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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung
und eine Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung, und betrifft
insbesondere eine Technik zum Steuern/Regeln von Vorgängen der
Brennstoffzelle, wenn sich eine Zufuhrflussrate und ein Zufuhrdruck
von der Brennstoffzelle zugeführten
Reaktionsgasen mit einer Änderung
des Atmosphärendrucks ändert.
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Beschreibung
der relevanten Technik
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Herkömmlich ist
ein Brennstoffzellenstapel (nachfolgend Brennstoffzelle genannt)
durch eine Mehrzahl von Zellen aufgebaut, deren jede gebildet ist,
indem ein Paar von Elektroden an entgegengesetzten Seiten einer
Festpolymer-Elektrolytmembrane vorgesehen ist. In dieser Brennstoffzelle
wird Wasserstoff als Brenngas einer Anode zugeführt, und Luft als Oxidationsgas
wird einer Kathode zugeführt,
und Wasserstoffionen, die durch eine katalytische Reaktion an der
Anode erzeugt werden, bewegen sich durch die Festpolymer-Elektrolytmembrane zur
anderen Elektrode hin. Die Wasserstoffionen bewirken, nach Überführung zur
Kathode, eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff an der Kathode, um
elektrische Energie zu erzeugen.
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Die
oben beschriebene Brennstoffzelle umfasst z.B. einen Luftkompressor,
um der Kathode der Brennstoffzelle Luft zuzuführen, sowie ein Druckflussraten-Steuerventil
zum Zuführen
des Wasserstoffs zur Anode der Brennstoffzelle unter Verwendung
des Luftdrucks als Signaldruck. Das heißt, die Brennstoffzelle ist
konstruiert, um einen vorbestimmten Erzeugungswirkungsgrad sicherzustellen,
indem der anodenseitige Reaktionsgasdruck auf einen vorbestimmten
Druck gesetzt wird, der von dem kathodenseitigen Druck abhängig ist.
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Jedoch
ist es in einer Brennstoffzelle gemäß einem Beispiel der herkömmlichen
Brennstoffzellen nicht möglich,
die Reaktionsgase mit einem gewünschten
Druck und einer gewünschten
Temperatur zuzuführen,
wenn das Fahrzeug zu hoch gelegenen Orten fährt.
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Das
heißt,
wenn die Höhe
zunimmt, sinkt der Atmosphärendruck
und die Luft wird knapper. Um daher eine gewünschte Menge an elektrischer
Energie zu erhalten, ist es notwendig, die Flussrate (Massenflussrate)
des Reaktionsgases zu erhöhen
und den Druck des Reaktionsgases auf einem vorbestimmten Druck zu
halten, indem die Drehzahl des Kompressors erhöht wird. Wenn es jedoch erforderlich
wird, die Drehzahl des Kompressors auf ein Maß zu erhöhen, das die Leistungsfähigkeit
des Luftkompressors überschreitet,
wird es schwierig, das Reaktionsgas mit einem gewünschten
Flussratenniveau und einem gewünschten
Druckniveau zuzuführen.
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Wenn
in einem Zustand, in dem das Reaktionsgas nicht mit einem gewünschten
Druck und einer gewünschten
Flussrate der Brennstoffzelle zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle
einen vorbestimmten elektrischen Strom auf der Basis eines vorbestimmten
Erzeugungsbefehls erzeugen soll, entsteht ein Problem darin, dass
die Erzeugungsspannung der Brennstoffzelle unstabil wird oder die
Erzeugungsspannung zu weit unter eine vorbestimmte Spannung abfällt. Da
ferner der erzeugte Strom von der Brennstoffzelle ausgegeben wird,
während
das Reaktionsgas nicht ausreichend zugeführt wird, besteht die Möglichkeit,
dass die Festpolymermembrane der Brennstoffzelle zerstört wird
oder dass die Langzeithaltbarkeit der Brennstoffzelle verschlechtert
wird.
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Aus
der WO 00/45455 A1 ist eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Dort wird die Drehzahl des
Kompressors nach Maßgabe
des Sauerstoffpartialdrucks geregelt. Die Korrektur erfolgt durch
Zufuhr von Reaktionsgasen, und der aus dem Brennstoff erhaltene
elektrische Strom wird nicht begrenzt.
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Aus
der JP 06-243886 AA ist es bekannt, bei einer ähnlichen Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung,
zur Steuerung der zugeführten
Luftmenge, den Atmosphärendruck
zu erfassen. Die Steuerung erfolgt durch Zufuhr des Reaktionsgases,
und auch hier wird der aus der Brennstoffzelle erhaltene elektrische
Strom nicht begrenzt.
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Die
US 6,175,217 B1 offenbart
zwei unterschiedliche Systeme: In
12 ein
von einer Brennkraftmaschine angezogenes Generatorsystem, worin der
Strom unter Berücksichtigung
des Atmosphärendrucks
geregelt wird, und in
15 ein anderes
System, worin die Gleichstrom-Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems
ohne Berücksichtigung
des Atmosphärendrucks
auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Die
prioritätsältere, aber
nachveröffentliche
DE 101 18 151 A1 zeigt,
dass der Gegendruck im Brennstoffzellensystem dynamisch geregelt
wird. Die Regelung erfolgt durch den Druck der Reaktionsgase, und
der aus der Brennstoffzelle erhaltene elektrische Strom wird nicht
begrenzt.
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Die
DE 43 22 765 C1 zeigt,
dass die Luftzufuhrmenge und die maximale Ausgangsleistung entsprechend
der Gaspedalstellung geregelt, werden, aber der abgeführte Strom
wird nicht gemäß dem Atmosphärendruck
geregelt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
bereitzustellen, bei dem die Reaktionsgase, auch wenn das Fahrzeug
an einem hoch gelegenen Ort mit erniedrigtem Atmosphärendruck
fährt,
mit einem gewünschten
Druck und einer gewünschten
Temperatur zuführbar
sind.
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Zur
Lösung
der vorgenannten Aufgabe wird eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung
nach Anspruch 1 angegeben.
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Indem
man die Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung wie oben beschrieben
konstruiert, sinkt die Fluss(Massenfluss)rate von Luft als dem der Brennstoffzelle
zuzuführenden
Reaktionsgas, wenn die Luft entsprechend einer Abnahme des Atmosphärendrucks
knapper wird. Proportional zur sinkenden Menge des Reaktionsgases
sinkt die von der Brennstoffzelle erhältliche elektrische Energie.
Der Stromwert der von der Brennstoffzelle erzeugten Stromausgabe
wird von der Strom-Steuer/Regelvorrichtung
auf einen geeigneten Wert (z.B. einen relativ kleinen Wert) gesteuert/geregelt.
Die oben beschriebene Konstruktion macht es hierdurch möglich, eine Fehlfunktion
der Brennstoffzelle zu verhindern, etwa aufgrund davon, dass die
Erzeugungsspannung der Brennstoffzelle eine unstabile Fluktuation
zeigt oder dass die Erzeugungsspannung einen zu starken Abfall zeigt,
was eine Steuerung/Regelung der Brennstoffzelle unter den optimierten
Bedingungen zur Folge hat.
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Bevorzugt
ist gemäß Anspruch
2 die Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung
zum Steuern und/oder Regeln eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildet.
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Indem
man eine Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelevorrichtung wie oben
beschrieben konstruiert, wird der Stromwert der von der Brennstoffzelle
erzeugten Stromausgabe, auf der Basis der Akzeleratoröffnung und
des Atmosphärendrucks,
durch die Steuer/Regelvorrichtung auf einen geeigneten Wert gesteuert/geregelt.
Auch wenn demnach das Fahrzeug zu einem hoch gelegenen Ort fährt, ist
es, da der Stromwert des der Last zuzuführenden erzeugten Stroms auf
einen kleineren Wert modifiziert werden kann, möglich, Fehlfunktionen der Brennstoffzelle
zu verhindern, wie etwa dass die Erzeugungsspannung der Brennstoffzelle
eine unstabile Fluktuation zeigt oder dass die Erzeugungsspannung
einen zu starken Abfall zeigt; die obige Konstruktion macht es hierdurch
möglich,
zu verhindern, dass die Brennstoffzelle ihre Langzeithaltbarkeit
verliert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Diagramm, das die Struktur einer Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung
zeigt, die mit der Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung versehen ist;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das Vorgänge der
Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung
zeigt, und insbesondere den Prozess zeigt, um einen Soll-Erzeugungsstrom
P durch die Brennstoffzelle zu setzen.
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3 ist
eine Graphik, die die Änderung
des maximalen Erzeugungsstroms PI der Brennstoffzelle gemäß der Änderung
des Atmosphärendrucks
zeigt.
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4 ist
eine Graphik, die die Änderung
des Zufuhr-Erzeugungsstromwerts
PS gemäß einem Öffnungsgrad
eines Akzelerators in Abhängigkeit
vom Atmosphärendruck
zeigt.
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DETAILBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
wird eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung und eine Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung
gemäß einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm, das die Struktur der Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10 zeigt,
die mit der Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung 10a gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung versehen ist.
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Das
Brennstoffzellenfahrzeug 1 gemäß der vorliegenden Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist mit einer Hybrid-Stromquellenvorrichtung
versehen, die eine Brennstoffzelle 11 sowie eine Batterievorrichtung,
wie etwa einen Kondensator 12, aufweist. Eine Antriebskraft
eines Antriebsmotors 13, die durch Zufuhr der von der vorgenannten
Stromquellenvorrichtung zugeführten
elektrischen Energie erzeugt wird, wird auf die Antriebsräder W durch
ein Getriebe T/M übertragen,
das aus einem Automatikgetriebe oder einem manuellen Getriebe aufgebaut ist.
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Wenn
eine Antriebskraft von den Antriebsrädern W auf den Antriebsmotor 13 übertragen
wird, wenn das Fahrzeug verzögert,
wirkt der Antriebsmotor als Generator zum Erzeugen einer regenerativen Bremsung.
Demzufolge wird die kinetische Energie des Fahrzeugs als elektrische
Energie wiedergewonnen.
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Die
Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10 nach
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung 10a,
einen Antriebsmotor 13, einen Akzeleratoröffnungssensor 14 zum
Erfassen eines Öffnungsgrads des Akzelerators
(d.h. den Wunsch nach Beschleunigung), der durch die Gaspedalbetätigung des
Fahrers des Fahrzeugs bestimmt wird.
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Ferner
ist die Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung 10a z.B.
aufgebaut aus einer Brennstoffzelle 11, einem Kondensator 12,
einem Luftkompressor 21, einem Kühler 22, einem Kühler-Bypass-Steuerventil 23,
einem Kathodenbefeuchter 24, einem Gegendrucksteuerventil 25,
einem Wasserstofftank 31, einem Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32,
einem Wärmetauscher 33,
einem Ejektor 34, einem Ejektor-Bypass-Steuerventil 35,
einem Anodenbefeuchter 36, einem Speichertank 3,
einem Auslasssteuerventil 38, einem Stromsteuergerät 41,
einem Ausgabesteuergerät 42,
einem Monitor 43, einer zentralen Steuereinheit (ECU) 44,
einem Atmosphärendrucksensor 45,
einem Flussratensensor 46 sowie einem Drucksensor 47.
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Die
Brennstoffzelle 11 ist aus einem Stapel einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen aufgebaut, deren jede gebildet ist, indem eine
Festpolymer-Elektrolytmembrane durch die Anode und die Kathode von
beiden Seiten aufgenommen ist, und die Brennstoffzelle umfasst eine
Wasserstoffelektrode zum Zuführen
von Wasserstoff als Brennstoff sowie eine Luftelektrode zum Zuführen von
Luft als Oxidationsgas enthält.
Wasserstoffionen, die an der Anodenelektrode durch eine katalytische
Reaktion erzeugt werden, bewegen sich zur Kathode, worin die Wasserstoffionen
mit Sauerstoff durch eine elektrochemische Reaktion reagieren, und
es wird elektrische Energie erzeugt.
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Die
Luftelektrode der Brennstoffzelle umfasst eine Luftzufuhröffnung 11a zum
Zuführen
von Luft von dem Luftkompressor 21, der dem Oxidationsgaszufuhrabschnitt
entspricht, sowie eine Luftauslassöffnung 11b zum Abgeben
der Luft von der Luftelektrode. Die Wasserstoffelektrode umfasst
hingegen eine Wasserstoffzufuhröffnung 11c zum
Zuführen
von Wasserstoff aus einem Wasserstofftank, der einen Brennstoffzufuhrabschnitt
darstellt, sowie eine Wasserstoffauslassöffnung 11d zum Abgeben von
Wasserstoff von der Wasserstoffelektrode.
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Der
Luftkompressor 21 führt
eine adiabatische Kompression der Luft durch, die von außerhalb des
Fahrzeugs eingeführt
wird, und die komprimierte Luft wird nicht nur der Luftelektrode
als Reaktionsgas zugeführt,
sondern wird auch als Drucksignal dem Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 und
dem Ejektor-Bypass-Steuerventil 35 zugeführt, die
in dem späteren
Abschnitt im Detail beschrieben werden.
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Nach
Kompression und Erhitzung durch den Luftkompressor 21 kann
die Luft gekühlt
werden, indem sie dem Kühler 22 zugeführt wird.
Gemäß dem Antriebszustand
der Brennstoffzelle wird die Luft, nachdem sie durch den Kühler auf
eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt worden ist, dem Kathodenbefeuchter 24,
dem Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 und dem Ejektor-Bypass-Steuerventil 35 zugeführt.
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Es
ist ein Kühler-Bypass-Kanal 22a,
der den Kühler 22 und
das Kühler-Bypass-Steuerventil 23, das
z.B. stromab des Kühlers 22 angeordnet
ist, umgeht, an einem Kanal vorgesehen, der zwischen dem Luftkompressor 21 und
dem Kathodenbefeuchter 24 angeschlossen ist, und an einem
Kanal, der das Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 mit dem
Ejektor-Bypass-Steuerventil 35 verbindet.
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Demzufolge
ist es, in Abhängigkeit
vom Antriebszustand der Brennstoffzelle 11, möglich, die Luft,
nachdem sie durch den Luftkompressor 21 komprimiert und
erhitzt worden ist, der Brennstoffzelle 11 direkt ohne
Abkühlung
zuzuführen,
indem das Kühler-Bypass-Steuerventil 23 geschlossen
wird.
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Der
Kathodenbefeuchter 24 ist aus einer wasserpermeablen Membrane
aufgebaut, wie z.B. einer Hohlfasermembran, und benutzt die Abluft,
die von der Luftauslassöffnung 11b der
Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, um die der Brennstoffzelle 11 zuzuführende Luft
als das Reaktionsgas zu befeuchten. Das heißt, wenn Luft und die Abluft
durch eine wasserpermeable Membrane in Kontakt gebracht werden,
wird der Wassergehalt (insbesondere Wasserdampf) in der Abluft der
Luft als Wasserdampf zugeführt,
nachdem er die wasserpermeable Membrane durchdrungen hat.
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Das
befeuchtete Wasser wird der Brennstoffzelle 11 zugeführt und
hält eine
Ionenleitfähigkeit
der Festpolymer-Elektrolytmembrane auf einem vorbestimmten Wert.
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Wie
oben beschrieben ist anzumerken, dass die Abluft, die von der Luftauslassöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 abgegeben
wird, aufeinander folgend dem Anodenbefeuchter 37 und dem
Kathodenbefeuchter 24 als das Befeuchtungsgas zugeführt wird,
und das Abgas, das von dem Kathodenbefeuchter 24 abgegeben
wird, durch das Gegendruck-Steuerventil zur Außenseite des Fahrzeugs abgeführt wird.
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Die
ECU 44 steuert/regelt die Öffnungs- oder Schließvorgänge des
Gegendruck-Steuerventils 25 in Abhängigkeit von den Antriebszuständen der Brennstoffzelle,
und der Grad der Ventilöffnung
des Gegendruck-Steuerventils
wird in Abhängkeit
von dem von der ECU 44 eingegebenen Steuersignal gesetzt,
so dass der Druck der der Brennstoffzelle 11 zuzuführenden
Luft auf einen vorbestimmten Druck gesteuert/geregelt wird.
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Wasserstoff
als Brennstoff für
die Brennstoffzelle 11 wird z.B. aus einem Hochdruckwasserstofftank 31 dem
Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 zugeführt.
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Das
Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 ist z.B. aus einem pneumatischen
Proportional-Steuerventil aufgebaut, und der Druck des Wasserstoffs
am Auslass des Brennstoffzufuhr-Steuerventils 32 wird,
nach Passieren des Brennstoffzufuhr-Steuerventils 32, in Antwort
auf den Signaldruck auf einen vorbestimmten Druckbereich gesetzt.
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Wasserstoff
wird, nach Passage des Brennstoffzufuhr-Steuerventils 32,
dem Wärmetauscher 33 zugeführt. In
dem Wärmetauscher
wird die Temperatur des Wasserstoffs durch einen Wärmeaustausch, z.B.
mit einem Kühlmittel
auf eine vorbestimmte Temperatur gesetzt, und der Wasserstoff wird
nach dem Wärmeaustausch
der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 11 zugeführt, nachdem
er aufeinander folgend den Ejektor 34 oder das Ejektor-Bypass-Steuerventil 35 und
einen Anodenbefeuchter 36 passiert hat.
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Das
von der Brennstoffzelle abgegebene nicht reagierte Abgas wird durch
einen Speichertank 37 dem Ejektor 34 zugeführt, und
der von dem Wärmetauscher 33 zugeführte Wasserstoff
und das Abgas von der Brennstoffzelle 11 werden vermischt
und der Brennstoffzelle 11 erneut zugeführt.
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Der
Ejektor 34 nimmt das Abgas von der Brennstoffzelle durch
einen Unterdruck auf, der in der Nähe eines Hochgeschwindigkeits-Wassergasstroms erzeugt
wird, und der abgegebene Wasserstoff wird dann mit Wasserstoff vermischt,
der durch den Wärmetauscher 33 zugeführt wird,
und wird erneut der Brennstoffzelle zugeführt, um einen Abgaskreislauf
zu bilden.
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Ein
Ejektor-Bypass-Kanal 34a, der den Ejektor 34 umgeht,
ist an dem Kanal vorgesehen, der den Wärmetauscher 33 mit
dem Anodenbefeuchter 36 verbindet.
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In
dem Ejektor-Bypass-Kanal 34a ist ein Ejektor-Bypass-Steuerventil 35,
das einempneumatischen Proportionaldruck-Steuerventil entspricht,
parallel zu dem Ejektor 34 angeordnet, und der Wasserstoffdruck
am Auslass des Brennstoffzufuhr-Steuerventils 32, das heißt der Brennstoffzufuhrdruck,
wird, nach Passieren es Brennstoffzufuhr-Steuerventils 32,
in Antwort auf den Signaldruck auf einen vorbestimmten Druckbereich
gesetzt, wenn der von dem Luftkompressur zugeführte Luftdruck als der Signaldruck
verwendet wird.
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Das
heißt,
die Druck- und Flussraten-Charakteristik des den Ejektor 34 passierenden
Wasserstoffs wird durch die Druck- und Flussraten-Steuerung/Regelung
an dem Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 und dem Ejektor-Bypass-Steuerventil 35 so
gesteuert/geregelt, dass er in einen vorbestimmten Zustand eintritt,
wobei der Luftdruck entsprechend dem Oxidationsgas als der Standard
gesetzt wird. Der obige Prozess bedeutet, dass die Druckdifferenz
zwischen dem Druck des Oxidationsgases (Luftzufuhrdruck) und dem
Druck des Brennstoffes (Brennstoffzufuhrdruck) für die Festpolymer-Elektrolytmembrane,
d.h. die Elektrodendruckdifferenz zwischen dem Druck zur Brennstoffelektrode
und dem Druck zur Luftelektrode so gesteuert/geregelt wird, dass
eine vorbestimmte Druckdifferenz eintritt.
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Der
Anodenbefeuchter 36 ist als eine wasserpermeable Membrane
aufgebaut, wie etwa eine Hohlfasermembrane. Die Abluft, die von
der Luftauslassöffnung 11b der
Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, wird als das Befeuchtungsgas
zum Befeuchten des Wasserstoffs genutzt. Das heißt, wenn der Wasserstoff mit
der Abluft durch die wasserpermeable Membrane in Kontakt kommt,
wird der Wassergehalt (insbesondere der Wasserdampf) in der Abluft
dem Wasserstoff zugeführt,
nachdem er die wasserpermeable Membrane passiert hat.
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Der
befeuchtete Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 11 zugeführt, und
somit wird die Ionenleitfähigkeit
der Festpolymer-Elektrolytmembrane auf einem vorbestimmten Wert
gehalten.
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Der
Speichertank 37 führt
eine Gas-Flüssigkeits-Trennung
für das
Abgas aus, das von der Wasserstoffauslassöffnung 11d der Brennstoffzelle 11 abgegeben
wird, und nachdem das in dem Abgas enthaltene flüssige Wasser separiert ist,
wird das Gas in dem Tank 37 gespeichert.
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Der Öffnungs-
und Schließzustand
des Auslasssteuerventils 38 wird durch die ECU 44 gesteuert/geregelt,
und ein überschüssiger Wassergehalt (hauptsächlich flüssiges Wasser)
wird zur Außenseite
des Fahrzeugs abgeführt.
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Der
von der Brennstoffzelle 11 ausgegebene erzeugte elektrische
Strom wird in das Stromsteuergerät 41 eingegeben,
und das Stromsteuergerät 41 ist
mit einem Kondensator 12, wie etwa einem elektrischen Doppelschichtkondensator
oder einem Elektrolytkondensator verbunden, der eine Batterievorrichtung
bildet.
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Die
Brennstoffzelle 11 und der Kondensator 12 sind
parallel zu einem Motor 13 zum Antrieb des Fahrzeugs sowie
einem Motor 43 zum Antrieb des Luftkompressors 21,
die elektrische Lasten darstellen, durch das Stromsteuergerät 41 und
das Ausgabesteuergerät 42 verbunden.
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Das
Stromsteuergerät 41 ist
aufgebaut, indem es z.B. mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler
bzw. DC-DC-Hopper versehen ist, und steuert/regelt den Wert des
von der Brennstoffzelle 11 erzeugten Stroms.
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Das
Ausgabesteuergerät 42 ist
mit einem PWM-Inverter versehen, der aus Schaltelementen aufgebaut
ist, wie etwa IGBT. Wie später
beschrieben, wandelt das Stromsteuergerät 42 die von der Brennstoffzelle 11 und
dem Kondensator 12 ausgegebenen Gleichströme in dreiphasige
Wechselströme,
um sie dem Antriebsmotor oder dem Kompressor zuzuführen, auf
der Basis eines Drehmomentbefehls für den Antriebsmotor oder eines
Drehzahlbefehls für
den Luftkompressor 21.
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Der
Antriebsmotor 13 und der Motor 43 sind durch den
Permanentmagnet-Dreiphasenstrom-Synchronmotor
gebildet, der zum Erzeugen eines Magnetfelds einen Permanentmagneten
benutzt, und diese Motoren werden durch die von dem Ausgabesteuergerät 42 zugeführte Dreiphasen-Wechselstromenergie
gesteuert/geregelt.
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Die
ECU 44 berechnet eine Restladung (Ladungszustand) des Kondensators
auf der Basis des Ausgabestroms, der Anschlussspannung und der Temperaturausgabe
von dem Kondensator 12, d.h. der Batterievorrichtung, und
steuert/regelt die Stromzufuhr zu den Lasten, die aus dem Antriebsmotor 13 oder
dem Motor 43 aufgebaut sind.
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Ferner
steuert/regelt die ECU 44 die Energieumwandlungsvorgänge des
PWM-Inverters, der mit dem Ausgabesteuergerät 42 versehen ist,
und berechnet den Drehmomentbefehl für den Antriebsmotor 13 auf
der Basis des Signals der Akzeleratoröffnung, die entsprechend der
Betätigung
des Gaspedals durch den Fahrer bestimmt wird. Durch Eingabe des
Drehmomentbefehls in das Ausgabesteuergerät 42 wird ein Pulsweitenmodulationssignal
in Antwort auf den vorgenannten Drehmomentbefehl in den PWM-Inverter
eingegeben, und Phasenströme zum
Erzeugen eines Soll-Drehmoments werden in jede Phase des Antriebsmotors 13 eingegeben.
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Darüber hinaus
berechnet, wie später
beschrieben, die ECU 44 eine Drehzahl N des Kompressors 21 als
den Sollwert zur Bestimmung der Flussrate des Reaktionsgases auf
der Basis des Signals, das sich auf die Akzeleratoröffnung AC
bezieht, und des Signals, das sich auf den vom Atmosphärendrucksensor 45 erfassten
Atmosphärendruck
bezieht, und die ECU 44 berechnet eine Ventilöffnung θ des Gegendrucksteuerventils
als den Solldruck für den
Druck des Reaktionsgases. Die Eingabe der Drehzahl N erlaubt es,
den Phasenstrom entsprechend der Drehzahl N zu jeder Phase einzugeben. Die
Eingabe der berechneten Ventilöffnung θ in das Gegendrucksteuerventil
erlaubt es, die Ventilöffnung des
Gegendrucksteuerventils zu steuern/zu regeln.
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Zusätzlich führt die
ECU 44 eine rückkoppelnde
Regelung aus, so dass die Differenz zwischen jeder Sollflussrate
und dem Druck des Reaktionsgases und der Istflussrate und dem Istdruck
des der Brennstoffzelle 11 zugeführten Reaktionsgases auf null
geregelt werden.
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Während der
obigen Steuerung/Regelung berechnet die ECU 44 einen von
der Brennstoffzelle 11 auszugebenden Sollerzeugungsstrom
P durch das Stromsteuergerät 41 auf
der Basis des Signals der Akzeleratoröffnung AC und des Signals des
Atmosphärendrucks
PA, und der Sollerzeugungsstrom P der Brennstoffzelle wird in das
Stromsteuergerät 41 als
der Strombefehlswert IFC eingegeben.
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In
die ECU 44 werden verschiedene Signale eingegeben, wie
etwa ein Erfassungssignal der Akzeleratoröffnung AC aus der Ausgabe des
Akzeleratoröffnungssensors,
die entsprechend der Betätigung des
Gaspedals durch den Fahrer bestimmt wird, ein Erfassungssignal des
Atmosphärendrucks
PA aus der Ausgabe des Atmosphärendrucksensors 45,
ein Signal des Flussratenerfassungswerts QN von dem Flussratensensor 46,
um z.B. die Flussrate (Massenflussrate) von dem Luftkompressor 21 zugeführter Luft
zu erfassen, sowie ein Signal des Druckdetektors N, das von dem
Druckdetektor 47 ausgegeben wird, um den Druck der der
Luftelektrode der Brennstoffzelle 11 zugeführten Luft
zu erfassen.
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Anzumerken
ist, dass der Flussratensensor 46 in der Nähe der Luftauslassöffnung 21a des
Luftkompressors 21 vorgesehen ist, und der Drucksensor 47 in
der Nähe
der Luftzufuhröffnung 11a der Brennstoffzelle 11 vorgesehen
ist.
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Die
Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist durch die obige Konstruktion gebildet,
und die Betriebsweise der oben beschriebenen Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10 und
insbesondere ein Prozess zum Setzen eines Stromwerts des von dem
Stromsteuergerät 41 der
Brennstoffzelle 11 ausgegebenen Erzeugungsstroms in Abhängigkeit
von dem Atmosphärendruck
wird in Bezug auf die beigefügten
Figuren unten beschrieben.
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2 ist
ein Flussdiagramm von Vorgängen zum
Steuern/Regeln der Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10,
insbesondere ein Flussdiagramm, um einen Sollgeneratorstrom in Abhängigkeit
von dem Atmosphärendruck
zu setzen. 3 ist eine Graphik, die eine Änderung
des maximalen Erzeugungsstroms PI mit einer Änderung des Atmosphärendrucks
zeigt.
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Im
in 2 gezeigten Schritt S01 wird ein temporärer Sollgeneratorstrom
PO, der von der Brennstoffzelle 11 auszugeben ist, erhalten,
indem z.B. ein vorgesetzte Werte enthaltendes vorbestimmtes Kennfeld
auf der Basis eines Signals der Akzeleratoröffnung abgefragt wird, das
durch einen Niederdrückvorgang
des Gaspedals durch den Fahrer bestimmt ist.
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In
Schritt S02 wird ein Signal eines vom Atmosphärendrucksensor 45 erfassten
Atmosphärendrucks
PA erhalten.
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Anschließend wird
in Schritt S03 ein maximaler Erzeugungsstrom PI in Antwort auf den
von dem Atmosphärendrucksensor 45 gemessenen Atmosphärendruck
PA erhalten, indem ein vorbestimmtes Kennfeld abgefragt wird, das
eine Beziehung zwischen dem Atmosphärendruck PA und dem maximalen
Erzeugungsstrom PI zeigt.
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Anzumerken
ist, dass das in 3 gezeigte Kennfeld zeigt, dass
sich der maximale Erzeugungsstrom PI mit sinkendem Atmosphärendruck
PA abnehmend ändert,
wenn der Atmosphärendruck
unter einem vorbestimmten Druck #PA0 liegt, und dass, wenn der Atmosphärendruck
einen vorbestimmten Druck von #PA0 überschreitet, der Atmosphärendruck
auf einen vorbestimmten Maximalwert gesetzt wird.
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Anschließend wird
in Schritt S04 bestimmt, ob der temporäre Sollgeneratorstromwert P0
niedriger als der maximale Erzeugurigsstromwert PI ist.
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Wenn
die Bestimmung "NEIN" ist, geht der Fluss
zu Schritt S07 weiter, der später
beschrieben wird.
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Wenn
die Bestimmung "JA" ist, geht der Fluss
zu Schritt S05 weiter.
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In
Schritt S05 wird der Sollgeneratorstromwert P auf den temporären Sollgeneratorstromwert P0
gesetzt, und der Fluss geht zu Schritt S06 weiter.
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In
Schritt S06 wird die Drehzahl des Luftkompressors 21 geregelt,
um den Sollgeneratorstromwert P zu erzeugen, wobei das Stromsteuergerät 41 den
von der Brennstoffzelle 11 ausgegebenen Erzeugungsstrom
steuert/regelt, und der Fluss endet.
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In
Gegensatz hierzu wird in Schritt S07 der Sollgeneratorstromwert
P auf den maximalen Erzeugungsstromwert PI gesetzt, und der Fluss
geht zu Schritt S06 weiter, worin der von der Brennstoffzelle 11 auszugebende Erzeugungsstrom
gesteuert/geregelt wird, indem die Drehzahl N des Luftkompressors 21 durch
das Stromsteuergerät 41 gesteuert/geregelt wird.
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Das
heißt,
der Sollgeneratorstromwert wird mit sinkendem Atmosphärendruck
PA auf einen kleineren Wert gesetzt, und demzufolge wird die Drehzahl
des Luftkompressors 21 gesenkt, um die Flussrate der der
Brennstoffzelle 11 zuzuführenden Luft zu senken, und
der von der Brennstoffzelle 11 ausgegebene Erzeugungsstrom
wird durch das Stromsteuergerät 41 auf
einen relativ kleinen Wert beschränkt.
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Da,
wie oben beschrieben, bei der Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung 10 nach
der vorliegenden Ausführung
der vorliegenden Erfindung der Sollgeneratorstromwert P als der
von der Brennstoffzelle auszugebende Erzeugungsstrom auf der Basis
des von dem Atmosphärendrucksensor 45 ausgegebenen
Erfassungssignals des Atmosphärendrucks
gesetzt wird, kann, auch wenn die angemessene Generatorleistung
der Brennstoffzelle 11 sinkt, weil der Atmosphärendruck
sinkt und die Luft knapp wird, der Generatorstrom, der mittels Stromsteuergerät 41 von
der Brennstoffzelle 11 auszugeben ist, auf einen geeigneten
Strombereich eingeschränkt
werden, und die Brennstoffzelle 11 kann geschützt werden,
indem verhindert wird, dass sie in einen abnormalen Energieerzeugungszustand
eintritt.
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Da
bei der Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung 10 nach
der vorliegenden Erfindung der Erzeugungsstrom der Brennstoffzelle 11 nicht
nur durch das von dem Atmosphärendrucksensor 45 erfasste
Signal des Atmosphärendrucks
PA gesetzt wird, sondern auch durch das erfasste Signal der Akzeleratoröffnung,
die der Gaspedalbetätigung durch
den Fahrer des vorliegenden Fahrzeugs zugeordnet ist, kann der der
Last zugeführte
Erzeugungsstrom mit sinkendem Atmosphärendruck auf einen kleineren
Wert geändert
werden, wenn das Fahrzeug an einem hoch gelegenen Ort fährt.
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Hierdurch
lässt sich
verhindern, dass die Brennstoffzelle 11 einen übermäßigen Erzeugungsstrom
erzeugt, wenn die Fluss(Massenfluss)rate des der Brennstoffzelle 11 zuzuführenden
Reaktionsgases reduziert ist, und es lässt sich auch die Langzeithaltbarkeit
der Brennstoffzelle sichern, indem Fehlfunktionen der Brennstoffzelle 11 verhindert
werden, wie etwa eine unstabile Fluktuation der Erzeugungsspannung
zu verursachen oder einen zu starken Abfall der Erzeugungsspannung
zu verursachen.
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Wie
oben beschrieben, sind in der vorliegenden Ausführung das Brennstoffzufuhr-Steuerventil 32 und
das Ejektor-Bypass-Steuerventil 36 auf die luftbetätigten Proportional-Steuerventile
beschränkt. Jedoch
sind diese Ventile nicht auf die Ventile vom luftbetätigten Typ
beschränkt,
und es können
verschiedene Ventiltypen verwendet werden, in denen die Öffnungs-
und Schließvorgänge durch
von der ECU 44 eingegebene Steuersignale gesteuert/geregelt
werden.
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Wie
in Schritt S03 gezeigt, wird in der vorliegenden Asuführung der
maximale Erzeugungsstromwert PI erhalten, indem ein Kennfeld abgefragt
wird, das eine Beziehung zwischen dem Atmosphärendruck PA und dem maximalen
Erzeugungsstromwert PI zeigt. Jedoch kann der maximale Erzeugungsstrom
PI auch erhalten werden, indem eine vorbestimmte Gleichung berechnet
wird, die die Beziehung zwischen dem Atmosphärendruck PA und dem maximalen
Erzeugungsstromwert PI zeigt.
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In
der vorliegenden Ausführung
wird, wie oben in Schritt S04 gezeigt, der Sollgeneratorstromwert
P entweder auf den temporären
Sollgeneratorstromwert P0 oder den maximalen Erzeugungsstromwert
PI gesetzt, in Abhängigkeit
davon, ob der Sollgeneratorstromwert kleiner als der maximale Erzeugungsstromwert
PI ist. Jedoch ist der Erhalt des Sollgeneratorstromwerts P nicht
auf das obige Verfahren beschränkt,
und der Wert P kann, wie in 4 gezeigt,
erhalten werden, indem vorab ein Kennfeld vorbereitet wird, das
die Änderung
des Sollgeneratorstromwerts P durch die Änderung der Akzeleratoröffnung gemäß der Änderung
des Atmosphärendrucks
zeigt, und indem der Erzeugungsstromwert (der Zufuhrerzeugungsstrom
PS) auf der Basis der Akzeleratoröffnung PA, die der Gaspedalbetätigung durch
den Fahrer des vorliegenden Fahrzeugs zugeordnet ist, und dem von
dem Atmosphärendruck 45 erfassten
Atmosphärendruck
erhalten wird.
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Das
heißt,
wie in 4 gezeigt, dass der Obergrenzwert des Zufuhrerzeugungsstromwerts
PS entsprechend dem Sinken des Atmosphärendrucks PA auf einen reduzierten
Wert gesetzt wird, und die Akzeleratoröffnung auf einen reduzierten
Wert gesetzt wird, wenn der Zufuhrerzeugungsstromwert PS den Obergrenzwert
erreicht.
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Wie
oben erläutert,
steuert/regelt die Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung nach dem ersten Aspekt
so, dass die Fluss(Massenfluss)rate von Luft als dem der Brennstoffzelle
zuzuführenden
Reaktionsgas sinkt, wenn die Luft, entsprechend der Abnahme des
Atmosphärendrucks,
knapp wird. Da die von der Brennstoffzelle erhältliche elektrische Energie
abnimmt, wenn die Luftzufuhr abnimmt, wird der Stromwert des von
der Brennstoffzelle erzeugten Stroms durch die Strom-Steuer/Regelvorrichtung
auf einen geeigneten Wert gesteuert/geregelt (z.B. einen relativ
kleinen Wert). Daher ist es hierdurch möglich, zu verhindern, dass
die Brennstoffzelle in Fehlfunktionen verfällt, bei denen die Erzeugungsspannung der
Brennstoffzelle eine unstabile Fluktuation zeigt, oder die Erzeugungsspannung
einen zu starken Abfall zeigt, was eine Steuerung/Regelung der Brennstoffzelle
unter den optimierten Bedingungen zur Folge hat.
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Die
Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung nach dem zweiten
Aspekt steuert/regelt den Stromwert der Erzeugungsstromausgabe von der
Brennstoffzelle auf einen geeigneten Wert durch die Strom-Steuer/Regelvorrichtung
auf der Basis der Akzeleratoröffnung
und des Atmosphärendrucks. Auch
wenn das Fahrzeug an einem hoch gelegenen Ort fährt, ist es, da der Stromwert
des der Last zuzuführenden
erzeugten Stroms auf einen kleineren Wert modifiziert werden kann,
möglich,
Fehlfunktionen der Brennstoffzelle zu verhindern, bei denen die Erzeugungsspannung
der Brennstoffzelle eine unstabile Fluktuaton zeigt, oder die Erzeugungsspannung
einen zu starken Abfall zeigt; hierdurch macht es die obige Konstruktion
möglich,
zu verhindern, dass die Brennstoffzelle die Langzeithaltbarkeit
verliert.
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Eine
Steuer/Regelvorrichtung für
eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenfahrzeug wird angegeben,
die in der Lage ist, eine an einem Fahrzeug installierte Brennstoffzelle
in einem optimierten Zustand zu steuern/zu regeln. Eine ECU berechnet
einen Sollgeneratorstrom, der von einem Stromsteuergerät auszugeben
ist, aus dem Erzeugungsstrom der Brennstoffzelle auf der Basis eines Signals
einer von dem Akzeleratoröffnungssensor
erfassten Akzeleratoröffnung
AC und eines Signals eines von dem Atmosphärendrucksensor erfassten Atmosphärendrucks,
und der Sollgeneratorstrom wird in das Stromsteuergerät als der
Strombefehlswert eingegeben. Das Stromsteuergerät steuert/regelt den von der
Brennstoffzelle auszugebenden Generatorstrom auf der Basis des von
der ECU ausgegebenen Strombefehlswerts, d.h. des Generatorbefehls, an
die Brennstoffzelle.