft ein Verfahren zur Reduzierung einer Degradation von Brennstoffzellensystemen. Dabei wird beim Start der Brennstoffzelle ein Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode reduziert. Mittels eines Schalters wird die Brennstoffzelle beim Start kurzgeschlossen und Anodengas rezirkuliert, um das Restgas im Anodenraum zu homogenisieren. Der Kathodenraum kann dabei durch Ventile luftdicht verschlossen sein. Schließlich wird der Kurzschlussschütz geöffnet und Hochvoltkreis-Schütze geöffnet, womit die Brennstoffzelle mit einer elektrischen Last verbunden wird. Danach wird der Brennstoffzelle Kathodengas zugeführt. Die vorgegebene Spannung wird erhöht, wenn ein Grenzwert an elektrischem Strom erreicht wird.
Aus der JP 4357836 B2 ist ein Startverfahren bekannt, worin beim Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels der Kathode keine Luft zugeführt wird, wenn der Anode kontinuierlich Wasserstoff zugeführt wird, um Luft (die sich an der Anode befindet), durch Wasserstoff zu ersetzen (zu spülen). Nach Abschluss der durch diesen Austausch (Spülung) einhergehenden Aktivierung wird die Luftzufuhr zur Kathode gestartet, während mit dem Brennstoffzellenstapel eine elektrische Last verbunden wird, um hierdurch elektrischen Strom zu erzeugen.
Aus der JP 4137796 B2 ein Verfahren bekannt, um ein Brennstoffzellensystem aus einem Zustand heraus zu starten, wo eine Anode und eine Kathode des Brennstoffzellenstapels mit Luft geladen werden.
Wenn bei diesem Startverfahren das Brennstoffzellensystem aktiviert wird, wird zuerst der Anode Wasserstoff zugeführt, während die Wasserstoffzuführströmungsrate so eingestellt wird, dass kein brennfähiges Verhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Rückführweg der Anode enthalten ist, um hierdurch einen Zustand zu bilden, wo Wasserstoff und Luft vermischt werden. Dann wird durch katalytische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff an der Anode Wasser erzeugt, bis sich in dem Rückführströmungsweg der Anode kein Sauerstoff mehr befindet. Dann wird die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zur Anode und Kathode mit normalen Strömungsraten gestartet, und wird mit dem Brennstoffzellenstapel eine elektrische Last verbunden, um hierdurch elektrischen Strom zu erzeugen. Bei diesem Startverfahren wird, vor dem Start der Wasserstoffzufuhr zur Anode, ein Hilfslastwiderstand mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, ohne der Kathode Luft zuzuführen, um elektrischen Strom zu erzeugen, und die Zellenspannung wird bei oder unterhalb einer vorbestimmten Spannung gehalten, bis sich kein Sauerstoff mehr in dem Rückführweg der Anode befindet.
Gemäß dem Startverfahren der obigen herkömmlichen Technik wird, nach Abschluss der Aktivierung des Brennstoffzellenstapels, um elektrischen Strom zu erzeugen, eine elektrische Last angeschlossen. Im Ergebnis könnte es unmöglich werden, zu vermeiden, dass die Kathode ein hohes Potential einnimmt (zum Beispiel ein Kathodenpotential von 0,9V oder höher), und demzufolge könnte der Brennstoffzellenstapel schlechter werden.
Ferner besteht gemäß dem Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems der obigen herkömmlichen Technik die Möglichkeit, dass der Brennstoffzellenstapel schlechter werden könnte, wenn die elektrische Stromerzeugung in einem Zustand durchgeführt wird, wo die Wasserstoffkonzentration niedriger als eine gewünschte Konzentration ist, d.h. zum Beispiel, wo die Anode und Kathode des Brennstoffzellenstapels mit Luft geladen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem-Aktivierungsverfahren und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, die in der Lage sind, Verschlechterung in einer Brennstoffzelle während der Aktivierung zu verhindern.
Die Erfindung schlägt die folgenden Maßnahmen vor, um die obigen Probleme und die Aufgabe zu lösen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 angegeben.
Bevorzugte Ausführungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 angegeben.
Bevorzugte Ausführungen des Brennstoffzellensystems sind in den Unteransprüchen 5 und 6 angegeben.
Erfindungsgemäß lässt sich, durch sequenzielle Durchführung des ersten Schritts bis zum sechsten Schritt, verhindern, dass in dem Zustand, wo sich das Anodengas nicht an der Anode befindet, Kathodengas verschwenderisch der Kathode durch den Kathodenströmungsweg zugeführt wird.
Ferner lässt sich verhindern, dass in dem Zustand, in dem sich das Anodengas nicht an der Anode befindet, eine elektrische Last mit der Brennstoffzelle verbunden wird (d.h. es lässt sich verhindern, dass die Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt), und dementsprechend lässt sich die Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindern, die während der elektrischen Stromerzeugung durch ungenügendes Anodengas verursacht wird.
Ferner ist es durch Schließen des Bypassventils und Öffnen des Schließventils nach dem Öffnen des Bypassventils unter Ausführung des sechsten Schritts möglich, dass die Kathodengaszonzentration der Kathode präzise auf einer gewünschten Konzentration liegt.
Darüber hinaus lässt sich durch den Einbau des siebten Schritts verhindern, dass, wenn keine Last anliegt, das elektrische Potential übermäßig ansteigt (zum Beispiel eine Zunahme des elektrischen Potentials der Kathode), und dementsprechend lässt sich eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindern, die durch übermäßige Zunahme des elektrischen Potentials verursacht wird.
Da erfindungsgemäß das Kathodengas der Kathode durch den Kathodengasströmungsweg zugeführt wird, wird das an der Kathode vorhandene Anodengas durch das Kathodengas zum Kathodengasabführströmungsweg gedrückt.
Durch das Öffnen des Bypassventils ist es möglich, Kathodengas, das durch den Bypassströmungsweg geflossen ist, das Anodengas in dem Kathodengasabführströmungsweg zu verdünnen.
Da ferner das dem Kathodengasströmungsweg zugeführte Kathodengas abzweigt und zur Kathode und zum Bypassströmungsweg fließt, ist es möglich, das zur Kathode zu leitende Kathodengas zu reduzieren, und zu verhinden, dass die Konzentration des von der Kathode abzuführenden Anodengases zu hoch wird.
Durch Ausführung des normalen Stromerzeugungsmodus nach Abschluss der Brennstoffzellensystemaktivierung ist es möglich, die Gaszufuhrmenge und den zu erzeugenden elektrischen Strom zu reduzieren und den Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Ferner ist es möglich, einen übermäßigen Anstieg der elektrischen Spannung geeignet zu verhindern, während die Anodengaskonzentration der Anode präzise auf einer gewünschten Konzentration liegt.
Im Falle von Anspruch 2 wird bestimmt, dass Anodengas im Anodengasströmungsweg vorhanden ist, wenn eine Stoppverweilzeit der Brennstoffzelle und/oder eine Spannung der Brennstoffzelle und/oder ein Druck der Anode und/oder eine Sauerstoffkonzentration der Anode oder der Kathode ein vorbestimmter Zustand ist.
Zum Beispiel wird bestimmt, dass sich Anodengas an der Anode und der Kathode befindet, wenn die Stoppverweilzeit der Brennstoffzelle innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer ist.
Darüber hinaus wird zum Beispiel bestimmt, dass sich Anodengas an der Anode befindet, wenn die Spannung der Brennstoffzelle niedriger als oder gleich einer vorbestimmten Spannung ist.
Ferner wird zum Beispiel bestimmt, dass sich Anodengas an der Anode befindet, wenn der Druck der Anode höher als oder gleich einem vorbestimmten Druck ist, oder wenn die Schwankungsbreite des Drucks der Anode am abnehmenden Trend ist, während die Brennstoffzelle im Stoppverweilzustand ist.
Darüber hinaus wird zum Beispiel bestimmt, dass sich Anodengas an der Anode befindet, wenn die Sauerstoffkonzentration der Anode oder der Kathode niedriger als oder gleich einer vorbestimmten Konzentration ist.
Im Falle von Anspruch 3 ist es, indem zum Beispiel durch Konstantspannungsregelung die Spannung der Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, möglich, auf leichte Weise einen übermäßigen Anstieg des elektrischen Potentials zu verhindern, ohne eine komplizierte Steuerung zu benötigen.
Nachfolgend werden ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellen-Aktivierungsverfahren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt in einem Graph ein Beispiel der Beziehung zwischen der Spannung eines Brennstoffzellenstapels und der Wässerungszeit, wo das Brennstoffzellensystem im Stoppverweilzustand ist.
2B zeigt in einem Graph ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Anodendruck des Brennstoffzellenstapels und der Wässerungszeit, wo das Brennstoffzellensystem im Stoppverweilzustand ist.
2C zeigt in einem Graph ein Beispiel der Beziehung zwischen der Gaskonzentration einer Anode und einer Kathode des Brennstoffzellenstapels und der Wässerungszeit, wo das Brennstoffzellensystem im Stoppverweilzustand ist.
3 zeigt in einem Flussdiagramm den Betrieb des Brennstoffzellensystems insbesondere einen Steuerbetrieb, der von einer Steuervorrichtung beim Aktivieren des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird (d.h. ein Brennstoffzellensystem-Aktivierungsverfahren).
4 zeigt in einem Diagramm den Zustand jedes Systems der Anode, der Kathode und einer Energieversorgung während der Aktivierung des Brennstoffzellensystems.
5A zeigt in einem Graph ein Beispiel von Änderungen im elektrischen Potential der Kathode eines Arbeitsbeispiels während der Aktivierung des Brennstoffzellensystems.
5B zeigt ein einem Graph ein Beispiel von Änderungen im elektrischen Potential der Kathode eines Vergleichsbeispiels während der Aktivierung des Brennstoffzellensystems.

Ein Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführung ist als Stromversorgung zum Beispiel an einem Fahrzeug 1 angebracht, das mit einem Antriebsmotor (M) und einer Leistungstreibereinheit (PDU) versehen ist, welche den Motor (M) ansteuert.
Das Fahrzeug 1 ist mit dem Schalter 2 versehen, wie etwa einem Zündschalter, der ein Signal ausgibt, um eine Aktivierung des Fahrzeugs 1 gemäß einer Eingabebetätigung oder dergleichen durch einen Fahrer anzuweisen.
Zum Beispiel umfasst, wie in 1 gezeigt, das Brennstoffzellensystem 10: einen Brennstoffzellenstapel 11 (Brennstoffzelle); einen Einlass 12; eine Luftpumpe 13 (Kathodengaszuführvorrichtung); einen Befeuchter (14); ein Einlassschließventil 15 (Kathodengaszuführvorrichtung, Schließventil); ein Auslassschließventil 16 (Kathodengaszuführvorrichtung, Schließventil); ein Drucksteuerventil 17; ein Bypassventil 18; einen Wasserstofftank 19 (Anodengaszuführvorrichtung); ein Wasserstoffabschaltventil 20 (Anodengaszuführvorrichtung); ein Wasserstoffzuführventil 21 (Anodergaszuführvorrichtung); eine Umwälzpumpe 22, ein Spülventil 23; einen Verdünner 24; einen Anodentemperatursensor 25 und einen Anodendrucksensor 26; einen Kathodenfeuchtigkeitssensor 27, einen Kathodentemperatursensor 28 und einen Kathodendrucksensor 29; einen Schaltschütz 30; einen Spannungsregler 31; sowie eine Steuervorrichtung 32 (Steuervorrichtung).
Der Brennstoffzellenstapel 11 umfasst zum Beispiel einen geschichteten Körper (in der Figur nicht gezeigt) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (in der Figur nicht gezeigt), die darin gestapelt sind, sowie ein Paar von Endplatten (in der Figur nicht gezeigt), die den Schichtkörper von beiden Seiten in dessen Stapelrichtung zwischen sich aufnehmen.
Die Brennstoffzellen sind zum Beispiel mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA: Membranelektrodenanordnung) (in der Figur nicht gezeigt) versehen, und einem Paar von Separatoren (in der Figur nicht gezeigt), die die Membranelektrodenanordnung von ihren beiden Seiten in der Zusammenbaurichtung zwischen sich aufnehmen.
Die Membranelektrodenanordnung ist zum Beispiel versehen mit einer Brennstoffelektrode (Anode) 11A, die aus einem Anodenkatalysator und einer Gasdiffusionsschicht zusammengesetzt ist, einer Sauerstoffelektrode (Kathode) 11B, die aus einem Kathodenkatalysator und einer Gasdiffusionsschicht zusammengesetzt ist, und einer Festpolymerelektrolytmembran 11C, die aus einer Kationenaustauschmembran aufgebaut ist, die von beiden Seiten in der Dickenrichtung zwischen der Anode und der Kathode aufgenommen ist.
Brenngas (Anodengas), das zum Beispiel aus Wasserstoff zusammengesetzt ist, wird vom Wasserstofftank 19 der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt, und zum Beispiel Luft, das ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas (Kathodengas) ist, wird von der Luftpumpe 13 der Kathode 11B zugeführt.
Der der Anode 11A zugeführte Wasserstoff wird an dem Anodenkatalysator durch eine katalytische Reaktion ionisiert, und die Wasserstoffionen bewegen sich durch die geeignet befeuchtete Festpolymerelektrolymembran 11C zur Kathode 11B. Elektronen, die als Ergebnis der Bewegung der Wasserstoffionen erzeugt werden, können als elektrischer Gleichstrom einer externen Schaltung (in der Figur nicht gezeigt) abgeführt werden.
Die Wasserstoffionen, die sich von der Anode 11A auf dem Kathodenkatalysator der Kathode 11B bewegt haben, reagieren mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff und den Elektronen auf dem Kathodenkatalysator und erzeugen Wasser.
Mit der Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 11 kann eine Referenzelektrode (in der Figur nicht gezeigt) wie etwa DHE (dynamische Wasserstoffelektrode) verbunden sein.
Die Referenzelektrode ist in der Lage, das elektrische Potential der Anode 11A (elektrisches Anodenpotential) in Bezug auf ein elektrisches Referenzpotential zu messen, wo zum Beispiel der Wasserstoff als elektrisches Referenzpotential (0V) genommen wird, und ein Messergebnissignal an die Steuervorrichtung 32 auszugeben.
Die Referenzelektrode kann an allen der Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen sein, oder kann nur an vorbestimmten Brennstoffzellen unter der Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen sein.
Die Luftpumpe 13 ist zum Beispiel mit einem Luftkompressor versehen, der von der Steuervorrichtung 32 angetrieben und angesteuert wird, und er nimmt Luft an der Außenseite durch den Einlass 12 auf und komprimiert diese, und gibt die Luft, die komprimiert worden ist, an einen Kathodengasströmungsweg 41 aus, der mit der Kathode 11B verbunden ist.
Zum Beispiel ist der Einlass 12 mit einem Luftströmungssensor 33 versehen, und der Luftströmungssensor 33 erfasst eine Strömungsrate der Luft, die von der Außenseite mit der Luftpumpe 13 aufgenommen wird, und gibt ein Signal des Erfassungsergebnisses aus.
Der Befeuchter 14 ist so konfiguriert, dass er mit einer wasserdurchlässigen Membran wie etwa einer Hohlfasermembran versehen ist, und er verwendet verdünntes Gas (Kathodenabgas), wie etwa die von einer Kathodenabführöffnung 11b des Brennstoffzellenstapels 11 abgegebene Luft, als Befeuchtungsgas, um die Luft zu befeuchten, die von der Luftpumpe 13 zugeführt wird (Kathodengas).
D.h., der Befeuchter 14 bringt zum Beispiel die der Luftpumpe 13 zugeführte Luft und das abgeführte Gas im befeuchteten Zustand, das von der Kathodenauslassöffnung 11b des Brennstoffzellenstapels 11 abgegeben wird, über die wasserdurchlässige Membrane miteinander in Kontakt, um hierdurch der Luft (Kathodengas) den Feuchtigkeitsgehalt hinzuzufügen, der durch die Membranporen der wasserdurchlässigen Membrane gedrungen ist, von dem Feuchtigkeitsgehalt, der im abgegebenen Gas (insbesondere Wasserdampf) enthalten ist.
Das Einlassschließventil 15 ist zum Beispiel an dem Kathodengasstromungsweg 41 vorgesehen, der die Luftpumpe 13 mit der Kathodenzuführöffnung 11a verbindet, die in der Lage ist, der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 Luft zuzuführen, und ist in der Lage, den Kathodengasströmungsweg 41 unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 zu verschließen.
Das Auslassschließventil 16 ist zum Beispiel an dem Kathodengasabführströmungsweg 42 vorgesehen, der die Kathodenauslassöffnung 11b, die Luft von der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 abführen kann, mit dem Verdünner 24 verbindet, und ist in der Lage, den Kathodengasstromungsweg 42 unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 zu verschließen.
Das Drucksteuerventil 17 ist zum Beispiel zwischen dem Befeuchter 14 und dem Verdünner 24 an dem Kathodengasabführströmungsweg 42 vorgesehen und steuert unter der Steuerung der Steuervorrichtung 32 den Druck des Kathodenabgases des Kathodengasabführströmungswegs 42.
Das Bypassventil 18 ist zum Beispiel an einem Bypassströmungsweg 43 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen der Luftpumpe 13 und dem Befeuchter 14 an dem Kathodengasströmungsweg 41 hergestellt, sowie zwischen dem Drucksteuerventil 17 und dem Verdünner 24 an dem Kathodengasabführströmungsweg 42.
Das Bypassventil 18 ist zum Beispiel in der Lage, die der Luftpumpe 13 zugeführte Luft von dem Kathodengasströmungsweg 41 abzuzweigen und sie dem Verdünner 24 durch den Bypassströmungsweg 43 zuzuführen, und ist auch unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 in der Lage, den Bypassströmungsweg 43 zu verschließen.
Der Wasserstofftank 19 ist zum Beispiel in der Lage, komprimierten Wasserstoff zu speichern und den Wasserstoff abzugeben.
Ein Wasserstoffabschaltventil 20 ist zum Beispiel an dem Anodengasstromungsweg 44 vorgesehen, der den Wasserstofftank 19 mit der Anodenzuführöffnung 11c verbindet, die in der Lage ist, den Wasserstoff der Anode 11A dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und ist in der Lage, den Anodengasströmungsweg 44 unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 zu verschließen.
Die Wasserstoffzuführvorrichtung 21 ist zum Beispiel zwischen dem Wasserstoffabschaltventil 20 und der Anodenzführöffnung 11c an dem Anodengasströmungsweg 44 vorgesehen und liefert Wasserstoff mit einem Druck gemäß der Steuerung der Steuervorrichtung 32 unter dem Druck der von der Luftpumpe 13 abgegebene Luft von dem Wasserstofftank 19 zu dem Anodengasströmungsweg 44. Hierdurch wird der Zwischenelektrodendifferenzdruck zwischen der Anode 11A und der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 auf einem vorbestimmten Druck gehalten.
Die Wasserstoffzuführvorrichtung 21 ist zum Beispiel mit einem Ejektor versehen (in der Figur nicht gezeigt), der mit einem Zweigströmungsweg 47 verbunden ist, der von dem Anodengasabführströmungsweg 45 abzweigt.
Der Ejektor vermischt zum Beispiel, wenn die Umwälzpumpe 22 nicht arbeitet, zumindest einen Teil des Wasserstoffs, der durch die Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 geflossen ist und von der Anodenausgabeöffnung 11d abgegeben wird und der keiner Reaktion unterzogen wurde, mit dem Wasserstoff, der von dem Wasserstoffabschaltventil 20 im Anodengasströmungsweg 44 zugeführt worden ist, und führt ihn der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 erneut zu.
Die Umwälzpumpe 22 ist zum Beispiel an einem Umwälzströmungsweg 46 vorgesehen (Anodengaszirkulationsströmungsweg), der eine Verbindung zwischen dem Wasserstoffzuführventil 21 und der Anodenzuführöffnung 11C an dem Anodengasströmungsweg 44 herstellt, mit dem Anodengasabführströmungsweg 45, der den Verdünner 24 mit der Anodenauslassöffnung 11d verbindet, die in der Lage ist, Wasserstoff von der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 abzuführen.
Die Umwälzpumpe 22 vermischt zumindest einen Teil des Wasserstoffs, der auf die Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 geflossen ist und von der Anodenauslassöffnung 11d abgegeben worden ist und der keiner Reaktion unterzogen wurde, mit dem Wasserstoff, der von dem Wasserstoffzuführventil 21 dem Anodenströmungsweg 44 zugeführt worden ist, und führt ihn der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 erneut zu.
Das Spülventil 23 ist zum Beispiel zwischen der Anodenauslassöffnung 11d und dem Verdünner 24 an dem Anodengasabführströmungsweg 45 vorgesehen und ist in der Lage, unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 den Anodengasabführströmungsweg 45 zu verschließen, während es unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 in der Lage ist, abgegebenes Gas wie etwa Wasserstoff, der von der Anodenauslassöffnung 11d abgegeben worden ist und keiner Reaktion unterzogen wurde, dem Verdünner 24 zuzuführen.
Der Verdünner 24 verdünnt zum Beispiel die Wasserstoffkonzentration des vom Spülventil 23 abgegebenen Gases mit der vom Drucksteuerventil 17 zugeführten Luft und gibt das abgegebene Gas, worin die Wasserstoffkonzentration auf oder unter eine vorbestimmte Konzentration nach der Verdünnung reduziert worden ist, zur Außenseite ab (zum Beispiel zur Atmosphäre).
Der Anodentemperatursensor 25 und der Anodendrucksensor 26 erfassen zum Beispiel die Temperatur Ta und einen Druck Pa des Wasserstoffs, der als das Anodengas zu Versorgung der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 1 dient, und geben Erfassungsergebnis-Signale aus.
Der Kathodenfeuchtigkeitssensor 27, der Kathodentemperatursensor 28 und der Kathodendrucksensor 29 erfassen zum Beispiel eine Feuchtigkeit Hb, eine Temperatur Tb und einen Druck Pb der Luft, die als das Kathodengas zur Versorgung der Kathode 11b des Brennstoffzellenstapels 11 dient, und geben Erfassungsergebnis-Signale aus.
Der Schaltschütz 30 ist zum Beispiel mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 11 verbunden und ist in der Lage, unter der Steuerung der Steuervorrichtung 32 zwischen einem Verbindungszustand und einem Unterbrechungszustand des Brennstoffzellenstapels 11 mit einer elektrischen Last umzuschalten (wie etwa Leistungseinheit (PDU), Motor (M) usw).
Zum Beispiel ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und dem Schaltschütz 30 der Spannungssensor 34 vorgesehen (Spannungserfassungsvorrichtung), der eine Spannung VFC zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 11 erfasst (d.h. die Gesamtspannung als die Summe der Spannungen der Mehrzahl von Brennstoffzellen), und der Spannungssensor 34 gibt ein Signal des Erfassungsergebnisses aus.
Der Spannungsregler (FCVCU) 31 ist zum Beispiel zwischen den positiven und negativen Elektroden des Brennstoffzellenstapels 11 über den Schaltschütz und der elektrischen Last angeordnet und ist unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 in der Lage, die Spannung und den Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgegeben wird, zu regulieren.
Die Steuervorrichtung 32 steuert/regelt zum Beispiel, nachdem am Schalter 2 ein bei Aktivierung des Fahrzeugs 1 anweisendes Signal ausgegeben worden ist, die Betriebsweisen des Brennstoffzellensystems 10 basierend auf den Erfassungsergebnis-Signalen, die von den jeweiligen Sensoren 25 bis 29, 33 und 34 ausgegeben werden.
Zusätzlich zu den elektrischen Vorrichtungen, wie etwa dem Antriebsmotor (M) und der Leistungstreibereinheit (PDU), die in dem Fahrzeug 1 angebracht sind und denen vom Brennstoffzellenstapel 11 elektrische Energie zugeführt wird, kann das Brennstoffzellensystem 10 zum Beispiel auch mit einer elektrischen Last versehen sein, die unter Steuerung der Steuervorrichtung 32 in der Lage ist, zwischen einem Verbindungszustand und einem Unterbrechungszustand in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 11 umzuschalten, und die in der Lage ist, den Laststrom zu ändern (zum Beispiel einen Entladungswiderstand oder eine elektrische Last).
In diesem Fall ist die Steuervorrichtung 32 in der Lage, an der elektrischen Last eine elektrische Entladung durchzuführen, wenn der Brennstoffzellenstapel 11 elektrischen Strom erzeugt.
Die Steuervorrichtung 32 führt zum Beispiel, in einem Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus des Brennstoffzellensystems 10, einen ersten Schritt, einen zweiten Schritt, einen dritten Schritt und einen vierten Schritt sequenziell aus.
Die Steuervorrichtung 32 bestimmt zum Beispiel im ersten Schritt, ob sich im Anodengasströmungsweg 44 Wasserstoff befindet oder nicht.
Die Steuervorrichtung 32 bringt zum Beispiel im zweiten Schritt den Schaltschütz 30 zum verbundenen Zustand, wenn im ersten Schritt bestimmt wird, dass sich im Anodengasströmungsweg 44 Wasserstoff befindet.
Die Steuervorrichtung 32 führt zum Beispiel im dritten Schritt der Kathode 11B über den Kathodengasströmungsweg 41 Luft zu.
Wenn die vom Spannungssensor 34 erfasste Spannung VFC eine vorbestimmte Spannung erreicht, verbindet zum Beispiel die Steuervorrichtung 32 im vierten Schritt die elektrische Last mit dem Brennstoffzellenstapel 11 und führt elektrische Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 durch (d.h. Entladung zur elektrischen Last), während die Ausgangsspannung VFC bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung gehalten wird.
Falls durch den Schalter 2 eine Aktivierung des Fahrzeugs 1 angewiesen wird, bringt zum Beispiel die Steuervorrichtung 32 im zweiten Schritt den Schaltschütz 30 zum verbundenen Zustand, wenn eine Stoppverweilzeit (Wässerungszeit) des Brennstoffzellensystems 10 und/oder die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 und/oder der Druck Pa der Anode 11A und/oder die Sauerstoffkonzentration der Anode 11A oder der Kathode 11B in einem vorbestimmten Zustand ist.
Wenn zum Beispiel die Stoppverweilzeit (Wässerungszeit) des Brennstoffzellensystems 10 innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer ist, bestimmt die Steuervorrichtung 32, dass sich an der Anode 11A und der Kathode 11B Wasserstoff befindet.
Ferner, wenn zum Beispiel die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 niedriger als oder gleich der vorbestimmten Spannung ist, bestimmt die Steuervorrichtung 32, dass sich an der Anode 11A Wasserstoff befindet. Wenn andererseits die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 höher als die vorbestimmte Spannung ist, wird bestimmt, dass die Möglichkeit einer Zunahme der Spannung VFC aufgrund des der Anode 11A zugeführten Wasserstoffs besteht, als Folge davon, dass sich an der Kathode 11B Sauerstoff befindet.
Wenn zum Beispiel darüber hinaus der Druck Pa der Anode 11A bei oder oberhalb des vorbestimmten Drucks ist, oder wenn die Schwankungsbreite des Drucks Pa der Anode 11A einen abnehmenden Trend hat, während das Brennstoffzellensystem 10 im Stoppverweilzustand ist, bestimmt die Steuervorrichtung 32, dass sich an der Anode 11A Wasserstoff befindet.
Ferner, wenn zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration der Anode 11A oder der Kathode 11B niedriger als oder gleich der vorbestimmten Konzentration ist, bestimmt die Steuervorrichtung 32, dass sich an der Anode 11A Wasserstoff befindet.
Wenn zum Beispiel, wie in 2A bis 2C gezeigt, das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 geschlossen sind und das Brennstoffzellensystem in dem Stoppverweilzustand gebracht wird, nachdem die vorbestimmte Stoppzeitstromerzeugung während der vorhergehenden Stoppzeit des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt worden ist und die Sauerstoffkonzentration der Kathode 11B reduziert ist, wird die Sauerstoffkonzentration der Kathode 11B im Wesentlichen zu Null.
Im Gegensatz hierzu ändern sich, in Folge des Wasserstoffverbrauchs einhergehend mit dem aus der Anode 11A ausfließenden Wasserstoff und der in die Anode 11A einfließenden Luft, die Wasserstoffkonzentration und der Druck der Anode 11A mit abnehmendem Trend.
Wenn aufgrund zunehmender Wässerungszeit die Wasserstoffkonzentration der Anode 11A auf oder unter die vorbestimmte Konzentration abnimmt, zum Beispiel beobachtet zur Zeit ta, nimmt, wegen der an der Anode 11A fließenden Restluft, die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 von Null ausgehend zu. Im Ergebnis ändert sich der Druck der Anode 11A mit zunehmendem Trend.
Falls daher die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 niedriger als oder gleich der vorbestimmten Spannung ist, und falls die Schwankungsbreite des Drucks Pa der Anode 11A einen abnehmenden Trend hat, wird bestimmt, dass sich Wasserstoff an der Anode 11A befindet.
Die Steuervorrichtung 32 führt zum Beispiel den dritten Schritt aus, während das Bypassventil 18 geöffnet wird.
Die Steuervorrichtung 32 schließt zum Beispiel nach dem Öffnen des Bypassventils 18 das Bypassventil 18, öffnet das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 und führt den dritten Schritt aus.
Die Steuervorrichtung 32 führt, zum Beispiel mit konstanter Spannungssteuerung oder dergleichen, den vierten Schritt so aus, dass die vom Spannungssensor 34 erfasste Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 in den vorbestimmten Spannungsbereich gelangt.
Die Steuervorrichtung 32 schaltet zum Beispiel vom Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus um und führt den normalen Stromerzeugungsmodus aus, wenn seit dem Beginn der Ausführung des Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist.
Der normale Stromerzeugungsmodus ist ein solcher, der im Leerlaufbetriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 enthält, und ist ein Betriebsmodus in einem Zustand, wo die Luftstöchiometrie (d.h. das Verhältnis der zugeführten Menge im Bezug auf theoretische Kathodengasverbrauchsmenge, die erforderlich ist, um elektrischen Strom mit einem gewünschten Pegel erzeugen und auszugeben) noch niedriger ist und der erzeugte elektrische Strom noch niedriger ist, im Vergleich zum Falle des Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus.
Darüber hinaus führt die Steuervorrichtung 32 zum Beispiel als den Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus des Brennstoffzellensystems 10 einen fünften Schritt, einen sechsten Schritt, einen siebten Schritt, einen achten Schritt, einen neunten Schritt und einen zehnten Schritt sequenziell aus.
Die Steuervorrichtung 32 schaltet zum Beispiel im fünften Schritt den Schaltschütz 30 vom offenen Zustand zum verbundenen Zustand.
Die Steuervorrichtung 32 treibt zum Beispiel im sechsten Schritt die Umwälzpumpe 22 an.
Die Steuervorrichtung 32 startet zum Beispiel im siebten Schritt die Zufuhr von Wasserstoff zum Anodengasströmungsweg 44 und öffnet das Spülventil 23.
Die Steuervorrichtung 32 schließt zum Beispiel im achten Schritt das Spülventil 23, nachdem eine vorbestimmte Spülung durchgeführt worden ist.
Die Steuervorrichtung 32 führt zum Beispiel im neunten Schritt der Kathode 11B über den Kathodengasströmungsweg 41 Luft zu.
Wenn die vom Spannungssensor 34 erfasste Spannung VFC eine vorbestimmte Spannung erreicht, verbindet zum Beispiel die Steuervorrichtung 32 im zehnten Schritt die elektrische Last mit dem Brennstoffzellenstapel 11 und führt eine elektrische Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 durch (d.h. Entladung zur elektrischen Last), während die Ausgangsspannung VFC an oder unterhalb der vorbestimmten Spannung verbleibt.
Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführung ist mit der obigen Konfiguration versehen. Nachfolgend werden die Betriebsweisen dieses Brennstoffzellensystems 10 beschrieben, insbesondere die Steuervorgänge, die von der Steuervorrichtung 32 zur Zeit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführt werden, nachdem vom Schalter 2 das Signal zum Anweisen der Aktivierung des Fahrzeugs 1 ausgegeben worden ist (d.h. ein Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellensystems 10).
Zuerst wird zum Beispiel im in 3 gezeigten Schritt S01 bestimmt, ob die Stoppverweilzeit (Wässerungszeit) des Brennstoffzellensystems 10, wenn das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 im geschlossenen Zustand sind, innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer ist oder nicht, ob die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 niedriger als oder gleich der vorbestimmten Spannung ist oder nicht, oder ob der Druck Pa der Anode 11A (wie etwa der Wasserstoffdruck an der Einlassseite der Anode 11A) höher als oder gleich dem vorbestimmten Druck ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis von zumindest einem dieser Bestimmungen „JA“ ist, wird bestimmt, dass sich an der Anode 11A Wasserstoff bildet, und der Prozess geht zu Schritt S02 weiter. Schritt S02 wird auf den Flagwert eines Aktivierungszeitentladungsausführungsflags F_STDCHGOK „1“ gesetzt, was Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 anzeigt (d.h. Entladung zur elektrischen Last).
Wenn andererseits die Ergebnisse aller dieser Bestimmungen „NEIN“ sind, wird bestimmt, dass sich an der Anode 11A kein Wasserstoff befindet, und der Prozess geht zu Schritt S03 weiter. In Schritt S03 wird auf den Flagwert des Aktivierungszeitentladungsausführungsflags F STDCHGOK „0“ gesetzt, was die Hemmung der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 anzeigt (d.h. Entladung zur elektrischen Last).
Dann wird in Schritt S04 der Schaltschütz 30 im offenen Zustand zum verbundenen Zustand umgeschaltet. Dann werden das Bypassventil 18, das Wasserstoffabschaltventil 20 und das Wasserstoffzufuhrventil 21 geöffnet.
Dann wird die Umwälzpumpe 22 angetrieben, und als Befehlswert in Bezug auf die Drehzahl der Umwälzpumpe 22 wird ein vorbestimmter Aktivierungszeitbefehlswert gesetzt (vorbestimmter Umwälzpumpenbefehlswert).
Dann wird in Schritt S05 die Luftpumpe 13 angetrieben, und es wird als Befehlswert in Bezug auf die Drehzahl der Luftpumpe 13 zum Beispiel ein vorbestimmter Aktivierungszeitbefehlswert gesetzt, der einer vorbestimmten Verdünnungsluftmenge der dem Verdünner 24 zuzuführenden Luft entspricht (vorbestimmter Luftpumpenbefehlswert).
Dann wird im Schritt S06 die Wasserstoffzufuhr zum Anodengasströmungsweg 44 gestartet, und der Druck Pa der Anode 11A (wie etwa der Wasserstoffdruck an der Einlassseite der Anode 11A) wird auf den vorbestimmten Solldruck gesteuert/geregelt.
Dann wird in Schritt S07 bestimmt, ob der Druck Pa der Anode 11A (wie etwa der Wasserstoffdruck an der Einlassseite der Anode 11A) höher als ein vorbestimmter zulässiger Spüldruck ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S07 wiederholt.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, geht der Prozess zu Schritt S08 weiter.
In Schritt S08 wird das Spülventil 23 geöffnet.
Dann wird in Schritt S09 bestimmt, ob die Wasserstoffspülmenge (d.h. die Wasserstoffabgabemenge von dem Spülventil 23) größer als eine vorbestimmte OCV Spülmenge ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S08 wiederholt.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, wird das Spülventil 23 geschlossen und der Prozess geht zu Schritt S10 weiter.
Dann wird in Schritt S10 bestimmt, ob seit dem Schließen des Spülventils 23 eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S10 wiederholt.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, geht der Prozess zu Schritt S11 weiter.
Dann werden in Schritt S11 das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 vom Sperrzustand zum offenen Zustand umgeschaltet.
Dann wird in Schritt S12 bestimmt, ob der Flagwert des Aktivierungszeitabgabeausführungsflags F_STDCHGOK „1“ ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, geht der Prozess zum später beschriebenen Schritt S15 weiter.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, geht der Prozess zu Schritt S13 weiter.
Dann wird in Schritt S13 bestimmt, ob die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 höher als eine vorbestimmte zulässige Stromerzeugungsspannung ist oder nicht.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, geht der Prozess zum später beschriebenen Schritt S15 weiter.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, geht der Prozess zu Schritt S14 weiter.
In Schritt S14 wird die elektrische Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 (d.h. Entladung zur elektrischen Last) gestartet.
Dann wird in Schritt S15 bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht, seit das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 vom Sperrzustand zum offenen Zustand geschaltet wurden.
Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung „NEIN“ ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S15 wiederholt.
Wenn andererseits das Ergebnis dieser Bestimmung „JA“ ist, geht der Prozess zu Schritt S16.
In Schritt S16 wird das Bypassventil 18 geschlossen.
Dann wird in Schritt S17 als Befehlswert in Bezug auf die Drehzahl der Luftpumpe 13 zum Beispiel ein vorbestimmter Aktivierungszeitbefehlswert gesetzt, der einer vorbestimmten normalen Betriebszeit durch Luftmenge entspricht, die zum Kathodengasströmungsweg 41 abgegeben wird, wenn die Luftpumpe 13 im Leerlaufbetriebszustand ist (zum Beispiel einem vorbestimmtem Leerlaufbefehlswert oder dergleichen), und der Prozess geht zum Endzustand weiter.
Wenn man zum Beispiel in einer Periode von der Zeit t0 zur Zeit t1, in 4 gezeigt, feststellt, dass das Brennstoffzellensystem 10 im Stoppverweil(Stand)zustand ist und das Fahrzeug 1 im Stoppzustand ist, sind das Einlassschließventil 15, das Auslassschließventil 16, das Bypassventil 18, das Wasserstoffabschaltventil 20, das Wasserstoffzufuhrventil 21 und das Spülventil 23 im abgeschalteten (geschlossenen) Zustand. Ferner sind die Luftpumpe 13 und die Umwälzpumpe 22 im Stopp(AUS)zustand, ist der Schaltschütz 30 im offenen (AUS) Zustand und sind der Druck der Anode 11A und die Spannung 11C und der erzeugte Strom des Brennstoffzellenstapels 11 alle Null.
Zum Beispiel wird zur Zeit t1, wo das die Aktivierung des Fahrzeugs 1 anweisende Signal vom Schalter ausgegeben wird, an der Anode 11A der Austausch durch Wasserstoff (sogenannte OCV Spülung) gestartet, wenn keine Last anliegt, wo der Brennstoffzellenstapel 11 von der elektrischen Last getrennt ist (d.h. im Nicht-Stromerzeugungszustand).
Bei diesem Anodenaustausch werden das Bypassventil 18, das Wasserstoffausschaltventil 20 und das Wasserstoffzufuhrventil 21 vom Sperrzustand zum offenen Zustand (OFFEN) geschaltet. Der Schaltschütz 30 wird vom offenen Zustand zum verbundenen (EIN) Zustand geschaltet. Dann beginnt die Umwälzpumpe 22 zu laufen.
Ferner beginnt die Luftpumpe 13 zur Zeit t2 zu laufen, wo ab der Zeit t1 eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, d.h. die verbundene (EIN) Zeit des Schaltschützes 30.
Im Ergebnis wird zum Beispiel Wasserstoff zur Anode 11A hinzugefügt, wo bestimmt worden ist, dass sich Wasserstoff befindet, entsprechend der Wässerungszeit, und der Anodendruck nimmt zur Zeit t1 und anschließend, von Null aus allmählich zu.
Wenn zum Beispiel der Druck Pa der Anode 11A zur Zeit t3 einen vorbestimmten zulässigen Spüldruck P1 erreicht, wird das Spülventil 23 vom Sperrzustand zum offenen Zustand umgeschaltet.
Dann wird zum Beispiel zur Zeit t4, wo die Wasserstoffspülmenge (d.h. die Wasserstoffabgabemenge vom Spülventil 23) größer als die vorbestimmte OCV Spülmenge wird, das Spülventil 23 vom offenen Zustand zum Sperrzustand umgeschaltet.
Zum Beispiel werden zur Zeit t5, wo eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem das Spülventil 23 zum Sperrzustand gebracht wurde, das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 vom Sperrzustand zum offenen Zustand umgeschaltet. Im Ergebnis ist der Anodenaustausch abgeschlossen, und wird der Austausch von der Kathode 11B mit Luft gestartet. Bei diesem Start des Kathodenaustauschs wird der Kathode 11B Luft zugeführt, und die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 nimmt zur Zeit t5 und anschließend allmählich von Null aus zu.
Mit Abschluss des Anodenaustauschs und der Ausführung des Kathodenaustauschs, wird, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem das Spülventil 23 zum Sperrzustand gebracht wurde, der Wasserstoff, der zum Spülventil 23 durch den Anodenaustausch abgegeben wurde, mit Luft verdünnt, so dass die Wasserstoffkonzentration, die vom Spülventil 23 durch den Kathodenaustausch abgegeben wird, einen vorbestimmten spezifischen Wert nicht überschreitet.
Zum Beispiel wird zur Zeit t6, wo eine geeignete Zeitdauer abgelaufen ist, das Bypassventil 18 geschlossen.
Darüber hinaus wird zum Beispiel zur Zeit t7, wo die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 eine vorbestimmte zulässige Stromerzeugungsspannung V1 erreicht, die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 (d.h. Entladung zur elektrischen Last) mit Konstantspannungsregelung gestartet, und der vom Brennstoffzellenstapel 11 erzeugte Strom ändert sich von Null zu einem vorbestimmten Strom 11.
Zum Beispiel wird zur Zeit t8, wo eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem das Einlassschließventil 15 und das Auslassventil 16 vom Sperrzustand zum offenen Zustand geschaltet wurden, die Luftpumpe 13 gestoppt, und der Kathodenaustausch wird beendet, und die Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 ist abgeschlossen.
Wie oben in 4 gezeigt, ist es, falls das Brennstoffzellensystem 10 durch Ausführung des Anodenaustauschs des Kathodenaustauschs aktiviert wird, zum Beispiel wie im in 5A gezeigten Arbeitsbeispiel, möglich, das elektrische Potential der Kathode 11B der Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 11 angenähert auf ein vorbestimmtes Potential Va zu drücken, indem zur Zeit ts die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 ausgeführt wird (d.h. Entladung zur elektrischen Last).
Falls hingegen das Brennstoffzellensystem 10 ohne Ausführung der Stomerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 aktiviert wird (d.h. Entladung zur elektrischen Last), wie zum Beispiel im Vergleichsbeispiel von 5B gezeigt, steigt das elektrische Potential der Kathode 11B der Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 11 angenähert auf das elektrische Potential Vb, das höher ist als das vorbestimmte elektrische Potential Va, und in einigen Fällen könnte der Kathodenkatalysator schlechter werden.
Wie oben beschrieben, wird, gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 und dem Aktivierungsverfahren für das Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführung, der Kathode 11B über den Kathodengasströmungsweg 41 Luft zugeführt, wenn bestimmt wird, dass sich Wasserstoff an dem Anodengasströmungsweg 44 befindet, und hierdurch wird es möglich, in dem Zustand, wo sich an der Anode 11A kein Wasserstoff befindet, zu verhindern, dass Luft über den Kathodenströmungsweg 41 der Kathode 11B verschwenderisch zugeführt wird.
Ferner lässt sich in dem Zustand, wo sich an der Anode 11A kein Wasserstoff befindet, verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel 11 mit einer elektrischen Last verbunden wird, und es lässt sich auch eine Verschlechterung im Brennstoffzellenstapel 11 verhindern, die durch ungenügendes Anodengas während der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 verursacht wird.
Darüber hinaus lässt sich durch Ausführung der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 (d.h. Entladung zur elektrischen Last), während die Spannung VFC bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung gehalten wird, verhindern, dass das elektrische Potential übermäßig ansteigt, wenn keine Last anliegt (zum Beispiel ein Anstieg des elektrischen Potentials der Kathode 11B), und es lässt sich eine Verschlechterung im Brennstoffzellenstapel 11 verhindern, die durch einen übermäßigen Anstieg des elektrischen Potentials verursacht wird.
Wenn ferner das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 vom Sperrzustand zum offenen Zustand geschaltet werden und die Luftzufuhr zur Kathode 11B über den Kathodengasströmungsweg 41 gestartet wird, durch Öffnung des Bypassventils 18, wird es, mit der Luft, welche durch den Bypassströmungsweg 43 geflossen ist, möglich, den Wasserstoff in dem Kathodengasabführströmungsweg 42 zu verdünnen, der durch die Luft aus der Kathode 11B hinausgedrückt worden ist.
Da ferner die dem Kathodengasströmungsweg 41 zugeführte Luft abgezweigt und zur Kathode 11B und zum Bypassströmungsweg 43 fließt, ist es möglich, die in die Kathode 11B einzuführende Luft zu reduzieren und zu verhindern, dass die von der Kathode 11B abzugebende Wasserstoffkonzentration zu hoch wird.
Wenn darüber hinaus die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 stattfindet (d.h. Entladung zu einer elektrischen Last), indem das Bypassventil 18 nach Öffnung des selben geschlossen wird, und das Einlassschließventil 15 und das Auslassschließventil 16 geöffnet werden, ist es möglich, dass die Kathodengaskonzentration der Kathode 11B präzise auf einer gewünschten Konzentration liegt.
Wenn ferner die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 stattfindet (d.h. Ladung zur elektrischen Last), indem die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs mit zum Beispiel konstanten Spannungsregelung liegt, ist es möglich, auf leichte Weise einen übermäßigen Anstieg des elektrischen Potentials zu verhindern, ohne eine komplizierte Regelung zu benötigen.
Darüber hinaus ist es durch Ausführung des normalen Stromerzeugungsmodus einschließlich des Leerlaufbetriebszustands nach Abschluss der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 möglich, die Gaszufuhrmenge zur Kathode 11B und den zu erzeugenden elektrischen Strom zu reduzieren und den Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10 zu verbessern.
Indem ferner der Anodenaustausch ausgeführt wird, ist es möglich, dass die Wasserstoffkonzentration der Anode 11A präzise bei einer gewünschten Konzentration ist.
Darüber hinaus ist es, indem der Verschlusszustand der Kathode 11B mit dem Einlassschließventil 15 und dem Auslassschließventil 16 beibehalten wird, wenn der Anodenaustausch ausgeführt wird, möglich, den Zustand der Sauerstoffkonzentration in der Luft innerhalb des Kathodensystems 11B niedriger zu halten als jenen der Atmosphäre, und das Auftreten eines inneren Stroms unterdrücken (d.h. eine Bewegung von Wasserstoffionen zwischen den Elektroden unterdrücken).
Falls ferner die Konzentration des an der Anode 11A befindlichen Wasserstoffs vorübergehend höher als oder gleich einer vorbestimmten Konzentration ist, kann der Anodenaustausch weggelassen werden, d.h. die Wasserstoffzufuhr zur Anode 11A und das Öffnen des Spülventils 23 während einer vorbestimmten Dauer.
In der oben beschriebenen Ausführung wird, wie in 4 gezeigt, zum Beispiel die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 gestartet, nachdem Luft der Kathode 11B zugeführt worden ist, und dann die Spannung VFC des Brennstoffzellenstapels 11 die vorbestimmte zulässige Stromerzeugungsspannung V1 erreicht hat. Jedoch ist sie hierauf nicht beschränkt, und zum Beispiel könnte die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 auch gleichzeitig mit dem Start der Luftzufuhr zur Kathode 11B starten.
Da auch in diesem Fall bestimmt wird, dass sich Wasserstoff vorübergehend an der Anode 11A befindet, lässt sich ein Mangel der Anodenstöchiometrie vermeiden, d.h. das Verhältnis der Zufuhrmenge in Bezug auf die theoretische Anodengasverbrauchsmenge, die erforderlich ist, um einen elektrischen Ausgangsstrom auf einem gewünschten Pegel auszugeben, und eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 11 verhindern.
In der oben beschriebenen Ausführung ist es, durch das Vorsehen des Einlassschließventils 15 und des Auslassschließventils 16 und indem die Kathode 11B in den verschlossenen Zustand gebracht wird, möglich, auf exzellente Weise zu verhindern, dass sich die Gasumgebung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 durch Änderung der Außenumgebung ändert.
Als Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus eines Brennstoffzellensystems (10) führt eine Steuervorrichtung (32) aus: einen ersten Schritt zur Bestimmung, ob das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist oder nicht; einen zweiten Schritt, um einen Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand zu bringen, wenn im ersten Schritt erfasst wird, dass das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist; einen dritten Schritt zum Zuführen des Kathodengases zu der Kathode (11B) durch den Kathodengasströmungsweg (41), nachdem der zweite Schritt ausgeführt worden ist; und einen vierten Schritt, um nach Ausführung des dritten Schritts, wenn eine von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) eine vorbestimmte Spannung erreicht, eine elektrische Last (M) mit der Brennstoffzelle (11) zu verbinden und elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle (11) durchzuführen, während die Spannung (VFC) bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung beibehalten wird.

Claims

Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend: eine Brennstoffzelle (11), die mit einer Anode (11A) zugeführtem Anodengas und einer Kathode (11B) zugeführtem Kathodengas elektrischen Strom erzeugt; einen Anodengasströmungsweg (44), der mit der Anode (11A) verbunden ist; eine Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21), die dem Anodengasströmungsweg (44) das Anodengas zuführt; einen Anodengaszirkulationsströmungsweg (46) und eine Umwälzpumpe (22), die in der Lage sind, das Anodengas zur Anode (11A) umzuwälzen; einen Anodengasabführströmungsweg (45), der mit einer Auslassseite der Anode (11A) verbunden ist; ein Spülventil (23), das in der Lage ist, zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand des Anodengasabführströmungswegs (45) in Bezug auf die Außenseite des Brennstoffzellensystems umzuschalten, einen Kathodengasströmungsweg (41), der mit der Kathode (11B) verbunden ist; eine Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16), die dem Kathodengasströmungsweg (41) das Kathodengas zuführt; einen Kathodengasabführströmungsweg (42), der mit einer Auslassseite der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und von dem ein Bypassströmungsweg (43) mit einem Bypassventil (18) abzweigt, wodurch Kathodengas der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) und, unter Umgehung der Kathode (11B), dem Kathodengasabführströmungsweg (42) zugeführt werden kann; ein Schließventil (15, 16) zum Schließen des Kathodengasströmungswegs (41) und des Kathodengasabführströmungswegs (42) vor Ausführung eines Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus; eine Spannungserfassungsvorrichtung (34), die eine Spannung der Brennstoffzelle (11) erfasst; einen Schaltschütz (30), der zwischen einem verbundenen Zustand der Brennstoffzelle (11) mit einer elektrischen Last (M) und einem Abschaltzustand zwischen diesen umschaltbar ist; und eine Steuervorrichtung (32), die die Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21) und die Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16) steuert, worin im Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus der Brennstoffzelle (11) enthalten sind: ein erster Schritt (S01, S02, S03) zur Bestimmung, ob das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist oder nicht; ein zweiter Schritt (S04), um den Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand zu bringen, wenn im ersten Schritt erfasst wird, dass das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden (S01 JA) ist; ein dritter Schritt (S05) zum Antreiben der Umwälzpumpe (22) nach Ausführung des zweiten Schritts; ein vierter Schritt (S06, S08) zum Starten der Zufuhr des Anodengases zu dem Anodengasströmungsweg (44) und Öffnen des Spülventils (23) nach Ausführung des dritten Schritts, um die Anode (11A) zu spülen; ein fünfter Schritt (S09 JA) zum Schließen des Spülventils (23) nach der Spülung der Anode (11A) im vierten Schritt; ein sechster Schritt (S06) zum Zuführen des Kathodengases zu der Kathode (11B) durch den Kathodengasströmungsweg (41) bei geöffnetem Bypassventil (18), nachdem der fünfte Schritt ausgeführt worden ist, und Öffnen der Schließventile (15, 16); und ein siebter Schritt (S12, S13, S14), um nach Ausführung des sechsten Schritts, wenn eine von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) eine vorbestimmte Spannung erreicht, die elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle (11) durchzuführen, während die elektrische Last (M) mit der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und die Spannung (VFC) bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung gehalten wird, worin der Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (S15) seit seinem Start abgeschaltet (S16) wird.
Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1, worin: das Brennstoffzellensystem (10) an einem Fahrzeug angebracht ist; ferner eine Aktivierungseingabevorrichtung (2) vorgesehen ist, die eine Aktivierung des Fahrzeugs anweist; und falls eine Aktivierung des Fahrzeugs durch die Aktivierungseingabevorrichtung (2) angewiesen wird, der zweite Schritt den Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand bringt, wenn eine Stoppverweilzeit der Brennstoffzelle (11) und/oder eine Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) und/oder ein Druck der Anode (11A) und/oder eine Sauerstoffkonzentration der Anode (11A) oder der Kathode (11B) in einem vorbestimmten Zustand ist.
Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin der siebte Schritt ausgeführt wird, wenn die von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) bei einer Spannung (VFC) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Brennstoffzellensystem (10), umfassend: eine Brennstoffzelle (11), die mit einer Anode (11A) zugeführtem Anodengas und einer Kathode (11B) zugeführtem Kathodengas elektrischen Strom erzeugt; einen Anodengasströmungsweg (44), der mit der Anode (11A) verbunden ist; eine Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21), die dem Anodengasströmungsweg (44) das Anodengas zuführt; einen Anodengaszirkulationsströmungsweg (46) und eine Umwälzpumpe (22), die in der Lage sind, das Anodengas zur Anode (11A) umzuwälzen; einen Anodengasabführströmungsweg (45), der mit einer Auslassseite der Anode (11A) verbunden ist; ein Spülventil (23), das in der Lage ist, zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand des Anodengasabführströmungswegs (45) in Bezug auf die Außenseite des Brennstoffzellensystems umzuschalten, einen Kathodengasströmungsweg (41), der mit der Kathode (11B) verbunden ist; eine Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16), die dem Kathodengasströmungsweg (41) das Kathodengas zuführt; einen Kathodengasabführströmungsweg (42), der mit einer Auslassseite der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und von dem ein Bypassströmungsweg (43) mit einem Bypassventil (18) abzweigt, wodurch Kathodengas der Kathode (11B) der Brennstoffzelle (11) und, unter Umgehung der Kathode (11B), dem Kathodengasabführströmungsweg (42) zugeführt werden kann; ein Schließventil (15, 16) zum Schließen des Kathodengasströmungswegs (41) und des Kathodengasabführströmungswegs (42) vor Ausführung eines Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus; eine Spannungserfassungsvorrichtung (34), die eine Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) erfasst; einen Schaltschütz (30), der zwischen einem verbundenen Zustand der Brennstoffzelle (11) mit einer elektrischen Last (M) und einem Abschaltzustand zwischen diesen umschaltbar ist; und eine Steuervorrichtung (32), die die Anodengaszuführvorrichtung (19, 20, 21) und die Kathodengaszuführvorrichtung (13, 15, 16) steuert/regelt, worin im Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus der Brennstoffzelle (11) die Steuervorrichtung (32) ausführt: einen ersten Schritt (S01, S02, S03) zur Bestimmung, ob das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist oder nicht; einen zweiten Schritt (S04), um den Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand zu bringen, wenn im ersten Schritt erfasst wird, dass das Anodengas in dem Anodengasströmungsweg (44) vorhanden ist (S01 JA); einen dritten Schritt (S05) zum Antreiben der Umwälzpumpe (22) nach Ausführung des zweiten Schritts; einen vierten Schritt (S06, S08) zum Starten der Zufuhr des Anodengases zu dem Anodengasströmungsweg (44) und Öffnen des Spülventils (23) nach Ausführung des dritten Schritts um die Anode (11A) zu spülen; einen fünften Schritt (S09 JA) zum Schließen des Spülventils (23) nach der Spülung der Anode (11A) im vierten Schritt; einen sechsten Schritt (S06) zum Zuführen des Kathodengases zu der Kathode (11B) durch den Kathodengasströmungsweg (41) bei geöffnetem Bypassventil (18), nachdem der fünfte Schritt ausgeführt worden ist, und Öffnen der Schließventile (15, 16); und einen siebten Schritt (S12, S13, S14), um nach Ausführung des sechsten Schritts, wenn eine von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) eine vorbestimmte Spannung erreicht, die elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle (11) durchzuführen, während die elektrische Last (M) mit der Brennstoffzelle (11) verbunden ist und die Spannung (VFC) bei oder unterhalb der vorbestimmten Spannung gehalten wird, worin der Aktivierungszeitstromerzeugungsmodus nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (S15) seit seinem Start abgeschaltet (S16) wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, worin: das Brennstoffzellensystem (10) an einem Fahrzeug angebracht ist; ferner eine Aktivierungseingabevorrichtung (2) vorgesehen ist, die eine Aktivierung des Fahrzeugs anweist; und falls eine Aktivierung des Fahrzeugs durch die Aktivierungseingabevorrichtung (2) angewiesen wird, die Steuervorrichtung (32) im zweiten Schritt den Schaltschütz (30) in den verbundenen Zustand bringt, wenn eine Stoppverweilzeit der Brennstoffzelle (11) und/oder eine Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) und/oder ein Druck der Anode (11A) und/oder eine Sauerstoffkonzentration der Anode (11A) oder der Kathode (11 B) in einem vorbestimmten Zustand ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4 oder 5, worin die Steuervorrichtung (32) den siebten Schritt ausführt, wenn die von der Spannungserfassungsvorrichtung (34) erfasste Spannung (VFC) der Brennstoffzelle (11) eine Spannung (VFC) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.