DE112004002513T5 - Brennstoffzellensystem und dessen Steuerungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt;
einer Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und
einer Spüleinrichtung zum Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das durch eine chemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas Elektrizität erzeugt, und auf ein Steuerungsverfahren für dieses Brennstoffzellensystem. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf das Verbessern der Betriebseffizienz eines Brennstoffzellensystems.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Wasserstoffbrennstoffzellen erzeugen Energie durch eine Reaktion zwischen Wasserstoffgas als das Brennstoffgas und Sauerstoff als das Oxidationsgas. Der Betrieb der Brennstoffzelle wird durch Zuführen des Wasserstoffgases zu einer Wasserstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle gestartet, während zu der Sauerstoffelektrode (Kathode) Sauerstoffgas zugeführt wird, und wird durch Stoppen der Zufuhr des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases zu der Brennstoffzelle gestoppt. Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle mit in der Brennstoffzelle verbleibendem Brennstoffgas und Oxidationsgas gestoppt wird, verursacht eine Druckdifferenz, dass sich das Restgas durch den Elektrolyt zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode bewegt, wodurch eine chemische Reaktion erzeugt wird, die die Temperatur auf ein Niveau erhöht, bei dem der Elektrolyt beschädigt werden kann (d.h., einen chemischen Kurzschluss). Aufgrund dessen wird das Restgas innerhalb der Brennstoffzelle durch Zuführen eines inerten Gases in die Brennstoffzelle gespült, während sie gestoppt ist. Wie in der JP-A-4-4570 offenbart ist, wird dann, wenn sich die Brennstoffzelle in dem Bereitschaftszustand befindet, in dem ihr Betrieb für eine relativ kurze Zeitspanne gestoppt ist, während der von der Brennstoffzelle keine Energie zu einer Last zugeführt wird, damit fortgefahren, während dieser Zeit kleine Mengen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu der Brennstoffzelle zuzuführen, um zu verhindern, dass sich Restgas durch den Elektrolyt in der Brennstoffzelle bewegt.
  • Wenn jedoch bei gestoppter Brennstoffzelle unter Verwendung eines inerten Gases Restgas gespült wird, muss nicht nur die erforderliche Menge des inerten Gases im Vorfeld gespeichert werden, sondern es muss ein Spülmechanismus zum Spülen und ein Tank getrennt von dem Brennstoffgas/Oxidationsgaszuführsystem vorgehalten werden, was vom Gesichtspunkt der Verringerung der Größe sowie der Herstellungskosten der Brennstoffzelle nicht wünschenswert ist. Außerdem nimmt bei einer Konstruktion, bei der kleine Mengen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas kontinuierlich zu der Brennstoffzelle zugeführt werden und die Gase innerhalb der Brennstoffzelle selbst dann zirkuliert werden, wenn sie sich in dem Bereitschaftszustand befindet, die Brennstoffverbrauchseffizienz infolge der Tatsache ab, dass Zusatzvorrichtungen, etwa ein Kompressor, selbst dann betrieben werden, wenn zu einer Last keine Energie zugeführt wird. Dies ist zum Erhalten einer Einbau- bzw. fahrzeugeigenen Brennstoffzelle und dergleichen nicht wünschenswert.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • In Hinsicht auf die vorgenannten Probleme schafft diese Erfindung somit ein Brennstoffzellensystem mit verbesserter Brennstoffverbrauchseffizienz, das verhindert, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, oder das einen auftretenden chemischen Kurzschluss stoppt, und ein Steuerverfahren für dieses Brennstoffzellensystem.
  • Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das versehen ist mit einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Schätzeinrichtung zum Schätzen, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spüleinrichtung zum Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt.
  • Gemäß diesem Aufbau wird geschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist. Wenn eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, wird für eine kurze Zeitspanne Spülgas (etwa eine geringe Menge von Luft) zugeführt, um von der Anodenseite zu der Kathodenseite entwichenes Wasserstoffgas zu der Außenseite der Brennstoffzelle auszulassen. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, oder einen auftretenden chemischen Kurzschluss zu stoppen. Da zudem die Betriebszeit der Spüleinrichtung kurz ist, ist der zum Spülen erforderliche Energieverbrauch niedrig. Die Verwendung von Luft als das Spülgas macht es möglich, dass als die Spüleinrichtung ein normalerweise vorgesehener Luftkompressor verwendet wird. Ferner ist es durch Betrieb dieses Luftkompressors bei niedriger Geschwindigkeit möglich, eine kleine oder extrem kleine Menge von Luft zu erhalten, wodurch der Energieverlust vom Spülen weiter reduziert wird.
  • Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das versehen ist mit einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Gasdruckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Gasdrucks des Brennstoffgases an der Anodenseite der Brennstoffzelle; einer Sperreinrichtung zum Absperren der Anodenseite der Brennstoffzelle, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spüleinrichtung zum Spülen von Restgas an der Kathodenseite durch Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn der Gasdruckabnahmebetrag des Brennstoffgases, das an der Anodenseite dadurch gedichtet ist, dass die Anodenseite durch die Sperreinrichtung abgesperrt ist, größer als ein Bezugswert ist.
  • Gemäß diesem Aufbau wird aus dem Abnahmebetrag in dem gedichteten Brennstoffgas abgeschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Wenn eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, wird für eine kurze Zeit ein Spülgas (etwa eine geringe Menge von Luft) zugeführt, um Wasserstoffgas, das von der Anodenseite zu der Kathodenseite entwichen ist, zu der Außenseite der Brennstoffzelle auszulassen. Als ein Ergebnis ist es möglich zu verhindern, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, oder einen auftretenden Kurzschluss zu stoppen. Da zudem die Betriebszeit der Spüleinrichtung auch kurz ist, ist der zum Spülen erforderliche Energieverbrauch gering. Die Verwendung von Luft als das Spülgas ermöglicht die Verwendung eines normalerweise in dem Brennstoffzellensystem vorgesehenen Luftkompressors als die Spüleinrichtung. Ferner ist es durch Betrieb dieses Luftkompressors bei einer geringen Geschwindigkeit möglich, eine kleine oder extrem kleine Menge von Luft zu erhalten, wodurch der Energieverlust vom Spülen weiter reduziert wird.
  • Ein dritter Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das versehen ist mit einer Brennstoffzelle, die durch eine chemischen Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Konzentrationserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Gaskonzentration des Oxidationsgases an der Kathodenseite; und einer Spüleinrichtung zum Spülen von Restgas an der Kathodenseite durch Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn die Gaskonzentration des an der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibenden Oxidationsgases unterhalb eines Bezugswerts fällt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist.
  • Gemäß diesem Aufbau wird aus einer Abnahme der Gaskonzentration des restlichen Oxidationsgases abgeschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Wenn eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, wird für eine kurze Zeit ein Spülgas (etwa eine geringe Menge von Luft) zugeführt, um das von der Anodenseite zu der Kathodenseite entwichene Wasserstoffgas zu der Außenseite der Brennstoffzelle auszulassen. Als ein Ergebnis ist es möglich zu verhindern, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, oder einen auftretenden chemischen Kurzschluss zu stoppen. Da zudem die Betriebszeit der Spüleinrichtung auch kurz ist, ist der zum Spülen erforderliche Energieverbrauch gering. Die Verwendung von Luft als das Spülgas ermöglicht es, dass ein normalerweise vorgesehener Luftkompressor als die Spüleinrichtung verwendet wird. Ferner ist es durch Betreiben dieses Luftkompressors bei einer niedrigen Geschwindigkeit möglich, eine kleine oder extrem kleine Menge von Luft zu erhalten, wodurch der Energieverlust vom Spülen weiter reduziert wird.
  • Ein vierter Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt. Dieses Steuerverfahren schätzt ab, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist, und führt ein Spülgas zu der Kathodenseite zu, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Die Abschätzung darüber, ob eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, wird durch Überwachen beispielsweise einer Abnahmetendenz des Drucks des an der Anodenseite gedichteten Brennstoffgases oder einer Abnahme der Konzentration des Oxidationsgases an der Kathodenseite oder dergleichen durchgeführt.
  • Bevorzugterweise ist das Brennstoffgas Wasserstoffgas, das Oxidationsgas ist Luft, und das Spülgas ist eine kleine (oder extrem kleine) Menge von Luft. Eine kleine Menge in diesem Fall bezieht sich auf eine Menge, die verglichen zu einer während dem normalen Betrieb zugeführten Menge klein ist und die von dem spezifischen Aufbau des Systems abhängig ist. Beispielsweise kann sie eine Menge sein, die größer als der stoichiometrische Wert von 0 und gleich wie oder kleiner als 1 ist.
  • Bevorzugterweise wird, wenn bereits einmal bestimmt wurde, dass ein Brennstoffgasleck vorhanden ist, eine Bestimmung ein zweites Mal durchgeführt, um sicher zu gehen, dass das Ergebnis der ersten Bestimmung nicht falsch war. Somit wird die Genauigkeit der Bestimmung erhöht, was es möglich macht, Probleme wie etwa eine fehlerhafte Erfassung von einem Drucksensor beispielsweise infolge von EMI (einer elektromagnetischen Störbeeinflussung) zu vermeiden.
  • Das Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle beinhaltet bevorzugterweise den Stoppbetrieb der Brennstoffzelle in einem periodischen Betriebszustand. Ein periodischer Betrieb bezieht sich auf einen Betriebsmodus der Brennstoffzelle, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle stoppt, wenn eine Last an der Brennstoffzelle niedrig wird (in welchem Fall die Brennstoffverbrauchseffizienz abnimmt) und stattdessen Elektrizität von einer durch die Brennstoffzelle aufgeladenen Sekundärbatterie zugeführt wird, bis es nötig wird, die Brennstoffzelle wieder zu betreiben. Der periodische Betrieb macht es möglich, die Brennstoffzelle mit einer guten Brennstoffverbrauchseffizienz zu verwenden, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzelle verbessert wird. Wenn die Brennstoffzelle periodisch betrieben wird, wird die Zeitspanne, während der der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist, dazu verwendet, um zu bestimmen, ob beispielsweise ein Wasserstoffleck vorhanden ist. Man ist nicht darauf beschränkt, dass während dem die Brennstoffzelle gestoppt ist, die zu der Last zugeführte Energie von der Sekundärbatterie zugeführt wird. Alternativ kann sie von einem Kondensator mit großer Kapazität oder einer kommerziellen Energiequelle oder dergleichen zugeführt werden.
  • Da die Möglichkeit eines chemischen Kurzschlusses bestimmt wird und ein Spülen durchgeführt wird, wird ein Luftkompressor oder dergleichen nur zu dem notwendigen Ausmaß betrieben, um zu verhindern, dass der chemische Kurzschluss oder dergleichen auftritt, oder um einen chemischen Kurzschluss oder dergleichen, der gerade auftritt, zu stoppen. Dementsprechend wird ein unnötiger Energieverbrauch durch den unnötigen Antrieb des Luftkompressors oder dergleichen minimiert, wodurch die Brennstoffverbrauchseffizienz verbessert wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehend erwähnten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen zur Wiedergabe gleicher Elemente verwendet werden, und in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Bestimmungsbeispiels für einen chemischen Kurzschluss zeigt;
  • 3 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Bestimmungsbeispiels für einen chemischen Kurzschluss zeigt;
  • 4 ein Ablaufdiagramm einer Gegenmaßnahme für einen chemischen Kurzschluss zeigt;
  • 5 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
  • 6 ein Ablaufdiagramm eines dritten Bestimmungsbeispiels für einen chemischen Kurzschluss zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Bestimmung darüber gemacht, ob in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, während die Brennstoffzelle gestoppt ist, beispielsweise, während die Brennstoffzelle während einem periodischen Betrieb gestoppt ist, oder während sie zwangsweise gestoppt ist. Beispielsweise wird auf Grundlage des Ausmaßes einer Leckage von in der Brennstoffzelle gedichteten Wasserstoffgases (d.h., Brennstoffgases) oder einer Abnahme der Konzentration des Sauerstoffgases (d.h., des Oxidationsgases) in der in der Brennstoffzelle verbleibenden Luft bestimmt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Um eine fehlerhafte Bestimmung eines Wasserstoffgaslecks zu verhindern, nachdem einmal eine Bestimmung durchgeführt wurde, dass ein Leck vorhanden ist, wird die Bestimmung nochmals durchgeführt.
  • Wenn einmal festgestellt wurde, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit eines auftretenden chemischen Kurzschlusses besteht, wird eine kleine Menge (oder eine extrem kleine Menge) von Luft als ein Spülgas in die Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt, so dass der entwichene Wasserstoff zusammen mit der Restluft aus der Brennstoffzelle ausgelassen (gespült) wird. Durch Steuern des Motors des Luftkompressors auf Ein und Aus (PWM-Steuerung) wird der Motor bei einer geringeren Drehzahl als normal betrieben, was es möglich macht, die extrem kleine Menge von Luft zu dem Luftkompressor zuzuführen. Wenn beispielsweise der Motor des Luftkompressors bei einer minimal stabilen Drehzahl betrieben wird, kann eine Luftmenge, die normalerweise 350 [NL/min] beträgt, auf 20 bis 80 [NL/min] reduziert werden.
  • Wenn das Spülen unter Verwendung von Luft durchgeführt wird, ist es möglich, sowohl das Auftreten eines chemischen Kurzschlusses zu verhindern als auch einen auftretenden Kurzschluss zu stoppen und eine thermische Ermüdung einer MEA (einer Membranelektrodenbaugruppe) infolge der erzeugten Wärme zu verhindern. Es ist zudem möglich, eine Abnahme der Spannung infolge einer Verzögerung der Zufuhr des Sauerstoffgases beim nächsten Starten zu verhindern.
  • Um die Möglichkeit eines Wasserstoffgaslecks bei festen Intervallen zu bestimmen, wie dies vorstehend beschrieben ist, kann die Brennstoffzelle auch gestoppt werden, wenn die Last an der Brennstoffzelle gleich wie oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und zwar ungeachtet dessen, ob sich die Brennstoffzelle in einem periodischen Betriebszustand befindet. In diesem Fall kann die erforderliche Energie von einer Sekundärbatterie bereitgestellt werden.
  • Eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 1 gezeigt. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird der Anodengasdruck bei gestopptem Betrieb der Brennstoffzelle überwacht und es wird auf Grundlage dessen, ob in dem Anodengasdruck eine Abnahme vorhanden ist, abgeschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein Brennstoffgas zu der Kathodenseite entweicht oder dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Wenn eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, wird eine geringe Menge von Gas (Luft) zu der Brennstoffzelle zugeführt, um das Restgas zu spülen, um zu verhindern, dass der chemische Kurzschluss auftritt, oder um einen auftretenden chemischen Kurzschluss zu stoppen. Zudem wird die Brennstoffeffizienz so gut wie möglich verbessert, indem der Luftkompressor lediglich dann betrieben wird, wenn es nötig ist, die geringe Menge von Gas zu der Brennstoffzelle zuzuführen.
  • Wie in der Zeichnung gezeigt ist, wird Luft (Außenluft) als das Oxidationsgas über einen Luftzuführdurchlass 71 zu einem Luftzuführeinlass einer Brennstoffzelle 20 zugeführt. In diesem Luftzuführdurchlass 71 sind ein Luftfilter 11, der feine Partikel von der Luft entfernt, ein Kompressor 12, der die Luft komprimiert, ein Drucksensor 51, der den Zuführluftdruck erfasst, und ein Befeuchter 13, der eine erforderliche Menge von Feuchtigkeit zu der Luft hinzufügt, vorgesehen. Der Kompressor 12 und ein Steuerprogramm für eine Steuereinrichtung 50, die später beschrieben wird, können als eine Spüleinrichtung betrachtet werden. Ein Luftkompressor, der in der Lage ist, eine geringe Menge von Gas zuzuführen, kann zudem separat als eine Spüleinrichtung vorgesehen sein. Zudem ist in dem Luftfilter 11 ein Luftmassenmesser vorgesehen, um die Luftmassenströmung zu erfassen.
  • Von der Brennstoffzelle 20 abgegebenes Luftabgas wird durch einen Auslassdurchlass 72 zu der Außenseite ausgelassen. Der Auslassdurchlass 72 hat einen Drucksensor 52, der den Auslassdruck erfasst, ein Druckregelventil 12 und einen Wärmetauscher des Befeuchters 13. Das Druckregelventil (Druckverringerungsventil) 14 funktioniert als ein Druckregler, der den Druck (Luftdruck) der zu der Brennstoffzelle 20 zugeführten Luft einstellt. Nicht gezeigte Erfassungssignale von den Drucksensoren 51 und 52 werden zu der Steuereinrichtung 50 geschickt. Dann setzt die Steuereinrichtung 50 den Zuführluftdruck und die Zuführluftmenge durch Regeln des Kompressors 12 und des Druckregelventils 14.
  • Dann wird von einer Wasserstoffzuführquelle 31 Wasserstoffgas als das Brennstoffgas über einen Brennstoffzuführdurchlass 75 zu dem Wasserstoffzuführeinlass der Brennstoffzelle 20 zugeführt. In diesen Brennstoffzuführdurchlass 75 sind ein Drucksensor 54, der einen Druck der Wasserstoffzuführquelle erfasst, ein Wasserstoffregelventil 32, das den Zuführdruck des zu der Brennstoffzelle 20 zugeführten Wasserstoffgases regelt, ein Absperrventil 41, ein Entlastungsventil 39, das sich öffnet, wenn in dem Brennstoffzuführdurchlass 75 ein abnormaler Druck herrscht, ein Absperrventil 33 und ein Drucksensor 55, der den Einlassdruck des Wasserstoffgases erfasst, vorgesehen. Der Drucksensor 55 kann als eine Gasdruckerfassungseinrichtung betrachtet werden. Nicht gezeigte Erfassungssignale von den Drucksensoren 54 und 55 werden zu der Steuereinrichtung 50 zugeführt.
  • Durch die Brennstoffzelle 20 nicht verbrauchtes Wasserstoffgas wird zu einem Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 als Wasserstoffabgas ausgelassen, das zu der stromabwärtigen Seite des Absperrventils 41 des Brennstoffzuführdurchlasses 75 rückgeführt wird. In dem Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 sind ein Temperatursensor 63, der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfasst, ein Absperrventil 34, das das Wasserstoffabgas auslässt, ein Gas/Flüssigkeitstrenner 35, der die Feuchtigkeit von dem Wasserstoffabgas wiedergewinnt, ein Ablassventil 36, das das wiedergewonnene Wasser in einen nicht gezeigten Tank wiedergewinnt, eine Wasserstoffpumpe 37, die das Wasserstoffabgas mit Druck beaufschlagt, und ein Rückströmungsverhinderungsventil 40 vorgesehen. Die Absperrventile 33 und 34 können als Sperreinrichtungen zum Absperren der Anodenseite der Brennstoffzelle betrachtet werden. Ein nicht gezeigtes Erfassungssignal des Temperatursensors 63 wird zu der Steuereinrichtung 50 zugeführt. Der Betrieb der Wasserstoffpumpe 37 wird durch die Steuereinrichtung 50 gesteuert. Das Wasserstoffabgas wird mit dem Wasserstoffgas in dem Brennstoffzuführdurchlass 75 vereint, wo es zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt und wiederverwendet wird. Das Rückströmverhinderungsventil 40 verhindert, dass das Wasserstoffgas in dem Brennstoffzuführdurchlass 75 zu dem Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 zurückströmt.
  • Der Wasserstoffzirkulationsdurchlass 76 ist mittels eines Abführströmungsdurchlass 77 über ein Abführventil 38 an dem Abgasdurchlass 72 angeschlossen. Das Abführventil 38 ist ein elektromagnetisches Absperrventil, das in Antwort auf einen Befehl der Steuereinrichtung 50 betrieben wird, um Wasserstoffabgas zu der Außenseite zu entlassen (abzuführen). Das periodische Durchführen dieses Abführbetriebs macht es möglich, einen Anstieg der Konzenteration von Unreinheiten in dem Wasserstoffgas an der Brennstoffelektrodenseite infolge einer wiederholten Zirkulation des Wasserstoffabgases zu verhindern und daher zu verhindern, dass die Zellenspannung abfällt.
  • Ferner ist an einem Kühlmitteleinlass/-auslass der Brennstoffzelle 20 ein Kühlmitteldurchlass 74 vorgesehen, durch den Kühlmittel zirkuliert wird. In diesem Kühlmitteldurchlass 74 sind ein Temperatursensor 61, der die Temperatur des von der Brennstoffzelle 20 ausgelassenen Kühlmittels erfasst, ein Radiator (Wärmetauscher) 21, der die Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite abstrahlt, eine Pumpe 22, die das Kühlmittel druckbeaufschlagt und zirkuliert, und ein Temperatursensor 62 vorgesehen, der die Temperatur des zu der Brennstoffzelle 20 zugeführten Kühlmittels erfasst.
  • Die Steuereinrichtung 50 empfängt die durch ein nicht gezeigtes Beschleunigersignal des Fahrzeugs und dergleichen angezeigte erforderliche Last ebenso wie eine Steuerinformation von den verschiedenen Sensoren des Brennstoffzellensystems und dergleichen, und steuert den Betrieb der verschiedenen Ventile und Motoren und dergleichen dementsprechend. Die Steuereinheit 50 ist ein Steuercomputersystem, das nicht gezeigt ist. Dieses Steuercomputersystem kann ein verfügbares System sein, das wohl bekannt ist.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Ablaufdiagramm der Betrieb der Steuereinrichtung 50 beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung 50 ist ein Steuercomputer, wie vorstehend beschrieben ist, und führt eine Steuerung des Betriebs der verschiedenen Teile des Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einem nicht gezeigten Steuerprogramm aus.
  • Als erstes stoppt die Steuereinrichtung 50 den Betrieb der Brennstoffzelle 20, wenn die an der Brennstoffzelle 20 anliegende Last gering ist (in welchem Fall die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 20 niedrig ist) und führt Energie von der Sekundärbatterie 100 zu. Zudem betreibt die Steuereinrichtung 50 die Brennstoffzelle 20 wenn der Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 100 niedrig ist, um sowohl Energie zu der Last zuzuführen als auch die Sekundärbatterie 100 zu laden. Wenn das Aufladen der Sekundärbatterie 100 vollendet ist, stoppt die Brennstoffzelle 20 ihren Betrieb und die Sekundärbatterie 100 wird zum Zuführen von Energie zu der Last verwendet. Die Steuereinrichtung 50 wiederholt diese Art des periodischen Betriebs, wann immer die an der Brennstoffzelle 20 anliegende Last niedrig ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, arbeitet die Steuereinrichtung 50 selbst dann, wenn die Brennstoffzelle 20 in dem periodischen Betriebsmodus arbeitet. Dann, wenn die Brennstoffzelle 20 gestoppt ist und die Energie durch die Sekundärbatterie 100 zugeführt wird, wird ein in 2 gezeigtes, einen chemischen Kurzschluss bestimmendes Programm ausgeübt, das ein separates Programm (Schritt S20) bei einem vorbestimmten Zyklus unterbricht oder wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt.
  • Zuerst stoppt die Steuereinrichtung 50 die Hilfsvorrichtungen, etwa den Luftkompressor 12, die Wasserstoffpumpe 37 und das Absperrventil 41 und stoppt die Zufuhr des Wasserstoffgases und der Luft (Schritt S22). Die Steuereinrichtung 50 betreibt zudem die Absperrventile 33 und 34, um die Wasserstoffgasströmungsdurchlässe 75 und 76 von der Brennstoffzelle 20 abzusperren, wodurch das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 20 gedichtet wird (Schritt S24). Schritt S24 und beide Absperrventile 33 und 34 können als die Dichtungseinrichtung betrachtet werden. Nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne t0 verstrichen ist (Schritt S26), während der die Druckschwankung infolge des Absperrens der Zufuhr von Wasserstoffgas abklingt, wird von der Ausgabe eines Druckmessers 55 ein anodenseitiger Wasserstoffgasdruck P1 gelesen (Schritt S28). Dann wird, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne t1 verstrichen ist (Schritt S30), die zum Bestimmen darüber geeignet ist, ob eine Durchschreitungsleckage des Wasserstoffgases vorhanden ist, ein anodenseitiger Wasserstoffgasdruck P2 von der Ausgabe des Druckmessers 55 gelesen (Schritt S32). Dann wird ein Abnahmebetrag ΔP = P1 – P2 des Wasserstoffgasdrucks während der Bestimmungszeitspanne t1 berechnet (Schritt S34).
  • Dann wird bestimmt, ob dieser Abnahmebetrag ΔP größer als ein erster Bestimmungsbezugswert Ps der Durchschreitungsleckage ist, der auf Grundlage von Versuchsergebnissen oder Berechnungsausdrücken oder dergleichen erhalten wird (Schritt S36). Falls der Abnahmebetrag ΔP des Wasserstoffgasdrucks den ersten Bestimmungsbezugswert Ps nicht überschreitet, wird bestimmt, dass eine geringe Bewegung (Leckage) von Wasserstoffgas zu der Seite der Wasserstoffgaskathode (Oxidationselektrode) vorhanden ist (d.h., NEIN in Schritt S36). In diesem Fall wird ein Leckagemerker 1 auf AUS zurückgesetzt (Schritt S40), da kein Problem infolge einer Durchschreitungsleckage eingetreten ist, und das Bestimmungsprogramm endet und das separate Programm, das unterbrochen wurde, fährt von dort fort, wo es angehalten wurde (Schritt S42). Falls andererseits der Abnahmebetrag ΔP den ersten Bestimmungsbezugswert Ps überschreitet, bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass die Bewegung (die Leckage) von Wasserstoffgas zu der Seite der Wasserstoffgaskathode (Oxidationselektrode) groß ist (d.h., JA in Schritt S36). In diesem Fall wird der Leckagemerker 1 auf EIN gestellt, was die Möglichkeit eines Wasserstofflecks anzeigt (Schritt S38). Das Bestimmungsprogramm endet dann und das separate Programm, das unterbrochen wurde, fährt von da fort, wo es angehalten wurde (Schritt S42).
  • Wenn der Leckagemerker 1 auf EIN gestellt ist (Schritt S38), kann die Steuereinrichtung 50 ein zweites Programm zum Bestimmen eines chemischen Kurzschlusses (Schritt S50) ausführen, um eine genauere Bestimmung zu machen. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu bestätigen, dass eine positive Bestimmung nicht das Ergebnis eines Ausgabefehlers des Druckmessers 55 beispielsweise infolge von EMI (elektromagnetischer Störbeeinflussung) ist.
  • Als erstes öffnet die Steuereinrichtung 50 zum nochmaligen Messen des Wasserstoffgaslecks die Absperrventile 33 und 41 und führt Wasserstoffgas zu der Anodenseite der Brennstoffzelle 20 zu, bis der Druck einen zum Messen des Lecks geeigneten Druck erreicht (Schritt S52). Als nächstes schließt die Steuereinrichtung 50 die Absperrventile 33, 34 und 41, um so das Wasserstoffgas innerhalb der Brennstoffzelle 20 zu dichten. Nachdem bestätigt wird, dass die Zeit t0, während der sich die Gasdruckschwankung infolge des Absperrens der Zufuhr des Wasserstoffgases stabilisiert hat, verstrichen ist (S56), liest die Steuereinrichtung 50 die Ausgabe P3 des Druckmessers 55 (Schritt S58). Dann, nachdem eine Bestimmungszeitspanne t2 verstrichen ist (Schritt S60), die zum Bestimmen darüber geeignet ist, ob ein Durchschreitungsleck des Wasserstoffgases vorhanden ist, liest die Steuereinrichtung 50 den anodenseitigen Wasserstoffgasdruck P4 der Ausgabe des Druckmessers 55 (Schritt S52). Die Bestimmungszeitspanne t2 ist länger als die Bestimmungszeitspanne t1 eingestellt. Dann wird ein Abnahmebetrag ΔP = P3 – P4 des Wasserstoffgasdrucks während der Bestimmungszeitspanne t2 berechnet (Schritt S64).
  • Dann wird bestimmt, ob dieser Abnahmebetrag ΔP größer als ein zweiter Bestimmungsbezugswert Pt der Durchschreitungsleckage ist, der auf Grundlage von Versuchsergebnissen oder Berechnungsausdrücken oder dergleichen erhalten wird. Der zweite Bestimmungsbezugswert Pt ist auf einen Wert eingestellt, der kleiner als der erste Bezugsbestimmungswert Ps ist, so dass die Möglichkeit eines Lecks genauer bestimmt werden kann (Schritt S66).
  • Falls der Abnahmebetrag ΔP des Wasserstoffgasdrucks den zweiten Bestimmungsbezugswert Pt nicht überschreitet, wird bestimmt, dass eine kleine Bewegung (Leck) von Wasserstoffgas zu der Seite der Wasserstoffgaskathode (Oxidationselektrode) vorhanden ist (d.h., NEIN in Schritt S66). In diesem Fall wird bestimmt, dass die Wahrscheinlichkeit eines aus einer Durchschreitungsleckage auftretenden Problems niedrig ist, so dass ein Leckagemerker 2 auf AUS zurückgestellt wird (Schritt S70) und das Bestimmungsprogramm endet und das separate Programm, das unterbrochen wurde, fährt von dort fort, wo es angehalten wurde (Schritt S72).
  • Falls andererseits der Abnahmebetrag ΔP den zweiten Bestimmungsbezugswert Pt nicht überschreitet, ist eine Bewegung (ein Leck) von Wasserstoffgas zu der Seite der Wasserstoffgaskathode (Oxidationselektrode) vorhanden, so dass die Steuereinrichtung 50 als ein Ergebnis bestimmt, dass es höchstwahrscheinlich ist, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt (d.h., JA in Schritt S66). In diesem Fall wird der Leckagemerker 2 auf EIN gestellt, was eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Wasserstoffgaslecks anzeigt (Schritt S68). Das Bestimmungsprogramm endet dann und das separate Programm, das unterbrochen wurde, fährt von dort fort, wo es angehalten wurde (Schritt S72).
  • Wenn der Leckagemerker 2 auf EIN gestellt ist, kann die Steuereinrichtung 50 den Betreiber des Brennstoffzellenfahrzeugs oder eine Person, die mit dem Brennstoffzellensystem befasst ist, warnen, indem ein nicht gezeigter Wasserstoffleckwarnanzeiger eingeschaltet wird und/oder ein Alarm erklingen gelassen wird.
  • Ferner kann die Steuereinrichtung 50 eine Funktion (Schritt S100), etwa die in 4 gezeigte Funktion haben, um einen durch eine direkte Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und Sauerstoffgas verursachten chemischen Kurzschluss zu verhindern oder zu stoppen und kann diese Funktion in Antwort auf den eingeschalteten Leckagemerker 2 ausführen. Das Zuführen einer extrem geringen Luftmenge zu der Kathodenseite lässt jegliches verbliebenes Wasserstoffgas, das von der Anodenseite zu der Kathodenseite entwichen ist, zu der Außenseite aus.
  • Wenn der Leckagemerker 2 auf EIN gestellt ist (d.h. JA in Schritt S102), dann startet die Steuereinheit 50 einen in dem nicht gezeigten Computersystem aufgenommenen Zeitgeber. Dieser Zeitgeber setzt die Betriebszeit des Luftkompressors (Schritt S104). Die Steuereinrichtung 50 betätigt den Luftkompressor 20 bei einer geringen Geschwindigkeit, um eine extrem geringe Menge von Luft (eine noch kleinere Menge als die, die zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle in einem Leerlaufzustand Energie erzeugt) zu der Kathodenseite zuzuführen. Als ein Ergebnis wird jegliches an der Kathodenseite verbliebenes Wasserstoffgas ausgelassen, wodurch die durch den chemischen Kurzschluss erzeugte Wärme gekühlt wird, wobei ein Schaden an der MEA (Membranelektrolytbaugruppe) reduziert wird. Ferner werden durch den chemischen Kurzschluss erzeugte Wassertropfen, die an der MEA angehaftet haben, gelöst, wodurch der Katalysator aktiviert wird (Schritt S106). Hier ist eine Menge der durch den Luftkompressor 12 zugeführte Luft beispielsweise 1/4 bis 1/10 der normalen Menge, was außerhalb des normalen Betriebsbereichs des Luftkompressors 12 liegt. Daher wird die Drehzahl des Motors des Luftkompressors 12 beispielsweise durch eine PWM-(relative Einschaltdauer-)Steuerung so festgelegt, dass der Motor bei einer niedrigen Drehzahl arbeitet, was es möglich macht, die extrem geringe Menge von erforderlicher Luft zuzuführen.
  • Wenn der Luftkompressor 12 verwendet wird, der in der Lage ist, eine große Menge von Luft zuzuführen, ist die niedrigste Drehzahl immer noch hoch, was bedeutet, dass mehr Luft als nötig zu der Kathode zugeführt wird, wodurch die Effizienz verringert wird. Daher kann zusätzlich zu dem Luftkompressor 12 ein separater Luftkompressor mit geringer Kapazität vorgesehen sein und dieser Luftkompressor kann verwendet werden. Schritte S36, S66 und S106 können als die Spüleinrichtung betrachtet werden.
  • Als nächstes bestätigt die Steuereinrichtung 50 den Ausgabemerker des Zeitgebers (Schritt S108). Wenn eine vorbestimmte Zeitspanne nicht verstrichen ist (d.h., unterbrochen ist) (d.h., NEIN in Schritt S108), wird damit fortgefahren, den Luftkompressor 12 bei einer niedrigen Drehzahl zu betreiben. Die Steuereinrichtung 50 betreibt den Luftkompressor 12 für die vorbestimmte Zeitspanne und lässt das restliche Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 20 aus (Schritte S106 bis S108).
  • Wenn die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist (d.h., JA in Schritt S108) wird der Luftkompressor 12 oder der separat vorgesehene Luftkompressor mit geringer Kapazität gestoppt (Schritt S110). Dann kehrt die Steuereinrichtung 50 zu dem ursprünglichen Steuerprogramm zurück (Schritt S112). Der Leckagemerker, der veranlasst hat, dass die chemischer Kurzschluss-Gegenmaßnahmeroutine ausgeübt wird, kann auf AUS zurückgestellt werden, nachdem diese Routine endet.
  • Falls der Leckagemerker in der nächsten Bestimmung eines Kurzschlusses wieder auf EIN gestellt wird, wird die chemischer Kurzschluss-Gegenmaßnahmeroutine wieder ausgeführt. Wenn dies kontinuierlich wiederholt wird, kann es jedoch eine Anormalität in der Brennstoffzelle 20 anzeigen, so dass eine separate Anormalitätsroutine ausgeübt würde.
  • Zudem wird in der ersten beispielhaften Ausführungsform das Auftreten eines chemischen Kurzschlusses zuverlässiger durch die beiden in 2 und 3 gezeigten Bestimmungen bestimmt. Alternativ kann die chemischer Kurzschluss-Gegenmaßnahmeroutine (5) jedoch dann ausgeführt werden, nachdem ein chemischer Kurzschluss lediglich durch die in 2 gezeigte erste Bestimmung eines chemischen Kurzschlusses bestimmt wurde.
  • Eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt. Jene Teile von 5, die den Teilen von 1 entsprechen, werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird ausgelassen.
  • In der zweiten beispielhaften Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration in dem von der Brennstoffzelle 20 ausgelassenen Luftabgas erfasst und es wird bestimmt, ob eine Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt. Daher ist in dem Auslassdurchlass 72 in der Nähe des Luftausstoßauslasses der Brennstoffzelle 20 ein Sauerstoffkonzentrationssensor 53 vorgesehen, wie in 2 gezeigt ist. Der Sauerstoffkonzentrationssensor 53 erfasst die Konzentration von restlichem Sauerstoff in dem Luftabgas und sendet das Erfassungssignal zu der Steuereinrichtung 50. Der weitere Aufbau ist der gleiche wie jener, der in 1 gezeigt ist.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Ablaufdiagramm der Betrieb der Steuereinrichtung 50 beschrieben.
  • Als erstes stoppt die Steuereinrichtung 50 den Betrieb der Brennstoffzelle 20 dann, wenn die an der Brennstoffzelle 20 anliegende Last niedrig ist (in welchem Fall die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 20 niedrig ist) und führt Energie von der Sekundärbatterie 100 zu. Wenn der Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 100 niedrig ist, betreibt die Steuereinrichtung 50 zudem die Brennstoffzelle 20, um sowohl Energie zu der Last zuzuführen als auch die Sekundärbatterie 100 zu laden. Wenn das Laden der Sekundärbatterie vollendet ist, stoppt die Brennstoffzelle 20 ihren Betrieb und die Sekundärbatterie 100 wird zum Zuführen von Energie zu der Last verwendet. Die Steuereinrichtung 50 wiederholt diese Art von periodischem Betrieb des Brennstoffzelle 20, wann immer die an der Brennstoffzelle 20 anliegende Last niedrig ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, arbeitet die Steuereinrichtung 50 selbst dann, wenn die Brennstoffzelle 20 in dem periodischen Betriebsmodus betrieben wird. Dann, wenn die Brennstoffzelle 20 gestoppt ist und Energie durch die Sekundärbatterie 100 zugeführt wird, wird ein in 6 gezeigtes chemischer Kurzschluss-Bestimmungsprogramm bei vorbestimmten Zyklen oder wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt ausgeführt (Schritt S80). Während dem periodischen Betrieb der Brennstoffzelle 20 stoppt die Steuereinrichtung 50 die Hilfsvorrichtungen, etwa den Luftkompressor 20 und die Wasserstoffpumpe 37, und sie stoppt die Erzeugung von Energie in der Brennstoffzelle 20, wie dies vorstehend beschrieben ist. In diesem Fall ist die Konzentration des restlichen Sauerstoffgases an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 konstant. Jedoch wird infolge des von der Anodenseite zu der Kathodenseite der MEA entweichenden Wasserstoffgases oder infolge eines als Ergebnis einer solchen Leckage auftretenden chemischen Kurzschlusses Sauerstoffgas konsumiert. Als ein Ergebnis nimmt die Sauerstoffgaskonzentration in der an der Kathodenseite verbleibenden Luft ab. Die Steuereinrichtung 50 erfasst die Sauerstoffgaskonzentration in der Restluft von der Ausgabe des Sauerstoffkonzentrationssensors 53 (Schritt S82).
  • Dann wird bestimmt, ob diese Sauerstoffgaskonzentration geringer als ein Bezugswert K ist, der durch Versuch oder einen Berechnungsausdruck oder dergleichen im Vorfeld erhalten wird (Schritt S84). Falls die Sauerstoffgaskonzentration unterhalb des Bezugswerts K liegt (d.h., JA in Schritt S84), dann wird bestimmt, dass eine (gute) Möglichkeit besteht, dass ein chemischer Kurzschluss auftritt, so dass ein Leckagemerker 3 auf EIN gesetzt wird (Schritt S86). Wenn andererseits die Sauerstoffgaskonzentration größer als der Bezugswert K ist (d.h., NEIN in Schritt S84), dann bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass kein Wasserstoffgasleck vorhanden ist und stellt den Leckagemerker 3 auf AUS zurück (Schritt S88). Nachdem der Leckagemerker 3 gesetzt oder zurückgestellt wurde, endet die Steuereinrichtung 50 diese Bestimmungsroutine und kehrt zu dem ursprünglichen Steuerprogramm zurück.
  • Die chemischer Kurzschluss-Gegenmaßnahmeroutine (siehe 4) wird in Antwort auf die Ergebnisse dieser chemischer Kurzschluss-Bestimmung ausgeübt.
  • Anstelle die Sauerstoffgaskonzentration mit Hilfe des Sauerstoffkonzentrationssensors 53 zu erfassen, wie dies vorstehend beschrieben ist, kann die Menge des konsumierten Sauerstoffgases durch die Steuereinrichtung 50 aus der Druckabnahme in dem Wasserstoffgas an der Anode berechnet (abgeschätzt) werden, wie dies in der ersten beispielhaften Ausführungsform beschrieben ist und die Luft kann an der Kathodenseite gespült werden, wenn das Sauerstoffgas um einen vorbestimmten Betrag abnimmt.
  • Auf diese Weise macht es das Zuführen einer geringen Menge von Luft zu der Brennstoffzelle 20 dann, wenn es wahrscheinlich ist (oder wenn die Wahrscheinlichkeit hoch ist), dass während dem periodischen Betrieb der Brennstoffzelle 20 ein chemischer Kurzschluss auftritt, möglich, das Auftreten eines chemischen Kurzschlusses zu verhindern oder einen gerade auftretenden chemischen Kurzschluss zu stoppen, während lediglich der Luftkompressor 12 zu dem notwendigen Ausmaß verwendet wird, was es möglich macht, die Energieeffizienz zu verbessern.
  • Zusammenfassung
  • Ein Brennstoffzellensystem ist versehen mit einer Brennstoffzelle (20), die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; mit einer Abschätzeinrichtung (50) zum Abschätzen, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und mit einer Spüleinrichtung (12) zum Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.

Claims (16)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Abschätzeinrichtung zum Abschätzen, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spüleinrichtung zum Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.
  2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei die Abschätzeinrichtung versehen ist mit einer Gasdruckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Gasdrucks des Brennstoffgases an der Anodenseite der Brennstoffzelle, und mit einer Sperreinrichtung zum Absperren der Anodenseite der Brennstoffzelle, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und wobei die Abschätzeinrichtung abschätzt, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, wenn bestimmt wurde, dass ein Gasdruckabnahmebetrag des Brennstoffgases, das dadurch an der Anodenseite gedichtet ist, dass die Anodenseite durch die Absperreinrichtung abgesperrt ist, größer als ein erster Bezugswert ist.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, wobei ein erster Gasdruck des an der Anodenseite gedichteten Brennstoffgases erfasst wird, nachdem eine erste vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, nachdem die Anodenseite der Brennstoffzelle abgesperrt wurde, und wobei ein zweiter Gasdruck des an der Anodenseite gedichteten Brennstoffgases erfasst wird, nachdem eine zweite vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, nachdem der erste Gasdruck erfasst wurde, und wobei eine Differenz zwischen dem ersten Gasdruck und dem zweiten Gasdruck als der Gasdruckabnahmebetrag erhalten wird.
  4. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Abschätzeinrichtung mit einer Konzentrationserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Gaskonzentration des Oxidationsgases an der Kathodenseite versehen ist, und die Abschätzeinrichtung abschätzt, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, wenn bestimmt wurde, dass die Gaskonzentration des an der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibenden Oxidationsgases auf unterhalb eines zweiten Bezugswerts abgefallen ist, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei die Abschätzeinrichtung versehen ist mit einer Gasdruckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Gasdrucks des Brennstoffgases an der Anodenseite der Brennstoffzelle, und mit einer Absperreinrichtung zum Absperren der Anodenseite der Brennstoffzelle, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und wobei die Abschätzeinrichtung einen Gasdruckabnahmebetrag des Brennstoffgases erhält, das dadurch an der Anodenseite gedichtet ist, dass die Anodenseite durch die Absperreinrichtung abgesperrt ist, einen Verbrauchsbetrag des Oxidationsgases an der Kathodenseite durch den erhaltenen Gasdruckabnahmebetrag abschätzt, und abschätzt, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, wenn der abgeschätzte Verbrauchsbetrag größer als ein dritter Bezugswert ist.
  6. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei dann, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, die Abschätzeinrichtung nochmals abschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, und wobei dann, wenn nochmals abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, die Spüleinrichtung das Spülgas zu der Kathodenseite zuführt.
  7. Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Brennstoffgas Wasserstoffgas ist, das Oxidationsgasluft ist und das Spülgas eine geringe Luftmenge ist.
  8. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dann, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt, die Spüleinrichtung eine Menge von Oxidationsgas zu der Kathodenseite zuführt, die geringer als die Menge des zu der Kathodenseite zugeführten Oxidationsgases ist, wenn die Brennstoffzelle im Leerlaufbetrieb ist.
  9. Fahrzeug mit: einer Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist, zum Antrieb des Fahrzeugs geladen und entladen zu werden; und dem Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Fahrzeug gemäß Anspruch 9, wobei dann, wenn die Brennstoffzelle in einem periodischen Betriebszustand gestoppt ist, die Abschätzeinrichtung abschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.
  11. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Gasdruckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Gasdrucks des Brennstoffgases an der Anodenseite der Brennstoffzelle; einer Absperreinrichtung zum Absperren der Anodenseite der Brennstoffzelle, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spüleinrichtung zum Spülen von Restgas an der Kathodenseite durch Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn ein Gasdruckabnahmebetrag des Brennstoffgases, das dadurch an der Anodenseite gedichtet ist, dass die Anodenseite durch die Absperreinrichtung abgesperrt ist, größer als ein Bezugswert ist.
  12. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas elektrische Energie erzeugt; einer Konzentrationserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Gaskonzentration des Oxidationsgases an der Kathodenseite; und einer Spüleinrichtung zum Spülen des Restgases an der Kathodenseite durch Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn die Gaskonzentration des an der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibenden Oxidationsgases auf unterhalb eines Bezugswertes fällt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist.
  13. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einer Abschätzeinrichtung, die abschätzt, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spülvorrichtung, die ein Spülgas zu der Kathodenseite zuführt, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.
  14. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einem Gasdruckdetektor, der einen Gasdruck des Brennstoffgases an der Anodenseite der Brennstoffzelle erfasst; einer Absperrvorrichtung, die die Anodenseite der Brennstoffzelle absperrt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und einer Spülvorrichtung, die Restgas an der Kathodenseite spült, indem ein Spülgas zu der Kathodenseite zugeführt wird, wenn ein Gasdruckabnahmebetrag des Brennstoffgases, das dadurch an der Anodenseite gedichtet ist, dass die Anodenseite durch die Absperrvorrichtung abgesperrt wird, größer als ein Bezugswert ist.
  15. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt; einem Konzentrationsdetektor, der eine Gaskonzentration des Oxidationsgases an der Kathodenseite erfasst; und einer Spülvorrichtung, die Restgas an der Kathodenseite spült, indem ein Spülgas zu der Kathodenseite zugeführt wird, wenn die Gaskonzentration des an der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibenden Oxidationsgases auf unterhalb eines Bezugswerts fällt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist.
  16. Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle versehen ist, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem zu einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgas und einem zu einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas Elektrizität erzeugt, mit: Abschätzen, ob eine Möglichkeit besteht, dass in der Brennstoffzelle ein chemischer Kurzschluss auftritt, wenn die Zufuhr des Brennstoffgases und des Oxidationsgases zu der Brennstoffzelle gestoppt ist; und Zuführen eines Spülgases zu der Kathodenseite, wenn abgeschätzt wurde, dass eine Möglichkeit besteht, dass der chemische Kurzschluss auftritt.
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