DE10229644B4

DE10229644B4 - Brennstoffzellenbetriebsverfahren

Info

Publication number: DE10229644B4
Application number: DE10229644A
Authority: DE
Inventors: Takuya Wako Sugino; Jun Wako Suzuki; Nobutaka Wako Nakajima
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: US7087334B2; CA2390221A1; JP2003017094A; US20030008185A1; DE10229644A1; CA2390221C; JP5128032B2

Abstract

Brennstoffzellenbetriebsverfahren, bei dem eine Brennstoffzelle (11), die unter Verwendung von als Reaktionsgasen zugeführtem Wasserstoffgas und Oxidationsgas elektrischen Strom erzeugt, bei einem Betriebsdruck (Pn) des Reaktionsgases betrieben wird, der einem erforderlichen Stromerzeugungszustand entspricht, indem der Zufuhrdruck der Reaktionsgase gesteuert/geregelt wird,
wobei die Brennstoffzelle (11) und eine Wasserstoffzufuhrsystem-Baugruppe (50) in einem abgedichteten Gehäuse (51) untergebracht sind, welches eine Belüftungseinlassöffung (52) und eine Belüftungsauslassöffnung (53) aufweist, so dass eine Belüftung bei einem konstanten Strömungswert durchgeführt wird,
wobei das abgedichtete Gehäuse (51) ferner mit einem Wasserstoffsensor (54) versehen ist, der die Wasserstoffdichte in dem abgedichteten Gehäuse (51) misst, und
wobei basierend auf der Wasserstoffdichte in dem abgedichteten Gehäuse (51), welche durch den Wasserstoffsensor (54) gemessen wird, der Betriebsdruck (Pn) des Wasserstoffgases derart begrenzt wird, dass eine Wasserstoffaustrittsmenge (Hn) aus der Brennstoffzelle (11) und einem Wasserstoffstromdurchgang einen vorbestimmten Wert (Hmax) nicht überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle, die Elektrizität unter Verwendung von Wasserstoffgas und einem Oxidationsgas als Reaktionsgase erzeugt, und insbesondere ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle, welches eine hervorragende Sicherheitskontrolle gegenüber Wasserstofflecks aufweist.
Ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen angebrachter Brennstoffzellentyp ist als Stapel ausgebildet, bei dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in Schichten angeordnet sind, wobei die Brennstoffzellen jeweils gebildet sind durch Anordnen einer Festpolymerelektrolytmembran (die z. B. aus einer Festpolymerionenaustauschmembran oder dergleichen gebildet ist) zwischen einer Anode oder eine Kathode derart, dass die Festpolymerelektrolytmembran sandwichartig auf beiden Seiten zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Diese Brennstoffzelle ist mit einem Wasserstoffpol versehen, dem Wasserstoffgas als Brenngas zugeführt wird, und einem Luftpol, dem Sauerstoff enthaltende Luft als ein Oxidationsgas zugeführt wird. In dieser Brennstoffzelle bewegen sich durch eine katalytische Reaktion an der Anode erzeugte Ionen zu der Kathode, indem sie durch die Festpolymerelektrolytmembran hindurchströmen, und bewirken nachfolgend eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff an der Kathode, um so Elektrizität zu erzeugen.
Weil Wasserstoffgas ein entflammbares Gas ist, ist es notwendig, ausreichend dafür Sorge zu tragen, dass es nicht in die Umgebung entweicht. Im Allgemeinen wird an Stellen, an denen mit Wasserstoffgas umgegangen wird, zur Sicherheitskontrolle die Wasserstoffdichte überwacht, und nach Maßgabe der Größe der erfassten Wasserstoffdichte werden die notwendigen Schritte unternommen, und Brennstoffzellen, welche Wasserstoffgas als Brennstoff benutzen, sind nicht außergewöhnlich. Weil jedoch Wasserstoff eine extrem permeierende Substanz ist, ist es extrem schwierig, sie vollständig abzudichten. Da der oben beschriebene Brennstoffzellentyp mit Festpolymerelektrolytmembran eine Stapelstruktur aufweist, ist es insbesondere schwierig, den Wasserstoff vollständig daran zu hindern, aus der Brennstoffzelle auszutreten. Insbesondere ist es schwierig, Wasserstofflecks an Verbindungsabschnitten, beispielsweise dort, wo Verbindungen in den Wasserstoffleitungen ausgebildet sind, zu verhindern.
Daher wird herkömmlicherweise ein Wasserstoffsensor in der Nähe der Brennstoffzelle installiert, der die Wasserstoffdichte erfasst. Wenn der Wasserstoffsensor eine Wasserstoffdichte über einem vorbestimmten Niveau erfasst, wird eine Warnung ausgegeben und der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten.
Weiterhin existiert eine Brennstoffzelle, die innerhalb eines belüfteten Behälters untergebracht ist, wie in der JP 8-31436 A1 offenbart ist. Die Wasserstoffdichte innerhalb der Box wird konstant überwacht, indem ein Wasserstoffsensor angebracht ist, der die Wasserstoffdichte innerhalb des Behälters erfasst. Wenn die durch den Wasserstoffsensor erfasste Wasserstoffdichte ein vorbestimmtes Niveau überschreitet, wird ein Belüftungsventilator in Betrieb gesetzt und eine Zwangsbelüftung durchgeführt, wodurch die Wasserstoffdichte innerhalb des Behälters verringert wird.
Bei einem System, wie dem herkömmlichen, bei dem eine Warnung ausgegeben und das System angehalten wird, wenn eine vorbestimmte Wasserstoffdichte von dem Wasserstoffsensor erfasst wird, gibt es jedoch Fälle, bei denen das System ohne eine vorherige Warnung plötzlich angehalten wird. Für den Fall eines Brennstoffzellenfahrzeugs entsteht das Problem, dass dann, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle in derartiger Weise plötzlich angehalten wird, das Fahrzeug nicht an einen Ort bewegt werden kann, an dem Reparaturen durchgeführt werden können.
In einem System, in dem ein Belüftungsventilator in Betrieb ist und das Innere des Behälters zwangsbelüftet wird, wenn eine vorbestimmte Wasserstoffdichte durch den Wasserstoffsensor erfasst wird, besteht weiterhin die Befürchtung, dass die Menge an ausgetretenem Wasserstoff nachfolgend weiterhin ansteigt, weil die Menge an austretendem Wasserstoff nicht unterdrückt wird, wie in der JP 8-31436 A1 offenbart ist.
EP 0 827 226 B1 offenbart ein System, bei dem durch einen Wasserstoffsensor, der in einem von der Kathode der Brennstoffzelle weg führenden Abgasdurchgang angeordnet ist, eine Konzentration von Wasserstoff im Kathodenabgas überwacht wird. Ein erhöhter Wert der erfassten Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas wird als Zeichen einer Degenerierung wenigstens einer der PEM-Membranen gewertet und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Neben der Ausgabe einer Warnung kann eine dieser Maßnahmen darin bestehen, den Wasserstoffgaszuführdruck zur Anode der Brennstoffzelle zu reduzieren, bis im Kathodenabgas ein akzeptabler Wert der Wasserstoffkonzentration erreicht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren bereitzustellen, bei dem sichergestellt werden kann, dass die Wasserstoffdichte in der Umgebung des Brennstoffzellensystems einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren vor, das von dem Merkmal Gebrauch macht, dass die Menge an von der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff eine Korrelation mit dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle aufweist (nämlich mit dem Reaktionsgaszufuhrdruck), so dass je höher der Betriebsdruck ist, desto größer die Menge an austretendem Wasserstoff ist, und dass der Betriebsdruck derart begrenzt wird, dass die Menge von aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren, bei dem eine Brennstoffzelle (z. B. die Brennstoffzelle 11 bei der unten beschriebenen Ausführungsform), die unter Verwendung von Wasserstoffgas und einem Oxidationsgas als Reaktionsgas elektrischen Strom erzeugt, bei einem Betriebsdruck betrieben wird, der einem erforderlichen Stromerzeugungszustand entspricht, wobei ein die Wasserstoffdichte erfassender Wasserstoffsensor (z. B. der Wasserstoffsensor 54 bei der unten beschriebenen Ausführungsform) in einer Nähe der Brennstoffzelle und eines Wasserstoffstromdurchgangs vorgesehen ist und basierend auf durch den Wasserstoffsensor erfassten Werten der Betriebsdruck (z. B. der Luftzufuhrdruck bei der unten beschriebenen Ausführungsform) derart begrenzt wird, dass eine Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffstromdurchgang einen vorbestimmten Wert (z. B. den die erlaubte Wasserstoffaustrittsmenge Hlim in der unten beschriebenen Ausführungsform) nicht überschreitet.
Wenn die Belüftungsmenge in der Nähe der Brennstoffzelle konstant ist, existiert eine Korrelation zwischen der Menge von aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff und der Wasserstoffdichte in der Nähe der Brennstoffzelle. Demzufolge ist es möglich, die Menge von aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff aufgrund von durch einen Wasserstoffsensor erfassten Werten abzuschätzen. Weiterhin existiert das Merkmal, dass die Menge von aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff von dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle (nämlich dem Zufuhrdruck, mit dem Reaktionsgas zugeführt wird) abhängt, und je höher der Betriebsdruck ist, desto größer die Menge an austretendem Wasserstoff ist. Demzufolge ist es möglich, den Betrieb der Brennstoffzelle durch Begrenzen des Betriebsdrucks derart zu steuern/regeln, dass die aus der Brennstoffzelle austretende Wasserstoffmenge einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, aufgrund von durch den Wasserstoffsensor erfassten Werten.
Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem oben beschriebenen Aspekt aufgrund von Eigenschaften der Brennstoffzelle und der Wasserstoffaustrittsmenge bei einem gegenwärtigen Betriebsdruck ein Betriebsdruck (z. B. der erlaubte Betriebsdruck Plim in der unten beschriebenen Ausführungsform), bei dem die Wasserstoffaustrittsmenge den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, vorhergesagt und der Betriebsdruck derart begrenzt, dass er niedriger als der vorhergesagte Betriebsdruck ist.
Weil zwischen der Menge von aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff und der Wasserstoffdichte in der Nähe der Brennstoffzelle eine Korrelation existiert, wenn die Ventilationsmenge in der Nähe einer Brennstoffzelle konstant ist, und die Menge des aus der Brennstoffzelle austretenden Wasserstoffs von dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle (nämlich dem Zufuhrdruck, mit dem Reaktionsgas zugeführt wird) abhängt, ist es möglich, einen Betriebsdruck vorherzusagen, bei dem die Menge an austretendem Wasserstoff geringer ist als der vorherbestimmte Wert aus dem gegenwärtigen Betriebsdruck der Brennstoffzelle und der gegenwärtigen durch den Wasserstoffsensor erfassten Wasserstoffdichte, und es ist möglich, den Betrieb der Brennstoffzelle durch Begrenzen des Betriebsdrucks unter den relevanten Betriebsdruck zu steuern/regeln. Man beachte, dass bei jedem der obigen Aspekte der vorliegenden Erfindung es möglich ist, einen Wasserstoffsensor zur Erfassung der Wasserstoffdichte nicht nur in der Nähe der Brennstoffzelle, sondern auch in dem Wasserstoffströmungsweg vorzusehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Strukturansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines FC-Behälters bei der obigen Ausführungsform.
3 ist eine Seitenansicht, welche eine Beziehung zwischen einer Menge von austretendem Wasserstoff und einer Wasserstoffdichte anzeigt.
4 ist eine Ansicht, welche die Beziehung zwischen dem Betriebsdruck einer Brennstoffzelle und einem erzeugten Strom zeigt.
5 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen einer Menge an von einer Brennstoffzelle austretendem Wasserstoff und dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle zeigt.
6 (A und B) ist ein Beispiel eines Betriebssteuer/regelflussdiagramms für eine Brennstoffzelle.
7 ist ein Beispiel eines Betriebssteuer/regelblockdiagramms für ein Brennstoffzellenfahrzeug.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFOHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform des Brennstoffzellenbetriebsverfahrens dervorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben. Man beachte, dass die Ausführungsform in diesem Fall auf eine in einem Brennstoffzellenfahrzeug angebrachte Brennstoffzelle angewendet wird.
1 ist eine schematische Strukturansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 ist mit einer hybridartigen Antriebseinheit ausgestattet, die durch eine Brennstoffzelle 11 und eine Speichervorrichtung, z. B. den Kondensator 12, gebildet ist. Die Antriebskraft eines Fahrmotors 13, dem von dieser Stromversorgungseinheit Strom zugeführt wird, wird über einen Übertragungsmechanismus T/M, der entweder durch ein Automatikgetriebe oder ein Schaltgetriebe gebildet wird, an Antriebsräder W übertragen.
Wenn eine Antriebskraft von der Seite des Antriebsrads W zu dem Fahrmotor 13 übertragen wird, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, funktioniert der Fahrmotor 13 als ein Stromgenerator, um eine als regenerative Bremskraft bekannte Kraft zu erzeugen und dadurch die kinetische Energie des Fahrzeugs als elektrische Energie wiederzugewinnen.
Die Brennstoffzelle 11 ist als ein Stapel ausgebildet, in dem eine Mehrzahl von Zellen in Schichten angeordnet sind, wobei die Zellen jeweils durch derartiges Anordnen einer Festpolymerelektrolytmembran (die z. B. aus einer Festpolymerionenaustauschmembran oder dergleichen gebildet ist) zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet sind, dass die Festpolymerelektrolytmembran auf beiden Seiten sandwichartig zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Diese Brennstoffzelle ist mit einem Wasserstoffpol versehen, dem Wasserstoffgas als Brenngas zugeführt wird, und einem Luftpol, dem Sauerstoff enthaltende Luft als Oxidationsgas zugeführt wird. Durch eine katalytische Reaktion an der Anode erzeugte Wasserstoffionen bewegen sich zu der Kathode, indem sie durch die Festpolymerelektrolytmembran hindurchströmen, und bewirken nachfolgend eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff an der Kathode, um so Elektrizität zu erzeugen.
Der Luftpol der Brennstoffzelle 11 ist mit einer Luftzufuhröffnung 11a ausgestattet, durch die Luft von einem Luftkompressor 21 zugeführt wird, der einen Oxidantien-Zufuhrabschnitt bildet, sowie einer Luftausstoßöff nung 11b, durch die Luft und dergleichen innerhalb des Luftpols nach draußen ausgestoßen wird. Der Wasserstoffpol ist mit einer Wasserstoffzufuhröffnung 11c ausgestattet, durch die Wasserstoffgas von einem einen Brennstoffzufuhrabschnitt bildenden Wasserstofftank 31 zugeführt wird, sowie einer Wasserstoffausstoßöffnung 11d, durch die Wasserstoffgas und dergleichen innerhalb des Wasserstoffpols nach draußen ausgestoßen wird.
Der Luftkompressor 21 zieht Luft, z. B. von außerhalb des Fahrzeugs, ein, führt mit dieser Luft eine adiabatische Kompression durch und führt sie dem Luftpol der Brennstoffzelle 11 als Reaktionsgas zu. Zusätzlich führt er die Luft als Drucksignal einem Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 (im Folgenden beschrieben) und einem Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil (nicht gezeigt) zu.
Die durch den Luftkompressor 21 komprimierte und erwärmte Luft kann einem Kühler (nicht gezeigt) zugeführt werden, und nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 kann beispielsweise Luft, die durch den Kühler auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt ist, einem Kathodenbefeuchter (nicht gezeigt), dem Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 und dem Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil zugeführt werden.
Ein Kühlerumgehungsstromdurchgang (nicht gezeigt), der den Kühler umgeht, und ein Kühlerumgehungssteuer/regelventil (nicht gezeigt), das beispielsweise auf der stromabwärtigen Seite des Kühlers vorgesehen ist, ist an einem Stromdurchgang vorgesehen, der den Luftkompressor 21 mit dem Kathodenbefeuchter, dem Brenngaszufuhrsteuer/regelventil 32 und dem Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil verbindet.
Durch Schließen des Kühlerumgehungssteuer/regelventils nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 ist es nämlich möglich, durch den Kompressor 21 komprimierte und erwärmte Luft der Brennstoffzelle 11, dem Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 und dem Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil zuzuführen, ohne dass diese Luft gekühlt wird.
Der Kathodenbefeuchter ist mit einer wasserdurchlässigen Membran ausgestattet, wie etwa einer Hohlfasermembran, und ausgestoßene Luft, die aus der Luftausstoßöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 ausgestoßen wird, wird als Befeuchtungsgas für die als Reaktionsgas zugeführte Luft verwendet. Wenn nämlich Luft in Kontakt mit der über die wasserdurchlässige Membran ausgestoßenen Luft gebracht wird, wird in der ausgestoßenen Luft enthaltene Feuchtigkeit (insbesondere Wasserdampf) der Luft als Wasserdampf zugeführt, nachdem sie durch die Membranlöcher in der Wasser durchlässigen Membran hindurch permeiert ist.
Die befeuchtete Luft wird dann der Brennstoffzelle 11 zugeführt, so dass die Ionenleitfähigkeit der Festpolymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 11 in einem vorbestimmten Zustand gehalten wird.
Man beachte, dass, wie unten beschrieben ist, ausgestoßene Luft, die aus der Luftausstoßöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 ausgestoßen worden ist, darauf folgend einem Anodenbefeuchter (nicht gezeigt) und dem Kathodenbefeuchter als Befeuchtungsgas zugeführt wird, während von dem Kathodenbefeuchter ausgestoßene Luft über ein Gegendrucksteuer/regelventil 25 außerhalb des Fahrzeugs ausgestoßen wird.
Die Öffnungs- und Schließvorgänge des Gegendrucksteuer/regelventils 25 werden durch eine ECU 44 nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 gesteuert/geregelt. Durch Einstellen des Gegendrucksteuer/regelventils 25 auf einen Ventilöffnungsgrad, der einem von der ECU 44 eingegebenen Steuer/Regelsignal entspricht, wird der Druck der als Reak- tionsgas ins Innere der Brennstoffzelle 11 zugeführten Luft (Luftzufuhrdruck) gesteuert/geregelt, um einen vorbestimmten Druck aufzuweisen. Man beachte, dass der Luftzufuhrdruck derart gesteuert/geregelt wird, dass er sich erhöht, wenn der von der Brennstoffzelle 11 erzeugte Strom sich erhöht.
Wasserstoffgas, das als Brennstoff für die Brennstoffzelle 11 dient, wird dem Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 beispielsweise von einem Hochdruck-Wasserstofftank 31 zugeführt.
Das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 ist beispielsweise ein pneumatischer Typ eines proportionalen" Drucksteuer/regelventils, und durch Verwenden des Drucks der von dem Luftkompressor 21 zugeführten Luft als Signaldruck kann der Druck des durch das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 strömenden Wasserstoffgases am Ausgangspunkt des Brennstoffzufuhrsteuer/regelventils 32 gesteuert/geregelt werden, so dass er innerhalb eines dem Signaldruck entsprechenden vorbestimmten Bereichs liegt.
Durch das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 hindurchgeströmtes Wasserstoffgas wird einem Wärmetauscher (nicht gezeigt) zugeführt. In diesem Wärmetauscher wird Wasserstoffgas, das auf eine vorbestimmte Temperatur nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 eingestellt ist, beispielsweise durch eine Wärmeaustauschreaktion mit einem Kühlmaterial oder dergleichen, dem Wasserstoffpol der Brennstoffzelle 11 von der Wasserstoffzufuhröffnung 11c über in dieser Reihenfolge entweder einen Ausstoßer 34 oder das Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil zugeführt, sowie dem Anodenbefeuchter (nicht gezeigt).
Ferner wird nicht reagiertes ausgestoßenes Gas, das aus der Wasserstoffausstoßöffnung 11d der Brennstoffzelle 11 ausgestoßen worden ist, in den Ausstoßer 34 über einen Speichertank eingebracht, und von dem Wärmetauscher zugeführtes Wasserstoffgas wird mit aus der Brennstoffzelle 11 ausgestoßenem Gas zusammengemischt und das sich ergebende Gas wird wieder der Brennstoffzelle 11 zugeführt.
Der Ausstoßer 34 saugt von der Brennstoffzelle 11 ausgestoßenes Gas an, das unter Verwendung eines Unterdrucks in der Nähe des mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durch das Innere des Ausstoßers 34 strömenden Wasserstoffgasstroms einen Unterstrom bildet. Dieses ausgestoßene Gas wird dann mit über den Wärmetauscher zugeführtem Wasserstoffgas vermischt und das sich ergebende Gas wird wieder der Brennstoffzelle 11 zugeführt. Im Ergebnis wird von der Brennstoffzelle 11 ausgestoßenes Gas rezirkuliert.
Zusätzlich ist ein Ausstoßerumgehungsstromdurchgang 34a, der den Ausstoßer 34 umgeht, in dem Strömungsdurchgang, der den Wärmetauscher mit dem Anodenbefeuchter verbindet, vorgesehen.
Hier ist ein Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil, das beispielsweise als ein pneumatischer Typ eines proportionalen Drucksteuer/regelventils ausgebildet ist, parallel zu dem Ausstoßer 34 an dem Ausstoßerumgehungsstromdurchgang 34a vorgesehen. Durch Verwenden des Drucks von von dem Luftkompressor 21 zugeführter Luft als Signaldruck wird der Druck des durch das Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil strömenden Wasserstoffgases am Ausgangspunkt des Ausstoßerumgehungssteuer/regelventils, nämlich der Wasserstoffzufuhrdruck, derart gesteuert/geregelt, dass er innerhalb eines dem Signaldruck entsprechenden vorbestimmten Bereichs liegt.
Durch Verwenden des Drucks der als Oxidationsgas dienenden Luft als ein Referenzdruck wird nämlich die Steuerung/Regelung des Druckstroms durch das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 32 und das Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil derart durchgeführt, dass die Größeneigenschaften des Druckstroms von durch den Ausstoßer 34 hindurchströmendem Wasserstoffgas in einem vorbestimmten Zustand liegen. Weiterhin wird die Differenz zwischen dem Druck des Brennstoffs (d. h. dem Wasserstoffzufuhrdruck) und dem Druck des Oxidans (d. h. der Luftzufuhrdruck) auf der Festpolymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 11, nämlich der Differenzdruck zwischen dem Brennstoffpol und dem Luftpol, derart gesteuert/geregelt, dass er innerhalb eines vorbestimmten Druckdifferenzbereichs liegt.
Der Luftzufuhrdruck und der Wasserstoffzufuhrdruck der Luft und des Wasserstoffs, die der Brennstoffzelle 11 zugeführt werden (nämlich der Betriebsdruck der Brennstoffzelle 11) wird nämlich nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 gesteuert/geregelt, und diese Steuerung/Regelung wird derart durchgeführt, dass der Betriebsdruck der Brennstoffzelle 11 sich erhöht, wenn der von der Brennstoffzelle 11 erzeugte Strom sich erhöht.
Der Anodenbefeuchter ist mit einer wasserdurchlässigen Membran ausgestattet, wie beispielsweise einer Hohlfasermembran, und ausgestoßene Luft, die von der Luftausstoßöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 ausgestoßen wird, wird als Befeuchtungsgas für das Wasserstoffgas verwendet. Wenn nämlich Wasserstoff in Kontakt mit der ausgestoßenen Luft über die wasserdurchlässige Membran gebracht wird, dann wird in der ausgestoßenen Luft enthaltene Feuchtigkeit (insbesondere Wasserdampf) dem Wasserstoffgas als Wasserdampf zugeführt, nachdem dieser durch die Membranlöcher in der wasserdurchlässigen Membran hindurch permeiert ist.
Das befeuchtete Wasserstoffgas wird dann der Brennstoffzelle 11 zugeführt, so dass die Ionenleitfähigkeit der Festpolymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 11 in einem vorbestimmten Zustand gehalten wird.
Der Speichertank trennt das ausgestoßene Gas, das aus der Wasserstoffausstoßöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 ausgestoßen worden ist, in Gas und Flüssigkeit und trennt die in dem ausgestoßenen Gas enthaltene Feuchtigkeit ab und speichert sie in einem flüssigen Zustand.
Die Öffnungs- und Schließvorgänge eines Ausstoßsteuer/regelventils 38 werden durch die ECU 44 nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennstoffzelle 11 gesteuert/geregelt und beispielsweise wird Überschussfeuchtigkeit (hauptsächlich flüssiges Wasser) in dem ausgestoßenen Gas, das in dem Speichertank abgetrennt worden ist, nach außerhalb des Fahrzeugs ausgestoßen.
Von der Brennstoffzelle 11 abgegebener erzeugter Strom wird in eine Stromsteuer/regelvorrichtung 41 eingegeben. Der beispielsweise aus einem elektrischen Doppelschichtkondensator oder einem Elektrolytkondensator gebildete Kondensator 12, der als Speichervorrichtung dient, ist mit der Stromsteuer/regelvorrichtung 41 verbunden.
Weiterhin sind die Brennstoffzelle 11 und der Kondensator 12 über die Stromsteuer/regelvorrichtung 41 und eine Ausgabesteuer/regelvorrichtung 42 parallel mit dem Fahrmotor 13 (d. h. einer elektrischen Last), einem den Luftkompressor 21 antreibenden Motor 43 und dergleichen verbunden.
Die Stromsteuer/regelvorrichtung 41 ist beispielsweise mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Zerhacker oder dergleichen verbunden und, wie im Folgenden beschrieben wird, steuert/regelt die Stromsteuer/Regelvorrichtung 41 den Stromwert von von der Brennstoffzelle 11 abgegebenem erzeugtem Strom aufgrund eines von der ECU 44 ausgegebenen Soll-Erzeugungsstroms IFC, nämlich eines Erzeugungsbefehls an die Brennstoffzelle 11.
Die Ausgabesteuerung/regelung 42 ist jeweils mit PWM-Wechselrichtern für den Fahrmotor und den Luftkompressor ausgestattet, die beispielsweise durch Schaltelemente, wie etwa IGBT oder dergleichen, gebildet sind. Wie unten beschrieben wird, wird die von der Brennstoffzelle 11 und dem Kondensator 12 über die Stromsteuerung/regelung 41 abgegebene Stromleistung aufgrund von Drehmomentbefehlen an den Fahrmotor 13 und Drehzahlbefehlen an den Luftkompressor 21 und dergleichen, die von der ECU 44 ausgegeben werden, in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung umgewandelt und danach dem Fahrmotor 13 und dem den Luftkompressor 21 antreibenden Motor 43 zugeführt.
Man beachte, dass der Fahrmotor 13 und der Motor 43 zum Beispiel durch Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotoren vom Permanentmagnettyp gebildet sind, welche Permanentmagneten für das magnetische Feld verwenden, und derart gesteuert/geregelt werden, dass sie durch von der Ausgabesteuerung/regelung 42 zugeführte Dreiphasen-Wechselstromleistung angetrieben werden.
Die ECU 44 berechnet die verbleibende Kapazität des Kondensators 12 aufgrund beispielsweise von Temperatur, Anschlussspannung und von dem eine Speichervorrichtung bildenden Kondensator 12 abgegebenem Ausgabestrom, und steuert/regelt die Leistungszufuhr an die Lasten des Fahrmotors 13, Motors 43 und dergleichen.
Ferner steuert/regelt die ECU 44 die Leistungsumwandlungsoperationen der in der Ausgabesteuerung/regelung 42 installierten PWM-Wechselrichter. Beispielsweise berechnet die ECU 44 die gewünschte Motorausgabe von dem Fahrmotor 13 aufgrund eines Signals des Gaspedalöffnungsgrades AC, welches dem Betrag, um den das Gaspedal durch den Fahrer gedrückt ist, zugeordnet ist, und dergleichen. Durch Eingeben dieses Motorausgabebefehls in die Ausgabesteuerung/regelung 42 wird ein dem Motorausgabebefehl entsprechendes Pulsbreiten-moduliertes Signal in den PWM-Wechselrichter für den Fahrmotor eingegeben, und der jeweilige Phasenstrom zur Erzeugung der gewünschten Motorausgabe wird an die jeweilige Phase des Fahrmotors 13 ausgegeben.
Die ECU 44 berechnet auch die elektrische Last von den verschiedenen Hilfsgeräten, welche zum Betrieb der Brennstoffzelle 11 erforderlich sind, und aufgrund dieser elektrischen Last und der von dem Fahrmotor 13 erforderten Motorausgabe berechnet sie einen Soll-Erzeugungsstrom IFC für den von der Brennstoffzelle 11 zu der Stromsteuerung/regelung 41 abzugebenden Erzeugungsstrom und gibt diesen in die Stromsteuerung/regelung 41 ein.
Ferner berechnet die ECU 44 aufgrund des Soll-Erzeugungsstroms beispielsweise eine Drehzahl N für den Luftkompressor 21 als ein für die Flussmenge des Reaktionsgases erforderlichen Wert und berechnet ebenso beispielsweise einen Ventilöffnungsgrad θ für das Gegendrucksteuer/regelventil 25 als einen für den Druck des Reaktionsgases erforderlichen Wert. Als Ergebnis dieser daraufhin in die Ausgabesteuerung/regelung 42 eingegebenen Drehzahl N wird der der Drehzahl N entsprechende jeweilige Phasenstrom an die jeweilige Phase des Motors 43 abgegeben. Weiterhin wird als Resultat des in das Gegendrucksteuer/regelventil 25 eingegebenen berechneten Ventilöffnungsgrads θ der Ventilöffnungsgrad des Gegendrucksteuer/regelventils 25 gesteuert/geregelt.
Es wird weiterhin eine Regelung des Ventilöffnungsgrades θ des Gegendrucksteuer/regelventils 25 und der Drehzahl N des Luftkompressors 21 derart durchgeführt, dass die jeweiligen Abweichungen zwischen den jeweils erforderlichen Werten für die Flussmenge und den Druck des Reaktionsgases und die Flussmenge und den Druck des tatsächlich der Brennstoffzelle 11 zugeführten Reaktionsgases null sind.
Im Ergebnis werden die folgenden Signale in die ECU 44 eingegeben. Nämlich Erfassungssignale des Gaspedalöffnungsgrades AC, die beispielsweise dem Grad zugeordnet sind, um den das Gaspedal durch den Fahrer niedergedrückt ist, und die von einem Gaspedalöffnungsgrad-Sensor 14 ausgegeben werden; Signale von Flussmengen-Erfassungswerten QN, die von einem Gasmengensensor 46 ausgegeben werden, der beispielsweise die Flussmenge von von dem Luftkompressor 21 zugeführter Luft (d. h. die Massenflussmenge) erfasst; und Signale von Druckerfassungswerten PN, die von einem Drucksensor 47 ausgegeben werden, der beispielsweise den Druck von der Luftpolseite der Brennstoffzelle 11 zugeführter Luft erfasst.
Man beachte, dass der Gasmengensensor 46 in der Nähe einer Luftausstoßöffnung 21a des Luftkompressors 21 vorgesehen ist, während der Drucksensor 47 in der Nähe der Luftzufuhröffnung 11a der Brennstoffzelle 11 vorgesehen ist.
Wie in 2 gezeigt, sind weiterhin in dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 die Brennstoffzelle 11 und eine Wasserstoffzufuhrsystem-Vorrichtungsgruppe 50 innerhalb eines abgedichteten Behälters 51 (im Folgenden als FC-Behälter bezeichnet) aufgenommen. Hierbei enthält die Wasserstoffzufuhrsystem-Vorrichtungsgruppe 50 das Wasserstoffzufuhrsteuer/regelventil 32, den Wärmetauscher, den Ausstoßer 34, das Ausstoßerumgehungssteuer/regelventil, den Anodenbefeuchter und die zur Verbindung all dieser Komponenten verwendete Verrohrung und dergleichen.
Der FC-Behälter 51 ist vorgesehen, um Wasserstofflecks aus der Brennstoffzelle 11 zu kontrollieren. Daher besitzt der FC-Behälter 51 eine Belüftungseinlassöffnung 52 und eine Belüftungsauslassöffnung 53, so dass eine Belüftung mit einer konstanten Flussmenge durchgeführt werden kann. Zusätzlich ist ein Wasserstoffsensor 54, der die Wasserstoffdichte erfasst, in der Nähe der Belüftungsauslassöffnung 53 vorgesehen. Von dem Wasserstoffsensor 54 ausgegebene Wasserstoffdichten-Erfassungswertsignale werden in die ECU 44 eingegeben. Man beachte, dass die Position, an der der Wasserstoffsensor 54 installiert ist, nicht auf die Nähe der Belüftungsauslassöffnung 53 begrenzt ist, und der Wasserstoffsensor 54 ebenso an jeder anderen Position innerhalb des FC-Behälters 51 installiert sein kann, von der angenommen wird, dass dort ein austretender Wasserstoffgasstrom ist. Zum Beispiel ist es möglich, dass der Wasserstoffsensor 54 in der Nähe der Brennstoffzelle 11 installiert ist. Es ist ebenso bevorzugt, dass der FC-Behälter 51 eine geringe Aufnahmefähigkeit besitzt, da dieses die Genauigkeit der Erfassung von Wasserstofflecks erhöht.
Als Nächstes wird das Betriebssteuer/regelprinzip der Brennstoffzelle 11 hinsichtlich Wasserstoffleckkontrolle bei dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 beschrieben.
Wie oben beschrieben, gibt es bei einer Brennstoffzelle 11 vom Festpolymerelektrolytmembran-Typ, die Wasserstoffgas als Brennstoff benutzt, aufgrunddessen, dass Wasserstoff ein hohes Maß an Permeabilität aufweist und wegen der gestapelten Struktur der Brennstoffzelle 11 Fälle, in denen der Brennstoffzelle 11 zugeführter Wasserstoff die Strukturelemente der Brennstoffzelle 11 (z. B. die Festpolymerelektrolytmembran und die auf deren beiden Seiten angeordneten Separatoren und dergleichen) durchdringt und in den FC-Behälter 51 austritt. Dies geschieht, weil in einer Brennstoffzelle 11 vom Festpolymerelektrolytmembran-Typ sogar dann, wenn die Brennstoffzelle 11 fabrikneu ist und absolut keine Defekte aufweist, immer noch Fälle auftreten, bei denen eine extrem kleine Menge von austretendem Wasserstoff beobachtet wird.
Wenn der FC-Behälter 51 nicht belüftet wird, steigt demzufolge die Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 auch dann kontinuierlich an, wenn eine fabrikneue Brennstoffzelle 11 mit keinerlei Defekten verwendet wird. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform Belüftungsluft in einer konstanten Flussmenge von der Belüftungseinlassöffnung 52 in den FC-Behälter 51 eingeführt und von der Belüftungsauslassöffnung 53 ausgestoßen.
Wenn der FC-Behälter 51 in dieser Weise mit einer konstanten Flussmenge belüftet wird, wird die in 3 gezeigte Beziehung von der Art einer linearen Funktion zwischen der Menge des aus der Brennstoffzelle 11 austreten dem Wasserstoffs und der Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 hergestellt. Demzufolge kann aufgrund der durch den Wasserstoffsensor 54 erfassten Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 die Menge von aus der Brennstoffzelle 11 und der Wasserstoffsystem-Vorrichtungsgruppe und der Verrohrung austretendem Wasserstoff abgeschätzt werden.
Im Gegensatz hierzu funktioniert die Brennstoffzelle 11, wie oben beschrieben worden ist, durch Verändern des Betriebsdrucks nach Maßgabe des erforderlichen Erzeugungszustands (z. B. des dem Gaspedalöffnungsgrad entsprechenden erforderlichen Erzeugungsstroms) der Brennstoffzelle 11. 4 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Erzeugungsstrom und dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle 11. Es ist ersichtlich, dass der Betriebsdruck derart gesteuert/geregelt ist, dass er sich erhöht, wenn der Erzeugungsstrom sich erhöht. Zusätzlich ist für den Betriebsdruck ein maximaler Betriebsdruck Pmax eingestellt und der Betriebsdruck wird derart gesteuert/geregelt, dass er niedriger als dieser maximale Betriebsdruck Pmax ist.
Aus der Erfahrung ist bekannt, dass die Menge von aus der Brennstoffzelle 11 und den Wasserstoffsystem-Vorrichtungen und der Verrohrung austretendem Wasserstoff von dem Betriebsdruck abhängt. 5 zeigt ein Beispiel der Ergebnisse von Experimenten zur Bestimmung der Beziehung zwischen dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle 11 und der Menge von austretendem Wasserstoff. Die durchgezogene Linie in 5 zeigt die Charakteristik des durchschnittlich von einer fabrikneuen Brennstoffzelle 11 mit keinerlei Defekten austretenden Wasserstoffs. In dem in 5 gezeigten Fall steigt nämlich die Menge von austretendem Wasserstoff mit größerem Betriebsdruck in der Art einer linearen Funktion an. Weiterhin gibt es gemäß den Experimenten Fälle, in denen das für eine spezielle Brennstoffzelle charakteristische Austreten von Wasserstoff die durchschnittliche Wasserstoffaustrittscharakteristik einer fabrikneuen Brennstoffzelle 11 nicht trifft, obwohl die Brennstoffzellen dieselben Spezifikationen aufweisen. Dies ist auf Festkörperirregularitäten in der Brennstoffzelle 11 zurückzuführen oder darauf, dass die spezielle Brennstoffzelle sich mit der Zeit verschlechtert. In solchen Fällen ist ebenfalls bestimmt worden, dass das Verhältnis eines Anstiegs/Rückgangs der Menge austretenden Wasserstoffs (mit anderen Worten der Trend der in 5 gezeigten Wasserstoffaustrittscharakteristiklinie) relativ zu einem Anstieg/Rückgang des Betriebsdrucks der gleiche ist.
Man beachte, dass, um es genauer zu beschreiben, die Menge jeglichen aus der Brennstoffzelle 11 austretenden Wasserstoffs von dem Druck der Wasserstoffzufuhr zu der Brennstoffzelle 11 abhängt, wie oben beschrieben worden ist, kann jedoch gesagt werden, dass die Menge von aus der Brennstoffzelle 11 austretendem Wasserstoff von dem Druck der Luftzufuhr zu der Brennstoffzelle 11 abhängt, da in der Brennstoffzelle 11 der Wasserstoffzufuhrdruck unter Benutzung des Luftzufuhrdrucks als Referenzdruck gesteuert/geregelt wird. Wenn keine Änderung des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle 11 weder im Wasserstoffzufuhrdruck noch im Luftzufuhrdruck auftritt, hängt die Menge von aus der Brennstoffzelle 11 austretendem Wasserstoff von dem Betriebsdruck ab.
Bei der Brennstoffzelle 11 der vorliegenden Ausführungsform wird der Luftzufuhrdruck als der Betriebsdruck in der Beziehung mit der Wasserstoffaustrittsmenge benutzt, weil bei der vorliegenden Ausführungsform die Luftzufuhrmenge und der Luftzufuhrdruck zu der Brennstoffzelle 11 als Parameter für die Steuerung/Regelung des Erzeugungsstroms benutzt werden und weil die Luftzufuhrmenge durch den Gasmengensensor 46 erfasst wird und der Luftzufuhrdruck durch den Drucksensor 47 verwendet wird, um eine Regelung dieser Parameter durchzuführen.
Deswegen ist es bei Brennstoffzellen 11, die dieselben Spezifikationen aufweisen, dann, wenn die durch den Wasserstoffsensor 54 erfasste gegenwärtige Wasserstoffdichte Hn innerhalb des FC-Behälters 51 und der durch den Drucksensor 47 erfasste gegenwärtige Betriebsdruck Pn bekannt sind, aufgrund der in 5 gezeigten Wasserstoffaustrittscharakteristik möglich, die Wasserstoffaustrittsmenge Hinf vorherzusagen, wenn die Brennstoffzelle 11 bei dem maximalen Betriebsdruck Pmax betrieben wird. Zusätzlich ist es möglich, den Betriebsdruck Plim, bei dem eine vorbestimmte Wasserstoffaustrittsmenge Hlim erreicht ist, vorherzusagen. Hierin ist die vorbestimmte Wasserstoffaustrittsmenge (im Folgenden als erlaubte Wasserstoffaustrittsmenge bezeichnet) Hlim auf einen Wert eingestellt, der niedriger als die maximale Wasserstoffaustrittsmenge Hmax ist, und ist dann, wenn die Steuerung/Regelung derart durchgeführt wird, dass die Brennstoffzelle 11 unterhalb des Hlim entsprechenden Betriebsdrucks (unten als erlaubter Betriebsdruck bezeichnet) Plim betrieben wird, es möglich wird, die Brennstoffzelle 11 zu betreiben, während die aus der Brennstoffzelle 11 austretende Wasserstoffmenge auf ein Niveau unterhalb der erlaubten Wasserstoffaustrittsmenge Hlim gedrückt wird.
Man beachte, dass die Wasserstoffaustrittsmenge auf der vertikalen Achse in dem in 5 gezeigten Wasserstoffaustrittscharakteristikgraphen durch eine der Wasserstoffaustrittsmenge entsprechende Wasserstoffdichte ersetzt werden kann, weil die Wasserstoffaustrittsmenge aufgrund der durch den Wasserstoffsensor 54 erfassten Wasserstoffdichte abgeschätzt wird. Daher zeigt die in 5 gezeigte vertikale Achse ebenso die Wasserstoffdichte an, um die unten gegebene Beschreibung zu vereinfachen.
Weiterhin ist es möglich, den Erzeugungsstrom (unten als erlaubter Erzeugungsstrom bezeichnet) Ilim zu entscheiden, der dem erlaubten Betriebsdruck Plim entspricht, weil der Erzeugungsstrom und der Betriebsdruck eine Beziehung aufweisen, wie die in 4 gezeigte. Demzufolge ist es anstelle der Steuerung/Regelung des Betriebs der Brennstoffzelle durch Begrenzen des Betriebsdrucks unter den erlaubten Betriebsdruck Plim auch möglich, den Betrieb der Brennstoffzelle 11 durch Begrenzen der Stromabgabe von der Brennstoffzelle 11 unter den erlaubten Erzeugungsstrom Ilim zu steuern/regeln.
Als Nächstes wird nun das Betriebsverfahren der Brennstoffzelle in der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahrne auf das Flussdiagramm in 6 beschrieben.
Zunächst wird der durch den Drucksensor 47 erfasste gegenwärtige tatsächliche Betriebsdruck Pn eingelesen (Schritt S101) und die durch den Wasserstoffsensor 54 erfasste gegenwärtige tatsächliche Wasserstoffdichte Hn innerhalb des FC-Behälters 51 wird eingelesen (Schritt S102).
Als Nächstes wird aufgrund der Wasserstoffaustrittscharakteristik dieser Brennstoffzelle 11 (siehe 5) die vorhergesagte Wasserstoffdichte Hinf innerhalb des FC-Behälters 51, wenn die Brennstoffzelle 11 bei dem maximalen Betriebsdruck Pmax betrieben wird, durch Kennfeldreferenzierung oder durch einen Computer berechnet (Schritt S103).
Als Nächstes wird bestimmt, ob die in Schritt S102 eingelesene gegenwärtige tatsächliche Wasserstoffdichte Hn größer als die maximale Wasserstoffdichte Hmax ist (z. B. 2%) (Schritt S104).
Falls das Resultat der Bestimmung in Schritt S104 JA ist (d. h. falls Hn > Hmax), leuchtet eine Warnlampe auf (Schritt S105) und ein Systemanhaltemodus wird ausgeführt (Schritt S106). Die Ausführung der gegenwärtigen Routine wird dann temporär angehalten. In diesem Fall wird nämlich ein Notstopp für die Brennstoffzelle 11 sofort ausgeführt, weil die gegenwärtige Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 (d. h. die gegenwärtige Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11) bereits die maximale Wasserstoffdichte (d. h. die maximale Wasserstoffaustrittsmenge) Hmax übertrifft.
Wenn jedoch das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S104 NEIN ist (d. h. falls Hn ≤ Hmax), bewegt sich die Routine zu Schritt S107, da es nicht notwendig ist, einen sofortigen Notstopp für die Brennstoffzelle 11 auszuführen, wobei in Schritt S107 bestimmt wird, ob die in Schritt S103 berechnete vorhergesagte Wasserstoffdichte Hinf höher ist als die maximale Wasserstoffdichte Hmax.
Falls das Resultat der Bestimmung in Schritt S107 NEIN ist (d. h. falls Hinf ≤ Hmax), kann vorhergesagt werden, dass sogar dann, wenn die Brennstoffzelle 11 bei dem maximalen Betriebsdruck Pmax betrieben wird, die Wasserstoffdichte nicht mehr als die maximale Wasserstoffdichte Hmax ist und daher bewegt sich die Routine zu Schritt S108. In Schritt S108 wird bestimmt, ob die in Schritt S102 eingelesene tatsächliche Wasserstoffdichte Hn höher ist als eine untere Wasserstoffgrenzdichte Hlow (z. B. 0,5%), welcher der Schwellenwert für den Wasserstoffdichten-Sicherheitsbereich ist.
Falls das Resultat der Bestimmung in Schritt S108 NEIN ist (d. h. falls Hn ≤ Hlow), ist die gegenwärtige Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 (d. h. die gegenwärtige Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11) ausreichend niedrig, um innerhalb des Sicherheitsbereichs zu sein. Daher bewegt sich die Routine zu Schritt S109, wo ein Abgabegrenzwert (der erlaubte Erzeugungsstrom Ilim), der im unten beschriebenen Schritt S113 berechnet worden ist, initialisiert wird und die Bearbeitung der gegenwärtigen Routine wird zeitweise beendet.
Falls das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S108 JA ist (d. h. falls Hn > Hlow), bewegt sich die Routine zu Schritt S110, in dem eine Warnlampe aufleuchtet und die Bearbeitung der gegenwärtigen Routine zeitweise beendet wird. Der Grund hierfür ist, eine Warnung auszugeben und den Fahrer zu alarmieren, weil die gegenwärtige Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 (d. h. die gegenwärtige Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11) unterhalb der maximalen Wasserstoffdichte (d. h. der maximalen Wasserstoffaustrittsmenge) Hmax ist, aber größer ist als die untere Wasserstoffgrenzdichte (d. h. die untere Wasserstoffaustrittsmengengrenze) Hlow.
Falls jedoch das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S107 JA ist (d. h. falls Hinf > Hmax), sollte der Betrieb der Brennstoffzelle 11 bei dem maximalen Betriebsdruck Pmax vermieden werden, obwohl die gegenwärtige Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 (d. h. die gegenwärtige Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11) niedriger oder gleich der maximalen Wasserstoffdichte (d. h. der maximalen Wasserstoffaustrittsmenge) Hmax ist, weil vorhergesagt ist, dass die Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 (d. h. die gegenwärtige Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11 ) die maximale Wasserstoffdichte (d. h. die maximale Wasserstoffaustrittsmenge) Hmax übertreffen wird, wenn die Brennstoffzelle 11 bei dem maximalen Betriebsdruck Pmax betrieben wird. Daher wird dann, wenn das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S107 JA ist, in Schritt S111 die Warnlampe eingeschaltet. Danach bewegt sich die Routine zu Schritt S112, wo der erlaubte Betriebsdruck Plim entsprechend der erlaubten Wasserstoffdichte (d. h. der erlaubten Wasserstoffaustrittsmenge) Hlim (z. B. 1,9%) durch Kennfeldreferenzierung oder durch einen Computer berechnet wird. Man beachte, dass bei der vorliegenden Ausführungsform aus Gründen der Sicherheit die erlaubte Wasserstoffdichte (d. h. die erlaubte Wasserstoffaustrittsmenge) Hlim geringfügig geringer als die maximale Wasserstoffdichte (d. h. die maximale Wasserstoffaustrittsmenge) Hmax eingestellt ist, es ist jedoch auch möglich, dass beide denselben numerischen Wert aufweisen.
Im nächsten Schritt wird der dem erlaubten Betriebsdruck Plim entsprechende erlaubte Erzeugungsstrom Ilim durch Kennfeldreferenzierung oder durch einen Computer berechnet (Schritt S113) und der Begrenzte-Ausgabe-Betriebsmodus wird durchgeführt (Schritt S114) unter Verwendung des erlaubten Erzeugungsstroms Ilim als Ausgabebegrenzungswert. Das Bearbeiten der gegenwärtigen Routine wird danach zeitweise beendet. Bei dem Begrenzte-Ausgabe-Betriebsmodus wird die Steuerung/Regelung des Betriebs der Brennstoffzelle durch Begrenzen des Abgabestroms von der Brennstoffzelle 11 auf weniger oder gleich dem erlaubten Erzeugungsstrom Ilim durchgeführt.
7 ist ein Blockdiagramm, das ein Betriebssteuer/regelverfahren für die Brennstoffzelle 11 in dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 zeigt.
Bei dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 wird die Menge, um die das Gaspedal AP niedergedrückt ist, als ein Gaspedalöffnungsgrad durch den Gaspedalsensoröffnungsgradsensor 14 erfasst. Aufgrund dieses erfassten Gaspedalöffnungsgrades berechnet die ECU 44 die von dem Fahrmotor 13 erforderte Motorausgabe. Zusätzlich berechnet die ECU 44 die elektrische Last von verschiedenen Hilfsgeräten (z. B. dem Luftkompressor 21 und dergleichen), die zum Betrieb der Brennstoffzelle 11 erforderlich sind.
Aufgrund der von dem Fahrmotor 13 erforderten Motorausgabe und der elektrischen Last der Hilfsgeräte wird der von der Brennstoffzelle 11 durch die Stromsteuerung/regelung 41 zu extrahierende Soll-Erzeugungsstrom IFC berechnet und basierend auf diesem Soll-Erzeugungsstrom IFC wird eine Soll-Gasmenge (d. h. eine Soll-Luftzufuhrmenge) und ein Soll-Druck (d. h. ein Soll-Luftzufuhrdruck) berechnet.
Im nächsten Schritt wird aufgrund dieser Soll-Gasmenge eine Drehzahl N für den Luftkompressor 21 berechnet und der Motor 43 des Luftkompressors 21 wird derart gesteuert/geregelt, dass er sich mit der berechneten Drehzahl dreht. Zusätzlich wird eine Regelung der Drehzahl des Luftkompressors 21 durchgeführt, so dass keine Differenz zwischen der tatsächlichen Gasmenge (d. h. der tatsächlichen Luftzufuhrmenge), die durch den Gasmengensensor 46 erfasst wird, und der Soll-Gasmenge (d. h. der Soll-Luftzufuhrmenge) besteht.
Zur gleichen Zeit wird ein Ventilöffnungsgrad θ für das Gegendrucksteuer/regelventil 25 aufgrund des Sollwertes berechnet, und der Öffnungsgrad des Gegendrucksteuer/regelventils 25 wird derart gesteuert/geregelt, dass er der Öffnungsgrad θ wird. Zusätzlich wird eine Regelung des Ventilöffnungsgrads θ des Gegendrucksteuer/regelventils 25 durchgeführt, so dass keine Differenz zwischen dem durch den Drucksensor 47 erfassten tatsächlichen Luftzufuhrdruck und dem Solldruck (dem Sollluftzufuhrdruck) besteht.
Weiterhin wird aufgrund des durch den Drucksensor 47 erfassten tatsächlichen Luftzufuhrdrucks (nämlich des tatsächlichen Betriebsdrucks) und der durch den Wasserstoffsensor 54 erfassten tatsächlichen Wasserstoffdichte innerhalb des FC-Behälters 51 ein Betriebsdruckgrenzwert (d. h. ein erlaubter Betriebsdruck) berechnet, falls erforderlich, und der Solldruck wird derart begrenzt, dass er gleich oder geringer als der Betriebsdruckgrenzwert ist, und weiterhin wird eine Warnung ausgegeben. Alternativ wird anstelle des Begrenzens des Betriebsdrucks ein dem Betriebsdruckgrenzwert entsprechender Erzeugungsstromgrenzwert (d. h. der erlaubte Erzeugungsstrom) berechnet und der Soll-Erzeugungsstrom wird derart begrenzt, dass er gleich oder geringer als der Erzeugungsstromgrenzwert (d. h. der gestrichelte Pfeil in 7) ist. Durch Verwenden einer Struktur, bei der der Soll-Erzeugungsstrom auf diese Weise begrenzt ist, kann der gegenwärtige Betriebsdruck aus dem gegenwärtigen Erzeugungsstrom abgeschätzt werden. Daher ist der begrenzte Betrieb der Brennstoffzelle 11 sogar dann noch möglich, wenn der Drucksensor 47 ausfällt oder dergleichen. Es ist sogar möglich, den Drucksensor 47 nicht vorzusehen.
Durch Durchführen der Steuerung/Regelung des Betriebs der Brennstoffzelle 11 in dieser Art und Weise ist es möglich, den Fahrer durch Einschal ten einer Warnlampe zu alarmieren, wenn die aus der Brennstoffzelle 11 austretende Menge von Wasserstoff bis zu einer bestimmten Menge ansteigt. Falls die Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11 sogar weiter ansteigt, so dass dann, wenn der Betriebsdruck über den gegenwärtigen Betriebszustand, in dem kein Problem vorliegt, hinaus ansteigt und die Brennstoffzelle 11 dann betrieben wird, eine Gefahr besteht, dass die Wasserstoffaustrittsmenge die maximale Wasserstoffaustrittsmenge überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, durch Betreiben der Brennstoffzelle 11, während die Abgabe von der Brennstoffzelle 11 begrenzt wird, die Wasserstoffaustrittsmenge zuverlässig zu begrenzen, so dass diese die maximale Wasserstoffaustrittsmenge nicht überschreitet. Im Ergebnis wird es möglich, das Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu betreiben, während der Wasserstoffaustrittszustand aus der Brennstoffzelle 11 vorhergesagt wird, und die Wahrscheinlichkeit, dass die Brennstoffzelle 11 einen plötzlichen Notstopp durchführt, gegenüber der gegenwärtigen Wahrscheinlichkeit deutlich zu reduzieren. Zusätzlich wird es möglich, das Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu einem bestimmten Ort, wie einer Reparaturwerkstatt oder dergleichen, zu bewegen, während der Betrieb zum Begrenzen der Abgabe von der Brennstoffzelle 11 durchgeführt wird.
Falls die Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle 11 die maximale Wasserstoffaustrittsmenge überschreitet, wird es ferner sogar dann, wenn der Betrieb zur Begrenzung der Abgabe von der Brennstoffzelle 11 in dieser Art und Weise durchgeführt wird, möglich, einen Notstopp der Brennstoffzelle 11 durchzuführen, um Sicherheit sicherzustellen.
Man beachte, dass in der oben beschriebenen Ausführungsform der Druck von der Brennstoffzelle 11 zugeführter Luft als der zu steuernde/regelnde Betriebsdruck verwendet wird, jedoch kann der zu steuernde/regelnde Betriebsdruck auch der Druck von der Brennstoffzelle 11 zugeführtem Wasserstoffgas sein.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die hervorragende Wirkung erzielt, dass der Betrieb der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden kann, während die Wasserstoffaustrittsmenge auf weniger als den vorbestimmten Wert unterdrückt wird, weil der Betriebsdruck derart begrenzt wird, dass die Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle und aus dem Wasserstoffstrompfad einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, basierend auf durch einen Wasserstoffsensor erfassten Werten.
Weiterhin tritt gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu der obigen Wirkung das Begrenzen des Betriebsdrucks nicht erst auf, nachdem erfasst worden ist, dass die Wasserstoffaustrittsmenge den vorbestimmten Wert überschritten hat, weil ein Betriebsdruck, bei dem die Wasserstoffaustrittsmenge den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, aufgrund von Eigenschaften der Brennstoffzelle und der Wasserstoffaustrittsmenge bei dem gegenwärtigen Betriebsdruck vorhergesagt wird, sondern es wird die ausgezeichnete Wirkung erreicht, dass es möglich ist, die Wasserstoffaus- trittsmenge zuverlässig auf weniger als einen vorbestimmten Wert zu reduzieren, weil der Begrenzungsbetriebsdruck bereits vorhergesagt wird und begrenzt wird, nachdem die Brennstoffzelle einen kleinen Strom erzeugt hat und die Brennstoffzelle betrieben wird, während der Betriebsdruck sich in einem niedrigen Zustand befindet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren, bei dem eine Brennstoffzelle, die unter Verwendung von Wasserstoffgas und einem Oxidationsgas als Reaktionsgas elektrischen Strom erzeugt, bei einem Betriebsdruck betrieben wird, der einem erforderlichen Stromerzeugungszustand entspricht. Ein die Wasserstoffdichte erfassender Wasserstoffsensor ist in einer Nähe der Brennstoffzelle vorgesehen, und aufgrund von durch den Wasserstoffsensor erfassten Werten und der Menge von austretendem Wasserstoff bei dem gegenwärtigen Betriebsdruck und der Charakteristik der Brennstoffzellel 1 wird ein Betriebsdruck vorhergesagt, bei dem eine Wasserstoffaustrittsmenge aus der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet und die Brennstoffzelle wird betrieben, während der Betriebsdruck auf unter den vorhergesagten Betriebsdruck begrenzt ist.

Claims

Brennstoffzellenbetriebsverfahren, bei dem eine Brennstoffzelle (11), die unter Verwendung von als Reaktionsgasen zugeführtem Wasserstoffgas und Oxidationsgas elektrischen Strom erzeugt, bei einem Betriebsdruck (Pn) des Reaktionsgases betrieben wird, der einem erforderlichen Stromerzeugungszustand entspricht, indem der Zufuhrdruck der Reaktionsgase gesteuert/geregelt wird, wobei die Brennstoffzelle (11) und eine Wasserstoffzufuhrsystem-Baugruppe (50) in einem abgedichteten Gehäuse (51) untergebracht sind, welches eine Belüftungseinlassöffung (52) und eine Belüftungsauslassöffnung (53) aufweist, so dass eine Belüftung bei einem konstanten Strömungswert durchgeführt wird, wobei das abgedichtete Gehäuse (51) ferner mit einem Wasserstoffsensor (54) versehen ist, der die Wasserstoffdichte in dem abgedichteten Gehäuse (51) misst, und wobei basierend auf der Wasserstoffdichte in dem abgedichteten Gehäuse (51), welche durch den Wasserstoffsensor (54) gemessen wird, der Betriebsdruck (Pn) des Wasserstoffgases derart begrenzt wird, dass eine Wasserstoffaustrittsmenge (Hn) aus der Brennstoffzelle (11) und einem Wasserstoffstromdurchgang einen vorbestimmten Wert (Hmax) nicht überschreitet.
Brennstoffzellenbetriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei aufgrund von Eigenschaften der Brennstoffzelle (11) und der durch den Wasserstoffsensor (54) gemessenen Wasserstoffaustrittsmenge (Hn) bei einem gegenwärtigen Betriebsdruck (Pn) ein Betriebsdruck (Plim), bei dem die Wasserstoffaustrittsmenge den vorbestimmten Wert (Hmax) nicht überschreitet, angegeben wird und der Betriebsdruck (Pn) derart begrenzt wird, dass er niedriger als der angegebene Betriebsdruck (Plim) ist.
Brennstoffzellenbetriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dann, wenn die Wasserstoffaustrittsmenge (Hn) den vorbestimmten Wert (Hmax) überschreitet, ein Betrieb der Brennstoffzelle (11) eingestellt wird.
Brennstoffzellenbetriebsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein Zufuhrdruck des Wasserstoffgases unter Verwendung eines Zufuhrdrucks des Oxidansgases als ein Signaldruck gesteuert/geregelt wird und wobei der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases derart gesteuert/geregelt wird, dass der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases den Betriebsdruck der Brennstoffzelle erreicht.
Brennstoffzellenbetriebsverfahren nach Anspruch 4, wobei das Oxidansgas zugeführt wird, indem es durch einen Luftkompressor (21) komprimiert wird, und wobei ein Zufuhrdruck des Oxidansgases durch Steuern/Regeln wenigstens einer Drehzahl des Kompressors (21) gesteuert/geregelt wird.
Brennstoffzellenbetriebsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Drucksteuer/regelventil (25) in einem auf einer Ausstoßseite der Brennstoffzelle (11) vorgesehenen Strömungsdurchgang des Oxidansgases vorgesehen ist, und wobei ein Zufuhrdruck des Oxidansgases durch das Drucksteuer/regelventil gesteuert/geregelt wird.