DE10109872B4

DE10109872B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung desselben

Info

Publication number: DE10109872B4
Application number: DE10109872A
Authority: DE
Inventors: Katsuya Kobayashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: US20010008718A1; DE10109872A1; US6635373B2; JP3849749B2; JP2001243961A

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) mit einer Sekundärbatterie (21), die elektrischen Strom einer Außenlast (11) zuführt, einer Brennstoffzelle (31), die elektrischen Strom zumindest der Sekundärbatterie (21) zuführt, und einer Stromsteuerungsvorrichtung (32), die das Brennstoffzellensystem steuert, gekennzeichnet durch
– eine Berechnungseinrichtung (41) zum Berechnen eines Aufladezulässigkeitswertes (CG) der Sekundärbatterie, wobei der Aufladezulässigkeitswert eine in der Sekundärbatterie speicherbare Menge an elektrischer Ladung bezüglich einer vorbestimmten Bezugskapazität darstellt, und
– eine Berechnungseinrichtung (42) zum Berechnen eines Überschussenergiewertes (F) einer von einem Überschussbrennstoffgas in dem Brennstoffzellensystem erzeugbaren, elektrischen Überschussmenge bei einem Stop des Betriebes der Brennstoffzelle,
wobei die Stromsteuerungsvorrichtung (32) angepasst ist, zum Steuern des Aufladezulässigkeitswertes der Sekundärbatterie derart, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich oder größer als der Überschussenergiewert des Überschussbrennstoffgases ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 10.
Aus der DE 197 31 250 A1 sind ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der oben genannten Art bekannt.
Ein Brennstoffzellensystem ist eine Vorrichtung, in der die Energie einer chemischen Reaktion, die unter Verwendung von Brennstoff hervorgerufen wird, unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt wird.
Insbesondere umfasst ein Brennstoffzellensystem ein Paar Elektroden (eine ist eine Anode und die andere eine Kathode), die durch eine Elektrolytmembran getrennt sind, die dazwischen angeordnet ist. In dem System wird wasserstoffreiches Gas der Anode (Brennstoffpol) zugeführt, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie Luft, der Kathode (oxidierender Pol) zugeführt wird, um elektrisch Energie durch die elektrochemischen Reaktionen zu erzeugen, die auf den Oberflächen der zwei Elektroden auf ihren dem Elektrolyt gegenüberstehenden Seiten auftreten. Die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen sind, wie folgt:
Anodenreaktion: H₂ → +2H⁺ + 2e^– Kathodenreaktion: 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O
In einem solchen System kann ein Reformer, der ermöglicht, dass Methanol unter Verwendung von Wasserdampf reagiert, um ein Brennstoffgas zu erzeugen, das eine große Wasserstoffmenge enthält, verwendet werden, um wasserstoffreiches Gas als den elektromotorischen Brennstoff zu erzeugen.
Ein Verdichter, der Luft von irgendeiner Außenquelle aufnimmt und die Luft verdichtet, kann verwendet werden, oxidierendes Gas zu erzeugen, das Sauerstoff enthält.
Die Druckluft von dem Verdichter wird beispielsweise einem Nachkühler, wo die Luft abgekühlt wird, und dann der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt, während Metha nolgas von einem Brennstofftank dem Reformer zugeführt wird, wo das Methanolgas in wasserstoffreiches Gas umgewandelt wird, das an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Kraftfahrzeuganwendungen eines solchen Brennstoffzellensystem sind in Betracht gezogen worden, da ein solches System gegenüber einer Sekundärbatterie für elektrische Kraftfahrzeuganwendungen im Hinblick auf eine Standardfahrstrecke, die ein Fahrzeug fahren kann, auf Servicebedingungen für eine Brennstoffinfrastruktur, usw. von Vorteil ist.
Es ist ferner überlegt worden, dass eine Brennstoffzelle sowie eine Sekundärbatterie in ein Elektrofahrzeug eingebaut werden, so dass die elektrische Stromquelle zwischen ihnen in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen umgeschaltet werden kann, wodurch eine wirksame Versorgung mit elektrischem Strom ermöglicht wird.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. H8-182208 ( JP 08 182 208 AA ) offenbart eine Ausbildung, bei der eine Brennstoffzelle als eine Hilfsstromversorgung zum Aufladen der Sekundärbatterie verwendet wird.
Die japanische, geprüfte Patentanmeldung Nr. H1-39069 ( JP 56 126 777 AA ) und die japanische Offenlegungsschriften Nr. H6-174808 ( JP 06 174 808 AA ) und H8-182208 offenbaren Verfahren zum Erfassen des Restkapazitätspegels in einer Sekundärbatterie.
ZUSAMMENFASSUNG DER Erfindung
Der gegenwärtige Erfinder hat jedoch herausgefunden, dass, wenn der Betrieb eines Brennstoffzellensystems angehalten wird, Wasserstoffgas, das in dem Durchgang vorhanden ist, der sich von dem Reformer zu dem Brennstoffzellenstapel in dem System erstreckt, häufig als Überschussgas zurückbleibt. Eine fortlaufende Zufuhr solchen überschüssigen Wasserstoffgases in einer nichtreagierten Form zu dem Brenner kann manchmal eine übermäßige Zufuhr von Wasserstoffgas ergeben, d. h., die dem Brenner zugeführte Wasserstoffmenge überschreitet die zur Verfügung stehende Kapazität des Brenners.
Es ist möglich, solches überschüssiges Wasserstoffgas zu verwenden, um elektrischen Strom zu erzeugen, der zum Aufladen einer Sekundärbatterie verwendet wird. In einem solchen Fall tritt jedoch die gleiche Situation ebenfalls auf, insbesondere wenn die gegenwärtige Sekundärbatterie, der der erzeugte, elektrische Strom zugeführt wird, bereits in einem voll geladenen Zustand ist, wenn die Ladekapazität nicht berücksichtigt wird.
Alternativ kann eine Brennstoffzelle als eine Hilfsbatterie zum Aufladen einer Sekundärbatterie verwendet werden. Auch in diesem Fall kann die gleiche Situation auftreten, dass die gegenwärtige Sekundärbatterie, der der elektrische Strom von der Brennstoffzelle zugeführt wird, bereits in einem voll aufgeladenen Zustand ist, wenn die Ladekapazität nicht berücksichtigt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine effektive Verwendung von Überschussbrennstoffgas in dem System in Verbindung mit einer sicheren Aufladung einer Sekundärbatterie des Systems gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Sekundärbatterie, die elektrischen Strom einer Außenlast zuführt, einer Brennstoffzelle, die elektrischen Strom zumindest der Sekundärbatterie zuführt, und einer Stromsteuerungsvorrichtung, die das Brennstoffzellensystem steuert, wobei vorgesehen sind: eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Aufladezulässigkeitswertes der Sekundärbatterie, wobei der Aufladezulässigkeitswert eine in der Sekundärbatterie speicherbare Menge an elektrischer Ladung bezüglich einer vorbestimmten Bezugskapazität darstellt, und eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Überschussenergiewertes einer von einem Überschussbrennstoffgas in dem Brennstoffzellensystem erzeugbaren, elektrischen Überschussmenge bei einem Stop des Betriebes der Brennstoffzelle, wobei die Stromsteuerungsvorrichtung angepasst ist, zum Steuern des Aufladezulässigkeitswertes der Sekundärbatterie derart, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich oder größer als der Überschussenergiewert des Überschussbrennstoffgases ist.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine Überschussmenge an Brennstoffgas gekoppelt mit einer sicheren Aufladung einer Sekundärbatterie des Brennstoffzellensystems, genau gesteuert werden kann.
Diese Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem eine Sekundärbatterie, die elektrischen Strom einer Außenlast zuführt, eine Brennstoffzelle, die elektrischen Strom zumindest der Sekundärbatterie zuführt, und eine Stromsteuerungsvorrichtung, die das Brennstoffzellensystem steuert, umfasst, wobei die Schritte vorgesehen sind: Berechnen eines Aufladezulässigkeitswertes der Sekundärbatterie, wobei der Aufladezulässigkeitswert eine in der Sekundärbatterie speicherbare Menge an elektrischer Ladung bezüglich einer vorbestimmten Bezugskapazität darstellt, Berechnen eines elektrischen Überschussenergiewertes einer elektrischen Überschussmenge, die von einem Überschussbrennstoffgas in dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten wird, und Steuern des Aufladezulässigkeitswertes in der Sekundärbatterie derart, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich oder größer als der Überschussenergiewert des Überschussbrennstoffgases ist.
Andere und weitere Merkmale, Vorteile und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung klarer, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren zum Anhalten des Betriebs des Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren zum Starten und zum erneuten Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachfolgend werden ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystem ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem 100 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform in einem Elektrofahrzeug EV eingebaut.
Eine Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) 31 lädt eine Sekundärbatterie 21 über einen elektrischen Stromregler 61 und treibt unmittelbar oder mittelbar einen Motor 11 des Elektrofahrzeugs EV über den elektrischen Stromregler 61 in dem Kraftstoffzellensystem 100 an. Die Räder W sind mit dem Motor 11 verbunden.
Der elektrische Stromregler 61 führt elektrischen Strom von der Batterie 21 dem Motor 11 zu, oder leitet elektrischen Strom von dem Brennstoffzellenstapel 31 ab, um die Batterie 21 aufzuladen, oder führt elektrischen Strom von dem Brennstoffzellenstapel 31 unmittelbar dem Motor 11 zu.
In dem Brennstoffzellenstapel 31 wird wasserstoffreiches Gas seinem Brennstoffpol (–) zugeführt, während Luft von einem Verdichter 331 seinem oxidierenden Pol (+) zugeführt wird, damit elektrochemische Reaktionen in Gegenwart eines Katalysators hervorgerufen werden, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird.
Überschussmengen an Wasserstoffgas und Luft, die dem Brennstoff- bzw. dem oxidierenden Pol des Brennstoffzellenstapels 31 zugeführt werden, können zu einem Brenner 332 weitergeleitet werden.
Wasserstoffreiches Gas, das dem Brennstoffpol des Brennstoffzellenstapels 31 zugeführt werden soll, wird durch einen Reformer 333 erzeugt.
Ein Reformersystem 33, das den Reformer 333 und den Brenner 332 umfasst, umfasst des Weiteren einen Brennstofftank 334, der eine flüssige Brennstoffmischung (Refor mermaterial) aus Methanol und einem Überschuss an Wasser und eine Entfernungseinrichtung 335 für Kohlenstoffmonoxid umfasst.
Dem Reformer 333 werden das Reformermaterial von dem Brennstofftank 334 über eine Pumpe 336 und Luft als Oxidiermittel von dem Verdichter 331 zugeführt. In dem Reformer 333 wird verdampftes Reformermaterial durch eine Reformerreaktion in der Gegenwart eines Katalysators reformiert, um Spaltgas zu erzeugen, das Wasserstoff enthält.
Die Entfernungseinrichtung 335 für Kohlenstoffmonoxid ist stromabwärts des Reformers 333 angeordnet und erhält Luft von dem Verdichter 331, um selektiv Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren, das in dem Spaltgas enthalten ist, wodurch die Konzentration an Kohlenstoffmonoxid in dem Brennstoffzellenstapel 31 verringert wird. Wasserstoffreiches Gas (Spaltgas), das wie oben beschrieben erhalten wird, wird dann dem Brennstoffpol des Brennstoffzellenstapels 31 zugeführt.
Der Brenner 332 erhält Überschussmengen an Spaltgas und Luft von dem Brennstoffzellenstapel 31 und verbrennt sie in Gegenwart eines Verbrennungskatalysators, damit Verbrennungsenergie erzeugt wird, die dann dem Reformer 333 zugeführt wird, wodurch eine Behandlung des Abgases durchgeführt und die Reformerreaktion gefördert wird.
Temperaturfühler T1, T2, T3 und T4 sind jeweils in dem Reformer 333, an einem Auslassrohr, das mit dem Reformer 333 verbunden ist, in der Entfernungseinrichtung 335 für Kohlenstoffmonoxid und an einem Auslassrohr angeordnet, das mit der Entfernungseinrichtung 335 für Kohlenstoffmonoxid verbunden ist. Von diesen Temperaturfühlern erzeugte Signale werden zu der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32 und zu einer Reformersteuerung 34 übertragen.
Ein Druckfühler P1 ist an einer Auslassöffnung des Brennstoffpols des Brennstoffzellenstapels 31 angeordnet. Ein von dem P1 erzeugtes Signal wird zu der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32 übertragen.
Die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 hat eine Batterieüberwachungseinrichtung (Berechnungseinrichtung für einen Aufladezulässigkeitswert) 41 und eine Berechnungseinrichtung 42 für übermäßigen, elektrischen Strom.
Die Batterieüberwachungseinrichtung 41 der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32 berechnet und überwacht einen Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21. Der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 stellt die Menge an elektrischer Ladung dar, die in der Batterie 21, die gegenwärtig irgendeine Restkapazität aufweist, gespeichert werden kann, bis die Batterie 21 einen aufgeladenen Zustand erreicht, der eine vorbestimmte Bezugskapazität darstellt. Mit anderen Worten kann der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 bestimmt werden durch Berechnen der maximalen Ausgangsleistung, die von der Batterie 21 erhalten werden kann, auf der Grundlage eines Entladungsstroms und der Klemmenspannung der Batterie 21, durch Berechnen der Restkapazität der Batterie aus der maximalen Ausgangsleistung, indem eine durch Versuch erhaltene Korrelationsfunktion verwendet wird, die die Beziehung zwischen der maximalen Ausgangsleistung und der Batteriekapazität darstellt, die vorhergehend bestimmt worden ist, und durch Bestimmen der Differenz zwischen der Bezugskapazität und der Restkapazität. Natürlich kann dieses Berechnungsverfahren nicht als ausschließlich angesehen werden. Beispielsweise kann die Aufladezulässigkeitsgröße CG auch bestimmt werden, indem die Restkapazität der Batterie verwendet wird, die erhalten werden kann durch: serielles Berechnen der Beziehung zwischen der maximalen Ausgangsstromdichte und der elektrischen Entladungsstromgröße der Batterie 21 auf der Grundlage der Klemmenspannung und des Entladestroms der Batterie 21; Annehmen einer Beziehung zwischen einer zukünftigen maximalen Ausgangsstromdichte und der elektrischen Entladungsstromgröße auf der Grundlage der berechneten Beziehung zwischen der maximalen Ausgangsstromdichte und der elektrischen Entladungsstromgröße der Batterie 21, wobei ein Regressionsverfahren der ersten oder einer höheren Ordnung verwendet wird; und Subtrahieren der gegenwärtigen elektrischen Entladungsstromgröße von der elektrischen Entladungsstromgröße zu einer Zeit, wenn die Kennlinie, die die Beziehung zwischen der angenommenen maximalen Ausgangsstromdichte und der elektrischen Entladungsstromgröße die maximale Ausgangsstromdichte bei Entladungsbeendigung schneidet.
Die Berechnungseinrichtung 42 für elektrischen Überschussstrom der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32 berechnet einen elektrischen Überschussenergiewert F, der in dem Brennstoffzellensystem 100 erzeugt wird, wobei die folgende Gleichung verwendet wird: F = (Q – q)·E·β/γ,worin F den elektrischen Überschussenergiewert (kJ) darstellt, Q eine Wasserstoffmenge (mol) darstellt, die in dem Brennstoffzellensystem erzeugt werden kann, q eine Wasserstoffmenge (mol) darstellt, die in einem Brenner 332 verarbeitet werden kann, E einen unteren Heizwert von Wasserstoff (kJ/mol) darstellt, β den Stapelwirkungsgrad der Brennstoffzelle 31 darstellt, und γ ein Wasserstoffüberschussverhältnis (> 1,0) in dem Brennstoffzellenstapel 31 darstellt.
Die Wasserstoffmenge q, die in dem Brenner 332 verarbeitet werden kann, ist eine Konstante, die entsprechend der Spezifizierung des verwendeten Brenners 332 bestimmt werden kann. Der untere Heizwert E von Wasserstoff ist auch eine Konstante. Der Stapelwirkungsgrad β und das Wasserstoffüberschussverhältnis γ können unter Verwendung von z. B. einer Abbildung bestimmt werden.
Die Wasserstoffmenge Q kann durch die Wasserstoffmenge dargestellt werden, die erzeugt werden kann, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 31 angehalten wird. Entsprechend kann der Wert Q durch die folgende Gleichung berechnet werden: Q = Vx·α·P·273/(T + 273)/22,4worin Vx (Liter) das Gesamtvolumen des in dem Reformer, den Rohren und dem Wasserstoffpol des Brennstoffzellenstapels vorhandenen Gases darstellt; α ein durchschnittliches Anteilsverhältnis des in dem reformierten Gas enthaltenen Wasserstoff darstellt; P (MPa) einen Druck in dem Wasserstoffpol des Brennstoffzellenstapels 31 darstellt, der auf der Grundlage eines Erfassungswerts erhalten wird, der durch den Druckfühler P1 erzeugt wird; und T (°C) eine Durchschnittstemperatur des Spaltgases darstellt, die unter Verwendung von Erfassungswerten berechnet wird, die durch die Temperaturfühler T1 bis T4 erzeugt werden, wie es verlangt wird.
Zusammengefasst kann die Wasserstoffmenge Q bestimmt werden, indem der Druck P in dem Wasserstoffpol und eine Durchschnittstemperatur T des reformierten Gases in dem Brennstoffzellenstapel erfasst wird, da das Gasvolumen Vx und das durchschnittliche Anteilsverhältnis α des Wasserstoffs in dem Spaltgas Konstanten sind, die aus der Spezifizierung des verwendeten Reformers bestimmt werden können.
Die Reformersteuerungsvorrichtung 34 arbeitet in Zusammenwirkung mit der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32, um die Menge an wasserstoffreichem Gas zu steuern, die erzeugt und dem Brennstoffzellenstapel 31 in Antwort auf ein Befehlssignal LS zugeführt werden soll, das einer Außenlast entspricht, wie ein Beschleunigungsvorgang.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems 100 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Bezugnehmend auf 2 ist ein Flussdiagramm vorgesehen, das ein Steuerungsverfahren zum Anhalten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 zeigt.
Wie es in 2 gezeigt ist, hält, wenn die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 einen Stopbefehl IS1 im Schritt S1 erhält, diese die Stromzufuhr von dem elektrischen Stromregler 61 zu dem Motor 11 im Schritt S2 an.
Ferner hält die Reformersteuerungsvorrichtung 34 die Zufuhr von Reformermaterial zu dem Reformer 333 im Schritt S3 an.
Zu diesem Zeitpunkt bleibt Wasserstoffgas in dem Durchgang, der sich von dem Reformer 333 zu dem Brennstoffzellenstapel 31 erstreckt. Es ist möglich, das verbleibende Wasserstoffgas zu verwenden, um elektrische Energie zu erzeugen, während der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 31 fortlaufend gestattet wird. Der erzeugte, elektrische Strom kann geeigneterweise zum Aufladen der Batterie 21 verwendet werden, wenn das Elektrofahrzeug EV nicht fährt, d. h. die Bewegung des Motors 11 angehalten ist.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform steuert die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 die Stromversorgung von der Batterie 21 zu dem Motor 11 über den elektrischen Stromregler 61 im voraus, wenn z. B. das Elektrofahrzeug fährt, indem der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 bei der Batterieüberwachungseinrichtung 41 der elektrischen Stromsteuerungsvorrichtung 32 berechnet wird, eine überschüssige elektrische Stromgröße F, die durch eine Überschussmenge an Wasserstoffgas erzeugt wird, bei der Berechnungseinrichtung 42 für elektrischen Überschussstrom berechnet wird, und der Aufladezulässigkeitswert CG in der Batterie 21 gleich der oder höher als die Energie F während z. B. der Fahrt des Elektrofahrzeugs gehalten wird.
Wenn die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 im Schritt S4 bestimmt, dass die Überschussmenge an Wasserstoffgas Q die Wasserstoffmenge q überschreitet, die in dem Brenner 332 verarbeitet werden kann, dann wird der elektrische Überschussstrom, der von der Überschussmenge an Wasserstoffgas erzeugt wird, in der Batterie 21 über den elektrischen Stromregler 61 im Schritt S6 gespeichert.
Wenn die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 im Schritt S7 bestimmt, dass das Laden der Batterie 21 noch nicht abgeschlossen ist, dann kehrt das Verfahren zu dem Schritt S6 zurück, um das Ladeverfahren der Batterie 21 zu wiederholen.
Wenn andererseits die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 im Schritt S7 bestimmt, dass das Laden der Batterie 21 abgeschlossen worden ist, dann wird der Betriebsvorgang des Brennstoffzellensystems 100 im Schritt S8 angehalten. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird bestimmt, dass das Laden der Batterie 21 abgeschlossen ist, wenn der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie im Wesentlichen gleich Null ist. Dieser Wert schließt andere nicht aus und irgendein anderer geeigneter Wert kann verwendet werden.
Andererseits wird, wenn die elektrische Stromerzeugungsvorrichtung 32 im Schritt S4 bestimmt, dass die Überschussmenge Q an Wasserstoff gleich oder kleiner als die Wasserstoffmenge q ist, die in dem Brenner 332 verarbeitet werden kann, dann geht das Verfahren zu dem Schritt S5, in dem die Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 31 angehalten wird und die Überschussmenge an Wasserstoffgas dem Brenner 332 zugeführt wird, statt die elektrische Überschussenergie in der Batterie 21 zu speichern. Als nächstes wird dieses Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 im Schritt S8 angehalten.
Nachfolgend wird ein Steuerungsverfahren zum Starten und erneuten Starten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Als erstes führt, wenn die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 ein Befehlssignal IS2 zum Starten oder Wiederstarten im Schritt S11 erhält, diese elektrischen Strom von der Batterie 21 dem Motor 11 über den elektrischen Stromregler im Schritt S12 zu.
Die Reformersteuerungsvorrichtung 34 aktiviert oder reaktiviert den Reformer 333, indem Reformermaterial dem Reformer 333 im Schritt S13 zugeführt wird. Der Schritt S14 bestimmt, ob der Reformer 333 ausreichend aktiviert oder reaktiviert ist. Wenn nicht, kehrt das Verfahren dann zu dem Schritt S13 zurück, um das Verfahren zum Aktivieren des Reformers 333 zu wiederholen, bis der Reformer 333 ausreichend aktiviert oder reaktiviert ist.
Wenn der Reformer 333 ausreichend aktiviert oder reaktiviert ist, wird die Arbeitsweise des Reformers 333 im Schritt S15 gestartet, und dann wird das reformierte Gas dem Brennstoffzellenstapel 31 zugeführt, der somit die Stromerzeugung beginnt.
Im Schritt S17 berechnet die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 den Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 und überwacht ihn, während die elektrische Stromquelle des Motors zwischen der Batterie 21 und dem Brennstoffzellenstapel 31 umgeschaltet wird.
Als nächstes geht das Verfahren dann, wenn die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 bestimmt, dass der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 die elektrische Überschussenergiemenge F überschreitet, die einer Menge an Wasserstoffgas entspricht, die durch Subtrahieren der Wasserstoffmenge q, die in dem Brenner 332 verarbeitet werden kann, von der erzeugten Wasserstoffmenge Q erhalten wird, die im Schritt S18 erzeugt wurde (was bedeutet, dass es möglich ist, die Batterie 21 zu laden) zu dem Schritt S20, wo die Reformersteuerungsvorrichtung 34 einen fortlaufenden Betrieb des Reformers 333 unter den gleichen Bedingungen erlaubt, wodurch die Ausgabe von dem Brennstoffzellenstapel 31 beibehalten wird.
Wenn andererseits die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 im Schritt S18 bestimmt, dass der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 gleich der oder kleiner als die elektrische Überschussenergiegröße F ist, die einer Menge an Wasserstoffgas entspricht, die erhalten wird, indem die Wasserstoffmenge q, die in dem Brenner 332 verarbeitet werden kann, von der Überschussmenge Q des erzeugten Wasserstoffs subtrahiert wird, regelt die Reformersteuerungsvorrichtung 34 dann die Ausgabe von dem Reformer 333 derart, dass die Erzeugung von Wasserstoffgas in dem Reformer 333 verringert werden kann, weil eine Überschussmenge an Wasserstoffgas erzeugt wird, nachdem der Betrieb angehalten ist. Als ein Ergebnis wird die Ausgabe von dem Brennstoffzellenstapel 31 verringert. Als nächstes kehrt das Verfahren zu dem Schritt S17 zurück.
Insbesondere beschränkt die Reformersteuerungsvorrichtung 34 im Schritt S19 die Erzeugung von Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenstapel 31 zugeführt werden soll, wenn der Aufladezulässigkeitswert CG der Batterie 21 gleich der oder größer als die elektrische Überschussstrommenge F ist und wenn die Zunahmerate der Ausgabelast des Brennstoffzellensystems 100 in Bezug auf den Motor 11, der einer Außenlast entspricht, größer als Null ist (d. h., wenn die Betriebslast des Elektrofahrzeugs EV von niedrig auf hoch geändert wird). Das heißt, als nächstes kehrt das Verfahren zu dem Schritt S17 zurück, wo die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung 32 elektrischen Strom vorzugsweise von der Batterie 21 über den elektrischen Stromregler 61 dem Motor 11 zuführt. Die Stromversorgung von der Batterie 21 wird wahrscheinlich abnehmen, insbesondere, wenn Wasserstoffgas in Antwort darauf dem Brennstoffzellenstapel 31 zugeführt wird, da der in dem Brennstoffzellenstapel 31 erzeugte elektrische Strom unmittelbar verwendet werden kann. In einem solchen Fall kann eine Batterie häufig einen zu kleinen Aufladezulässigkeitswert CG aufweisen, um einen ausreichenden Raum für eine elektrische Überschussenergiemenge F bereitzustellen. Um dies zu vermeiden, wird elektrischer Strom vorzugsweise von der Batterie 21 dem Motor 11 (einer Außenlast) zugeführt, während die Erzeugung von Wasserstoffgas beschränkt wird, so dass der elektrische Strom wirksam verbraucht werden kann und der elektrische Strom, der durch die Überschussmenge an Wasserstoffgas erzeugt wird, wirksam in der Batterie 21 gespeichert werden kann.
Wie oben beschrieben, werden, indem der Aufladezulässigkeitswert in der Sekundärbatterie berechnet und überwacht wird, während ein elektrischer Überschussstrom berechnet wird, der durch ein Überschussbrennstoffgas erzeugt werden kann, das erzeugt wird, wenn die Arbeitsweise der Brennstoffzelle angehalten wird, sowohl die Sekundärbatterie als auch die Brennstoffzelle derart gesteuert, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich dem oder größer als der elektrische Überschussstrom ist, und die elektrische Energie, die durch ein Überschussbrennstoffgas erzeugt wird, das erzeugt wird, wenn die Arbeitsweise der Brennstoffzelle angehalten wird, kann in der Sekundärbatterie entsprechend der vorliegenden Ausführungsform gespeichert werden. Auf diese Weise kann der elektrische Strom wirksam verbraucht werden und eine Verbrennung von überschüssigem Brennstoffgas in dem Bren ner kann wirksam verhindert werden.
Des Weiteren wird die Ausgabe von einem Brennstoffgasgenerator, wie einem Reformer, mit dem Aufladezulässigkeitswert in der Sekundärbatterie während des Fahrbetriebs verglichen, und wenn die Ausgabe, die auf eine Außenlast angewendet wird, wie eine Betriebslast, von niedrig auf hoch geändert wird, wird die Erzeugung von Brennstoffgas beschränkt, während elektrischer Strom vorzugsweise von der Sekundärbatterie der Außenlast zugeführt wird. Deshalb kann der elektrische Strom, der durch die Überschussmenge an Brennstoffgas erzeugt wird, sicher in der Sekundärbatterie gespeichert werden, selbst wenn die Arbeitsweise der Brennstoffzelle mit einer reagierenden Reaktivierung von Brennstoffgas angehalten wird, wodurch ein wirksamer Verbrauch der elektrischen Energie ermöglicht und eine Verbrennung des Überschussbrennstoffgases verhindert wird.
Des Weiteren kann die Sekundärbatterie nur geladen werden, wenn die Überschussmenge an Wasserstoff eine Menge überschreitet, die in dem Brenner verbrannt werden kann, wodurch es möglich ist, die Brennstoffversorgung in Abhängigkeit von der gegenwärtigen Fahrbedingung zu steuern.
Obgleich die Erfindung oben unter Bezugnahme auf eine gewisse Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt. Abänderungen und Veränderungen der Ausführungsform, die oben beschrieben ist, ergeben sich für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet im Licht der Lehre. Der Erfindungsbereich ist unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Brennstoffzellensystem (100) mit einer Sekundärbatterie (21), die elektrischen Strom einer Außenlast (11) zuführt, einer Brennstoffzelle (31), die elektrischen Strom zumindest der Sekundärbatterie (21) zuführt, und einer Stromsteuerungsvorrichtung (32), die das Brennstoffzellensystem steuert, gekennzeichnet durch – eine Berechnungseinrichtung (41) zum Berechnen eines Aufladezulässigkeitswertes (CG) der Sekundärbatterie, wobei der Aufladezulässigkeitswert eine in der Sekundärbatterie speicherbare Menge an elektrischer Ladung bezüglich einer vorbestimmten Bezugskapazität darstellt, und – eine Berechnungseinrichtung (42) zum Berechnen eines Überschussenergiewertes (F) einer von einem Überschussbrennstoffgas in dem Brennstoffzellensystem erzeugbaren, elektrischen Überschussmenge bei einem Stop des Betriebes der Brennstoffzelle, wobei die Stromsteuerungsvorrichtung (32) angepasst ist, zum Steuern des Aufladezulässigkeitswertes der Sekundärbatterie derart, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich oder größer als der Überschussenergiewert des Überschussbrennstoffgases ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerungsvorrichtung (32) die Sekundärbatterie (21) und/oder die Brennstoffzelle (31) steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerungsvorrichtung (32) eine Speicherung der elektrischen Überschussmenge in der Sekundärbatterie (21) steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromsteuerungsvorrichtung (32) eine Antriebsquelle für die Außenlast (11) zwischen der Sekundärbatterie (21) und der Brennstoffzelle (31) umschaltet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerungsvorrichtung (32) eine Erzeugung zu der Brennstoffzelle (31) zugeführten Brennstoff beschränkt, wenn eine Zunahmerate einer Ausgabelast des Brennstoffzellensystems (100) in Bezug auf die Außenlast (11) größer als Null ist, und wenn der Aufladezulässigkeitswert (CG) der Sekundärbatterie (21) kleiner als der Überschussenergiewert (F) ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerungsvorrichtung (32) die Zufuhr an elektrischem Strom von der Sekundärbatterie (21) vorzugsweise zu der Außenlast (11) steuert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (332) vorgesehen ist, der in der Brennstoffzelle (31) verwendete Brennstoff Wasserstoff umfaßt, und der Überschussenergiewert (F) durch die folgende Gleichung berechenbar ist: F = (Q – q)·E·β/γwobei F den elektrischen Überschussenergiewert (kJ), Q eine Wasserstoffmenge (mol), die in dem Brennstoffzellensystem (100) erzeugbar ist, q eine Wasserstoffmenge (mol), die in dem Brenner verarbeitbar ist, E einen unteren Heizwert (kJ/mol) von Wasserstoff, β einen Stapelwirkungsgrad der Brennstoffzelle, und γ ein Wasserstoffüberschussverhältnis (> 1,0) in der Brennstoffzelle darstellen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerungsvorrichtung (32) die elektrische Überschussmenge in der Sekundärbatterie (21) speichert, wenn (Q – q) gleich oder größer als Null ist, während die Stromsteuerungsvorrichtung (32) das Überschussbrennstoffgas dem Brenner (332) zuführt, wenn (Q – q) kleiner als Null ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformer (333) vorgesehen ist, der den in der Brennstoffzelle (31) zu verwendenden Brennstoff reformiert, und eine Reformersteuerungsvorrichtung (34) vorgesehen ist zur Steuerung des Reformers.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem eine Sekundärbatterie (21), die elektrischen Strom einer Außenlast (11) zuführt, eine Brennstoffzelle (31), die elektrischen Strom zumindest der Sekundärbatterie zuführt, und eine Stromsteuerungsvorrichtung (32), die das Brennstoffzellensystem steuert, umfasst, gekennzeichnet durch – Berechnen eines Aufladezulässigkeitswertes (CG) der Sekundärbatterie, wobei der Aufladezulässigkeitswert eine in der Sekundärbatterie speicherbare Menge an elektrischer Ladung bezüglich einer vorbestimmten Bezugskapazität darstellt, – Berechnen eines elektrischen Überschussenergiewertes (F) einer elektrischen Überschussmenge, die von einem Überschussbrennstoffgas in dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten wird, und – Steuern des Aufladezulässigkeitswertes in der Sekundärbatterie derart, dass der Aufladezulässigkeitswert gleich oder größer als der Überschussenergiewert des Überschussbrennstoffgases ist.