DE19732117A1 - Energieversorungssystem, elektrisches Fahrzeug mit daran angebrachtem Energieversorgungsystem und Verfahren zur Steuerung der Menge einer Brennstoffzufuhr - Google Patents

Energieversorungssystem, elektrisches Fahrzeug mit daran angebrachtem Energieversorgungsystem und Verfahren zur Steuerung der Menge einer Brennstoffzufuhr

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DE19732117A1
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Yoshio Kimura
Yasuhiro Nonobe
Munehisa Horiguchi
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Toyota Motor Corp
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Aisin AW Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem, ein elektrisches Fahrzeug, bei dem das Energieversorgungssystem angebracht ist, und ein Verfahren zur Steuerung der Menge ei­ ner Brennstoffzufuhr. Genauer betrifft die Erfindung eine Technik zur Steuerung der Menge der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzellen, die bei einem Energieversorgungssystem mit den Brennstoffzellen und einer Speicherbatterie enthalten sind.
Ein vorgeschlagenes Energieversorgungssystem weist Brenn­ stoffzellen und Speicherbatterien als Energiequellen auf, wo­ bei die Brennstoffzellen die Speicherbatterien aufladen und die auf einen ausreichenden Pegel aufgeladenen Speicherbatte­ rien elektrische Leistung an eine Belastung (Last) abgeben (beispielsweise japanische Offenlegungsschrift No. 6-124720). Dieses Energieversorgungssystem weist eine Vielzahl von Spei­ cherbatterien auf, von denen eine mit der Belastung verbunden ist, während eine andere mit den Brennstoffzellen verbunden ist. Die Speicherbatterie mit geringerer Restladung wird durch die Brennstoffzellen aufgeladen, während die andere Speicherbatterie elektrische Leistung an die Belastung ab­ gibt. Dieser Aufbau gewährleistet einen ausreichenden Aufla­ dungszustand der mit der Belastung verbundenen Speicherbatte­ rie, wodurch an die Belastung wie einen Antriebsmotor eines elektrischen Fahrzeugs stabil elektrische Leistung abgegeben wird.
Da das vorgeschlagene Energieversorgungssystem eine Vielzahl von Speicherbatterien aufweist, ist jedoch ein relativ großer Raum zum Einbau des Energieversorgungssystems erforderlich. Insbesondere verringert bei Verwendung des Energieversor­ gungssystems bei einem Fahrzeug als Energiequelle für einen Motor zum Antrieb des Fahrzeugs das relativ sperrige Energie­ versorgungssystem in dem beschränkten Raum eines Fahrzeugs unerwünscht den Freiheitsgrad bei dem Entwurf des Fahrzeugs. Zu jedem Zeitpunkt ist jeweils nur eine Speicherbatterie mit der Belastung verbunden. Somit ist es erforderlich, daß jede der Speicherbatterien eine Toleranzkapazität bzw. eine Kapa­ zität mit einem Spielraum aufweist, um ausreichende Ausgangs­ leistungen in dem Fall beispielsweise eines abrupten Anstiegs bei der Last zum Zeitpunkt des Startens des Fahrzeugs oder des Aufwärtsfahrens einer Schräge zu gewährleisten. Der An­ stieg bei der Kapazität der Speicherbatterie führt jedoch zu einem Anstieg des Gewichts. In einigen Fällen ist es deshalb unmöglich, eine Vielzahl von Speicherbatterien mit einer aus­ reichenden Kapazität an dem Fahrzeug anzubringen.
Zur Verringerung der Größe des herkömmlichen Energieversor­ gungssystems ist ein verbesserter Aufbau vorgeschlagen wor­ den, der eine Vielzahl von Speicherbatterien aufweist und er­ möglicht, daß die Speicherbatterien umgeschaltet werden kön­ nen und abwechselnd elektrische Leistung der Belastung zufüh­ ren können. Dieser verbesserte Aufbau weist Brennstoffzellen und eine Speicherbatterie auf, die parallel zueinander ge­ schaltet sind, und ermöglicht, daß zumindest entweder die Brennstoffzellen oder die Speicherbatterie der Belastung Lei­ stung zuführen. In dem Fall, daß die Belastung kleiner als ein vorbestimmter Pegel ist und die Brennstoffzellen eine To­ leranzausgangsleistung aufweisen, können die Brennstoffzellen die Speicherbatterie bei Antrieb der Belastung aufladen. In dem Fall, daß die Belastung größer als ein vorbestimmter Pe­ gel ist, arbeiten sowohl die Brennstoffzelle als auch die Speicherbatterie zum Antrieb der Belastung. Dieser Aufbau verringert die erforderliche Kapazität für die Speicherbatte­ rie, wodurch die Größe des Energieversorgungssystems verrin­ gert wird.
Bei dem Energieversorgungssystem dieses Aufbaus, der eine Verringerung der Größe ermöglicht, kann jedoch eine Aufla­ dungsbedingung (aufladende Bedingung) der Speicherbatterie eine Verknappung der den Brennstoffzellen zugeführten Gasen verursachen, was zu verschiedenen Problemen führt. In dem Fall, daß die Speicherbatterie 30 in dem unzureichenden Auf­ ladungszustand ist, wird erwartet, daß die Brennstoffzellen die Speicherbatterie während des Antriebs der Belastung auf­ laden. Wenn keine ausreichende Gasmengen entsprechend der Ausgangsleistung aus den Brennstoffzellen zu der Speicherbat­ terie den Brennstoffzellen zugeführt werden, treten einige Probleme bei dem Energieerzeugungsvorgang in den Brennstoff­ zellen auf.
In dem Fall, daß die den Brennstoffzellen zugeführten Gasmen­ gen für die erforderliche Leistung der Brennstoffzellen unzu­ reichend sind, kann beispielsweise ein Spannungsabfall in den Brennstoffzellen derart entstehen, daß deren Funktion als Energiequelle beschädigt wird. In dem Fall, daß die den Brennstoffzellen zugeführten Gasmengen unzureichend für die Größe der angeschlossenen Belastung ist, verursacht dies so­ wohl einen Spannungsabfall als auch eine ungleichmäßige Ener­ gieerzeugung in den jeweiligen den Brennstoffzellenstapel bildenden Einheitszellen, was zu einem anormalen Phänomen wie ein Polwechsel bei einem Teil der Einheitszellen führt. Der Polwechsel ist ein Phänomen, das die Anode und die Kathode bei den Zellenreaktionen vertauscht. Ein derartiges anormales Phänomen führt zu einer instabilen Spannung und verursacht, daß nicht in elektrische Energie umgewandelte Energie als Wärmeenergie freigesetzt wird und teilweise die Temperatur der Brennstoffzellen erhöht wird. Dieser teilweise Tempera­ turanstieg beschädigt die Elemente der Brennstoffzellen und verkürzt die Lebensdauer der Brennstoffzellen.
Eine mögliche Verknappung der Gase in den Brennstoffzellen aufgrund eines unzureichenden Aufladungszustands der Spei­ cherbatterie ist insbesondere zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems ein wesentliches Problem. Es sei angenommen, daß das Energieversorgungssystem den Betrieb stoppt, während die Speicherbatterie eine unzureichende Rest­ ladung aufweist. Zum Zeitpunkt eines nächsten Starts des Energieversorgungssystems müssen die Brennstoffzellen eine Abgabe elektrischer Leistung an die Speicherbatterie 30 gleichzeitig mit dem Beginn eines Aufwärmens bzw. eines Auf­ wärmvorgangs starten. Eine Zufuhr lediglich der erforderli­ chen Gasmengen für den Aufwärmvorgang verursacht eine Ver­ knappung der Gase in den Brennstoffzellen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verknap­ pung der Zufuhr von den Brennstoffzellen Zuge führten Gasen zu verhindern, die Probleme wie einen Spannungsabfall und eine teilweise Wärmeabgabe verursachen. Dabei soll ein Energiever­ sorgungssystem, ein elektrisches Fahrzeug, bei dem ein derar­ tiges Energieversorgungssystem angebracht ist und ein Verfah­ ren zur Steuerung der Menge der Brennstoffzufuhr geschaffen werden, die die vorstehend beschrieben Aufgabe lösen.
Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprü­ chen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Zumindest ein Teil der vorstehenden Aufgabe sowie verwandter Ziele wird durch ein erstes Energieversorgungssystem mit ei­ nem Brennstoffzellenstapel und einer Speicherbatterie gelöst, die zueinander und ebenfalls zu einer Belastung parallel ge­ schaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Spei­ cherbatterie elektrische Leistung an die Belastung abgeben. Das erste Energieversorgungssystem weist eine Restladungs­ überwachungseinrichtung zur Erfassung einer Restladung der Speicherbatterie, eine Belastungsgröße-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Gesamtgröße der Belastung, eine Aufla­ dungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen ei­ nes Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie auf der Grundlage der Ergebnisse der Erfassung durch die Restla­ dungsüberwachungseinrichtung und der Belastungsgröße-Erfas­ sungseinrichtung, eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungs­ einrichtung zur Bestimmung einer erforderlichen Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in dem Brennstoffzellen­ stapel auf der Grundlage des durch die Aufladungs-/Entla­ dungszustands-Schätzeinrichtung geschätzten Aufladungs-/Ent­ ladungszustands der Speicherbatterie und eine Brennstoffzu­ fuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzu­ fuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten erforderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel auf.
Das erste Energieversorgungssystem der Erfindung bestimmt die erforderliche Menge eines Brennstoffs auf der Grundlage des geschätzten Aufladungs-/Entladungszustand der Speicherbatte­ rie und führt die erforderliche Menge des Brennstoffs den Brennstoffzellen zu. Dieser Aufbau verhindert wirksam die Verknappung des Brennstoffs in den Brennstoffzellen, die Pro­ bleme wie einen Spannungsabfall und eine teilweise Wärmeabga­ be verursachen kann. In dem Fall, daß die Menge des den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoffs lediglich der Größe der angeschlossenen Belastung entspricht, besteht die Gefahr einer Verknappung des Brennstoffs in den die Speicherbatterie aufladenden Brennstoffzellen. Der erfindungsgemäße Aufbau be­ stimmt jedoch die erforderliche Brennstoffmenge unter Berück­ sichtigung des Aufladungszustands der Speicherbatterie, wo­ durch ermöglicht wird, daß die ausreichende Brennstoffmenge den Brennstoffzellen zugeführt wird, die dementsprechend die elektrische Leistung sowohl an die Belastung als auch an die Speicherbatterie abgeben können.
Das erste Energieversorgungssystem bestimmt die Menge des Brennstoffs, die die Brennstoffzellen zur Ausgabe eines vor­ bestimmten Betrags elektrischer Leistung benötigen, auf der Grundlage der Größe der angeschlossenen Belastung und dem Aufladungs-/Entladungszustand der Speicherbatterie. Dieser Aufbau verhindert wirksam, daß übermäßige Mengen von Gas un­ nötig den Brennstoffzellen zugeführt werden. Wenn die Spei­ cherbatterie sich in einer Entladungsbedingung (entladenden Bedingung) befindet, wird die Größe der elektrischen Lei­ stung, die die Brennstoffzellen der Belastung zuführen sol­ len, kleiner als die Größe der Belastung. In diesem Fall be­ stimmt der Aufbau der Erfindung die Menge des den Brennstoff­ zellen zuzuführenden Brennstoffs unter Berücksichtigung des Entladungszustands der Speicherbatterie, wodurch verhindert wird, daß eine übermäßige Brennstoffmenge unnötig den Brenn­ stoffzellen zugeführt wird.
Der zur Energieerzeugung in den Brennstoffzellen erforderli­ che Brennstoff stellt Gase (oder in einigen Fällen Flüssig­ keiten) dar, die den Kathoden und den Anoden der Brennstoff­ zellen für die in den Brennstoffzellen voranschreitenden elektrochemischen Reaktionen zugeführt werden. Konkrete Bei­ spiele der Gase schließen einen den Kathoden der Brennstoff­ zellen zugeführten gasförmigen Brennstoff und ein den Anoden der Brennstoffzellen zugeführtes oxidierendes Gas ein. Der gasförmige Brennstoff kann gasförmiger Wasserstoff mit hoher Reinheit oder ein durch Reformierung eines unverarbeiteten Brennstoff aus Kohlenwasserstoff erhaltenes wasserstoffrei­ ches Gas sein. Das oxidierende Gas kann die Luft sein. Der Aufbau der Erfindung verschwendet keinen den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoff, weshalb verhindert wird, daß der gas­ förmige Brennstoff (oder der unverarbeitete Brennstoff zur Herstellung des gasförmigen Brennstoffs) unnötig den Brenn­ stoffzellen 20 zugeführt wird, oder daß die elektrische Lei­ stung unnötig durch einen Luftkompressor aufgenommen wird, der den Brennstoffzellen die komprimierte Luft zuführt.
Die vorstehend beschrieben Aufgabe und andere verwandte Ziele können ebenfalls durch ein zweites Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Speicherbatterie gelöst werden, die zueinander und ebenfalls zu einer Bela­ stung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellen­ stapel und die Speicherbatterie elektrische Leistung an die Belastung abgeben. Das zweite Energieversorgungssystem weist eine Restladungsüberwachungseinrichtung zur Erfassung einer Restladung der Speicherbatterie, eine Aufladungs-/Entladungs­ zustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen eines Aufladungs- /Entladungszustands der Speicherbatterie zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems auf der Grundlage ei­ ner vorbestimmten Belastungsgröße, die die durch eine beim Start des Energieversorgungssystems angetriebene Maschinerie aufgenommene elektrische Leistung darstellt, aus der Bela­ stung und dem Ergebnis der Erfassung durch die Restladungs­ überwachungseinrichtung, eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestim­ mungseinrichtung, die, zumindest wenn die Speicherbatterie sich in einer Aufladungsbedingung befindet, eine erforderli­ che Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in den Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage des durch die Aufla­ dungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung geschätzten Auf­ ladungs-/Entladungszustand der Speicherbatterie bestimmt, und eine Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten er­ forderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellen­ stapel auf.
Das zweite Energieversorgungssystem gemäß der Erfindung schätzt den Aufladungs-/Entladungszustand der Speicherbatte­ rie und bestimmt die den Brennstoffzellen zum Startzeitpunkt des Energieversorgungssystems zugeführte Brennstoffmenge auf der Grundlage des geschätzten Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie. Dieser Aufbau verhindert wirksam die Verknappung des Brennstoffs in den Brennstoffzellen, die Pro­ bleme wie einen Spannungsabfall und eine teilweise Wärmeabga­ be zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems verursachen kann.
Die Erfindung ist ebenfalls auf ein elektrisches Fahrzeug mit einem durch elektrische Energie in Drehung versetzten Motor und Einrichtungen zur Übertragung eines Drehmoments des Mo­ tors auf eine Achse gerichtet, wodurch eine Antriebskraft für das Fahrzeug erzeugt wird. Bei dem elektrischen Fahrzeug ist entweder das erste Energieversorgungssystem oder das zweite Energieversorgungssystem angebracht, wobei der Motor durch Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem angewendeten Ener­ gieversorgungssystem angetrieben wird.
Bei einem Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzel­ lenstapel und einer Speicherbatterie, die zueinander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektri­ sche Leistung an die Belastung abgeben, ist die Erfindung auf ein erstes Verfahren zur Steuerung einer Menge eines dem Brennstoffstapel zur Energieerzeugung zugeführten Brennstoffs gerichtet. Das erste Verfahren weist die Schritte
  • (a) Erfassen einer Restladung der Speicherbatterie,
  • (b) Erfassen einer Gesamtgröße der Belastung,
  • (c) Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie auf der Grundlage der bei dem Schritt (a) erfaßten Restladung und der bei dem Schritt (b) erfaßten Ge­ samtgröße der Belastung,
  • (d) Bestimmen einer erforderlichen Menge des Brennstoffs zur Energieerzeugung in den Brennstoffzellen auf der Grundla­ ge des bei dem Schritt (c) geschätzten Aufladungs-/Entla­ dungszustands der Speicherbatterie und
  • (e) Zuführen der erforderlichen bei dem Schritt (d) be­ stimmten Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel auf.
Bei einem Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzel­ lenstapel und einer Speicherbatterie, die zueinander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektri­ sche Leistung an die Belastung abgeben, ist die Erfindung ebenfalls auf ein zweites Verfahren zur Steuerung einer Menge eines dem Brennstoffstapel zur Energieerzeugung zugeführten Brennstoffs gerichtet. Das zweite Verfahren weist die Schrit­ te
  • (a) Erfassen einer Restladung der Speicherbatterie,
  • (b) Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie zum Startzeitpunkt des Energieversorgungssy­ stems auf der Grundlage einer vorbestimmten Belastungsgröße, die eine durch eine zum Startzeitpunkt des Energieversor­ gungssystems angetrieben Maschinerie aufgenommene Leistung entspricht, aus der Belastung und der bei dem Schritt (a) er­ faßten Restladung,
  • (c) Bestimmen einer erforderlichen Menge des Brennstoffs zur Energieerzeugung in dem Brennstoffzellen auf der Grundla­ ge des bei dem Schritt (b) geschätzten Aufladungs-/Entla­ dungszustands der Speicherbatterie, zumindest wenn sich die Speicherbatterie in einer Aufladungsbedingung befindet, und
  • (d) Zuführen der erforderlichen bei dem Schritt (c) be­ stimmten Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel auf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines elektrischen Fahrzeugs 15 mit einem Energieversorgungssystem 10 als erstes Ausführungsbeispiel darstellt,
Fig. 2 eine Querschnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Einheitszelle 28 bei Brennstoffzellen 20 veranschau­ licht,
Fig. 3 ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Brennstoff­ zelleneinheit 60 veranschaulicht,
Fig. 4 ein Diagramm, das Ausgangskennlinien der Brennstoff­ zellen 20 und einer Speicherbatterie 30 in einem ausreichen­ den Aufladungszustand und in einem unzureichenden Aufladungs­ zustand darstellt,
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das eine Startzeitpunkt-Verarbei­ tungsroutine zum Zeitpunkt des Startens des Energieversor­ gungssystems 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dar­ stellt,
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das eine während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 ausgeführte Verarbeitungsroutine bei Betrieb als zweites Ausführungsbeispiel darstellt, und
Fig. 7 ein Flußdiagramm, das eine andere während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 ausgeführte Verarbeitungs­ routine bei Betrieb als zweite Ausführungsbeispiel darstellt.
Nachstehend sind einige bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Verdeutlichung der Aufbauten und Funktionen beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch den Aufbau eines elektrischen Fahrzeugs 15 mit einem Energieversorgungssystem 10 als erstes Ausführungsbeispiel darstellt. Das an dem elek­ trischen Fahrzeug 15 befestigte Energieversorgungssystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel arbeitet als Energiequelle zum Antrieb des Fahrzeugs 15. Das Energieversorgungssystem 10 weist hauptsächlich Brennstoffzellen 20, eine Speicherbatte­ rie 30, einen Motor 32 zum Antrieb des Fahrzeugs, eine Hilfs­ maschinerie 34, einen Gleichumrichter (DC/DC-Wandler) 36, ein erstes Relais 38, eine Startereinheit 40, eine Restladungs­ überwachungseinrichtung 42, ein zweites Relais 46 sowie eine Steuerungseinheit 50 auf. Nachstehend sind die das bei dem elektrischen Fahrzeug 15 enthaltene Energieversorgungssystem 10 betreffenden Bestandteile beschrieben.
Die Brennstoffzellen 20 sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoff­ zellen, die als ein Stapel mehrerer Einheitszellen 28 aufge­ baut sind. Die Brennstoffzellen 20 empfangen eine Zufuhr ei­ nes wasserstoffhaltigen gasförmigen Brennstoffs an der Katho­ denseite und eine Zufuhr eines sauerstoffhaltigen oxidieren­ den Gases auf der Anodenseite und erzeugen eine elektromoto­ rische Kraft durch die nachstehend beschriebenen elektroche­ mischen Reaktionen.
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ (1)
(1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O (2)
H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Die Gleichungen (1), (2) und (3) bezeichnen jeweils eine an den Kathoden auftretende Reaktion, eine an den Anoden auftre­ tende Reaktion und eine in den gesamten Brennstoffzellen 20 auftretende Gesamtreaktion. Fig. 2 zeigt eine Querschnittan­ sicht, die den Aufbau jeder Einheitszelle 28 in dem Brenn­ stoffzellenstapel 20 darstellt. Die Einheitszelle 28 weist eine Elektrolyt-Membran 21, eine Anode 22, eine Kathode 23 sowie Trenner 24 und 25 auf.
Die Anode 22 und die Kathode 23 sind zum Aufbau einer sand­ wichartigen Struktur bzw. Schichtstruktur über der Elektro­ lyt-Membran 21 angeordnete Gasdiffusionselektroden. Die Tren­ ner 24 und 25 sind außerhalb der Schichtstruktur angeordnet und jeweils mit der Anode 22 und der Kathode 23 zur Ausbil­ dung von Strömungswegen für den gasförmigen Brennstoff und das oxidierende Gas verbunden. Die Strömungswege 24P des gas­ förmigen Brennstoffs sind durch die Anode 22 und den Trenner 24 abgegrenzt, wohingegen die Strömungswege 25P des oxidie­ renden Gases durch die Kathode 23 und den Trenner 25 abge­ grenzt sind. Obwohl die Trenner 24 und 25 jeweils Strömungs­ wege auf einer einzigen Seitenoberfläche gemäß der Darstel­ lung in Fig. 2 ausbilden, sind bei dem wirklichen Zustand auf jeder Seitenoberfläche jedes Trenners Rippen vorgesehen. Eine Seitenoberfläche jedes Trenners in Kombination mit der Anode 22 bildet nämlich Strömungswege 24P des gasförmigen Brenn­ stoffs aus, während die andere Seitenoberfläche in Kombinati­ on mit der Kathode 23 einer benachbarten Einheitszelle die Strömungswege 25P des oxidierenden Gases ausbildet. Auf diese Weise sind die Trenner 24 und 25 mit den Gasdiffusionselek­ troden zur Abgrenzung von Strömungswegen und zur Trennung der Strömung des gasförmigen Brennstoffs von der Strömung des oxidierenden Gases zwischen benachbarten Einheitszellen ver­ bunden. Bei der Verarbeitung des Aufeinanderlegens einer An­ zahl von Einheitszellen 28 zur Ausbildung einer Stapelstruk­ tur können die an beiden Enden der Stapelstruktur angeordne­ ten Trenner Rippen auf lediglich der einzigen Seitenoberflä­ che aufweisen, die die Gasdiffusionselektroden berühren.
Die Elektrolyt-Membran 21 ist eine protonenleitende Ionen-Austauschmembran, die aus einem Polymer-Material wie Fluor­ harz besteht, und zeigt eine hervorragende elektrische Leit­ fähigkeit im feuchten Zustand. Gemäß diesem Ausführungsbei­ spiel ist eine (von du Pont hergestellte) Nafion-Membran für die Elektrolyt-Membran 21 angewendet. Die Oberfläche der Elektrolyt-Membran 21 ist mit Platin oder einer platinhalti­ gen Legierung bedeckt, die als Katalysator dienen. Bei der gemäß diesem Ausführungsbeispiel angewandten Technik zum An­ bringen des Katalysators wird Kohlenstoffpulver mit darauf getragenem Platin oder einer platinhaltiger Legierung vorbe­ reitet, das den Katalysator tragende Kohlenstoffpulver in ei­ nem geeigneten organischen Lösungsmittel löst, ein bestimmte Menge einer elektrolytischen Lösung (beispielsweise eine von Aldrich Chemical Corp. Hergestellte Nafion-Lösung) zu der Zersetzung (dispersion) zur Ausbildung einer Paste hinzugege­ ben und wird die Paste auf der Elektrolyt-Membran 21 siebge­ druckt. Bei einer anderen erhältlichen Technik wird die Pa­ ste, die das den Katalysator tragende Kohlenstoffpulver ent­ hält, zu einer dünnen Platte geformt und die Platte auf die Elektrolyt-Membran 21 gepreßt. Obwohl der platinhaltige Kata­ lysator gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf der Elektrolyt-Membran 21 aufgebracht ist, kann der Katalysator auf der An­ ode 22 und der Kathode 23 aufgebracht sein, die die Elektro­ lyt-Membran 21 berühren.
Die Anode 22 und die Kathode 23 sind aus einem Kohlenstoffge­ webe hergestellt, das aus aus Kohlenstoffasern bestehenden Garnen gewebt ist. Obwohl die Anode 22 und die Kathode 23 ge­ mäß diesem Ausführungsbeispiel aus dem Kohlenstoffgewebe be­ stehen, kann Kohlenstoffpapier oder ein aus Kohlenstoffasern bestehender Kohlenstoffilz vorteilhaft für das Material der Anode 22 und der Kathode 23 angewendet werden.
Die Trenner 24 und 25 sind aus einem gasundurchlässigen lei­ tenden Material wie beispielsweise einem durch Komprimieren von Kohlenstoff erhaltenen gasundurchlässigen, dichten Koh­ lenstoff hergestellt. Jeder der Trenner 24 und 25 weist eine Vielzahl von parallel und an beiden Seitenoberflächen davon ausgebildeten Rippen auf. Wie vorstehend beschrieben, ist je­ der Trenner mit der Oberfläche der Anode 22 zur Abgrenzung der Strömungswege 24P des gasförmigen Brennstoffs und mit der Oberfläche der Kathode 23 der benachbarten Einheitszelle zur Abgrenzung der Strömungswege 25P des oxidierenden Gases kom­ biniert. Entsprechend einer anderen möglichen Struktur können die an einer Seitenoberfläche jedes Trenners ausgebildeten Rippen senkrecht oder mit einem bestimmten Winkel zu den auf der anderen Seitenoberfläche des Trenners ausgebildeten ange­ ordnet sein. So lange der gasförmige Brennstoff und das oxi­ dierende Gas den Gasdiffusionselektroden zugeführt werden können, können die Rippen als nicht parallele Rillen ausge­ bildet sein.
Wie vorstehend beschrieben weist jede Einheitszelle 28, bei der es sich um den Grundaufbau der Brennstoffzellen 20 han­ delt, den Trenner 24, die Anode 22, die Elektrolyt-Membran 21, die Kathode 23 und den Trenner 25 auf, die in dieser Rei­ henfolge angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 20 wird durch Stapeln von mehreren Sätzen von derartigen Einheitszel­ len 28 (gemäß diesem Ausführungsbeispiel 100) und Einsetzen von (nicht gezeigten) aus dichten Kohlenstoff oder Kupfer­ platten hergestellten Stromsammelplatten an beiden Enden der Stapelstruktur erhalten.
Obwohl bei der Darstellung in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 nicht dargestellt, sind außer den Brennstoffzellen der Sta­ pelstruktur zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels der Brennstoffzellen weitere Peripherieeinrichtungen erfor­ derlich. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild, das den Aufbau ei­ ner Brennstoffzelleneinheit 60 mit dem Brennstoffzellenstapel 20 und Peripherieeinrichtungen darstellt. Die Brennstoffzel­ leneinheit 60 weist hauptsächlich den Brennstoffzellenstapel 20, einen Methanoltank 61, einen Wassertank 62, einen Refor­ mer 64 und einen Luftkompressor 66 auf.
Der Reformer 64 wird jeweils aus dem Methanoltank 61 und dem Wassertank 62 mit Methanol bzw. Wasser versorgt. Der Reformer reformiert die Methanol zufuhr, die als unverarbeiteten Brenn­ stoff zugeführt wurde, durch Dampfreformierung (steam refor­ ming) zur Erzeugung eines wasserstoffreichen gasförmigen Brennstoffs. In dem Reformer 64 tritt eine durch die nachste­ hend beschriebenen Gleichungen beschriebene Reformierungsre­ aktion auf.
CH₃OH → CO + 2H₂ (4)
CO + H₂O → CO₂ + H₂ (5)
CH₃OH + H₂O →O₂ + 3H₂ (6)
Die durch die Gleichung (4) ausgedrückte Zersetzungsreaktion von Methanol schreitet gleichzeitig mit der durch die Glei­ chung (5) ausgedrückte Reformierungsreaktion von Kohlenstoff­ monoxid derart voran, daß die Reaktion der Gleichung (6) als die Gesamt-Reformierungsreaktion von Methanol in dem Reformer 64 auftritt. Diese Reformierungsreaktion ist insgesamt endo­ therm. Ein durch den Reformer erzeugter wasserstoffreicher gasförmiger Brennstoff wird über einen Brennstoffzufuhrkanal 68 dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt, in die Strömungs­ wege 24P des gasförmigen Brennstoffs in den in dem Brenn­ stoffzellenstapel 20 enthaltenen Einheitszellen 28 geleitet und bei den Anoden 22 der Zellenreaktion ausgesetzt. Die bei den Anoden 22 auftretende Reaktion ist durch die vor stehend gegebene Gleichung (1) ausgedrückt. Hinsichtlich der Zufuhr einer erforderlichen Wassermenge und der Verhinderung, daß die Elektrolyt-Membran 21 austrocknet, kann in dem Brenn­ stoffzufuhrkanal 68 ein Befeuchter angeordnet sein. Bei die­ sem Aufbau wird der befeuchtete gasförmige Brennstoff den Brennstoffzellen 20 zugeführt.
Der Luftkompressor 66 nimmt Luft auf und komprimiert diese und führt den Brennstoffzellen 20 komprimierte Luft zu. Die durch den Luftkompressor 66 aufgenommene und komprimierte Luft wird den Brennstoffzellen 20 über einen Luftzufuhrkanal 69 zugeführt, jeweils in die Strömungswege 25P des oxidieren­ den Gases in den in dem Brennstoffzellenstapel 20 enthaltenen Einheitszelle 28 geleitet und bei den Kathoden 23 der Zellen­ reaktion unterzogen. In den Brennstoffzellen steigt die Reak­ tionsgeschwindigkeit allgemein mit einem Anstieg der sowohl den Anoden als auch den Kathoden zugeführten Gasen an. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen. Des­ halb wird die den Kathoden 23 zugeführte Luft durch den Luft­ kompressor 66 komprimiert. Der Druck des den Anoden 22 zuge­ führten gasförmigen Brennstoffs kann leicht durch Steuerung des Ein-/Auszustandes eines magnetspulenbetriebenen Ventils einer in dem Brennstoffzufuhrkanal 68 angeordneten (nicht ge­ zeigten) Massenströmungssteuerungseinrichtung gesteuert wer­ den.
Das Abgas des gasförmigen Brennstoff nach der Zellreaktion an den Anoden 22 in den Brennstoffzellen 20 und der Teil der durch den Luftkompressor 66 komprimierten Luft werden dem Re­ former 64 zugeführt. Wie vorstehend beschrieben, ist die in dem Reformer 64 auftretende Reformierungsreaktion insgesamt endotherm und erfordert eine Zufuhr von Wärme von außerhalb.
Ein (nicht gezeigter) Brenner zum Heizen ist somit an dem Re­ former 64 angeordnet. Das Abgas des gasförmigen Brennstoffs und der komprimierten Luft werden zur Verbrennung in dem Brenner verwendet. Das Abgas des aus den Kathoden 23 der Brennstoffzellen 20 ausgestoßenen gasförmigen Brennstoffs werden über einen Brennstoffabgaskanal 71 in den Reformer 64 geleitet, wohingegen die komprimierte Luft über eine Luftweg­ verzweigung 70, die von dem Luftzufuhrkanal 69 abzweigt, zu dem Reformer 64 geleitet wird. In dem Abgas des gasförmigen Brennstoffs verbleibender Wasserstoff und Sauerstoff in der komprimierten Luft werden zur Verbrennung des Brenners ver­ wendet, damit für die Reformierungsreaktion die erforderliche Wärmemenge zugeführt wird.
Die Ausgangsleistung der Brennstoffzellen 20 wird durch Steuerung der Strömungen des gasförmigen Brennstoffs und des oxidierenden Gases entsprechend der Größe einer angeschlosse­ nen Belastung gesteuert. Die Steuerung der Ausgangsleistung wird durch die Steuerungseinheit 50 durchgeführt. Die Steue­ rungseinheit 50 gibt Ansteuersignale an den Luftkompressor 66 und der in dem Brennstoffzufuhrkanal 68 angeordneten Massen­ strömungssteuerungseinrichtung zur Justierung der Antriebs­ stärke und deren Ein-/Auszustandes aus. Eine derartige Ju­ stierung steuert die Strömungen der den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gase, wodurch die Ausgangsleistung der Brenn­ stoffzellen 20 entsprechend der Größe der Belastung gewähr­ leistet wird. Obwohl Ausgangssignale der Steuerungseinheit 50 in die Brennstoffzellen 20 gemäß Fig. 1 eingegeben werden, werden diese Ausgangssignale tatsächlich in die vorstehend beschriebenen Elemente der Brennstoffzelleneinheit 60 einge­ geben, die die Steuerung von Gasströmungen betreffen.
Die Speicherbatterie 30 arbeitet zusammen mit den Brennstoff­ zellen 20 als Energiequelle zur Abgabe elektrischer Leistung an den Motor 32 und die Hilfsmaschinerie 34. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Speicherbatterie 30 ein Bleisäu­ reakkumulator, obwohl andere Sekundärbatterien wie ein Nik­ kel-Kadmiumakkumulator, ein Nickel-Wasserstoffakkumulator und eine sekundäre Lithiumbatterie ebenfalls anwendbar sind. Die Kapazität der Speicherbatterie 30 wird entsprechend dem er­ warteten Antriebszustand des elektrischen Fahrzeugs 15 mit dem daran angebrachten Energieversorgungssystem 10, das heißt der Größe der erwarteten Belastung, und der Kapazität der parallel zu der Speicherbatterie 30 angeordneten Brennstoff­ zellen 20 bestimmt.
Der Motor 32 nimmt elektrische Leistung aus den Brennstoff­ zellen 20 und der Speicherbatterie 30 auf und erzeugt ein An­ triebsmoment. Das Antriebsmoment wird auf die Vorderräder und/oder Hinterräder über eine Achse des Fahrzeugs übertra­ gen, bei dem das Energieversorgungssystem 10 angebracht ist, und dient als Kraft zum Antrieb des Fahrzeugs. Der Motor 32 wird durch eine Steuerungseinrichtung 33 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 33 ist außerdem mit einem Beschleuni­ gungspedalpositionssensor 33b zur Erfassung der Stärke des Durchtretens eines Beschleunigungspedals 33a verbunden. Die Steuerungseinrichtung 33 ist weiterhin mit der Steuerungsein­ heit 50 verbunden und überträgt verschiedene Informationstei­ le beispielsweise hinsichtlich des Betriebs des Motors 32 zu und aus der Steuerungseinheit 50.
Die Hilfsmaschinerie 34 ist eine Belastung, die während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 elektrische Lei­ stung in einem vorbestimmten Bereich aufnimmt. Die Hilfsma­ schinerie 34 weist beispielsweise den Luftkompressor 66, die Massenströmungssteuerungseinrichtung und eine Wasserpumpe auf. Der Luftkompressor 66 steuert wie vorstehend beschrieben den Druck des den Brennstoffzellen 20 zugeführten oxidieren­ den Gases. Die Wasserpumpe läßt das Kühlwasser und Druck durch die Brennstoffzellen 20 zirkulieren. Die Zirkulation des Kühlwassers führt zu einem Wärmetausch in den Brennstoff­ zellen 20, wodurch die interne Temperatur der Brennstoffzel­ len 20 auf oder unter einem vorbestimmten Pegel gehalten wird. Die Massenströmungssteuerungseinrichtung steuert wie vorstehend beschrieben den Druck und die Strömung des den Brennstoffzellen 20 zugeführten gasförmigen Brennstoffs. Ob­ wohl die Brennstoffzellen 20 und die Hilfsmaschinerie 34 in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 unabhängig voneinander dar­ gestellt sind, können die Einrichtungen bezüglich der Steue­ rung des Betriebszustandes der Brennstoffzellen 20 als Peri­ pherieeinrichtungen der Brennstoffzellen 20 betrachtet wer­ den. Die Hilfsmaschinerie 34 weist außerdem interne Elemente auf, die nicht den Betrieb der Brennstoffzellen 20 betreffen, beispielsweise ein Raumlicht, ein Radio und eine Klimaanlage. Die Leistungsaufnahme einer derartigen Hilfsmaschinerie 34 beträgt maximal 5 KW, was deutlich geringer als die Lei­ stungsaufnahme des Motors 32 ist und geringe Variationen auf­ weist.
Der Gleichumrichter 36 wandelt die ausgegebenen Spannungen der Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 um und legt die umgewandelte Spannung an die Hilfsmaschinerie 34 an. Die zum Antrieb des Motors 32 erforderliche Spannung beträgt im allgemeinen 200 V bis 300 V, wobei die entsprechende Span­ nung aus den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 ausgegeben wird. Demgegenüber beträgt die zum Betrieb der Hilfsmaschinerie 34 wie der Wasserpumpe erforderliche Span­ nung lediglich etwa 12 V. Dementsprechend ist es unmöglich, die aus den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 ausgegebene Spannung direkt anzulegen. Somit verringert der Gleichumrichter 36 die Spannung.
Der Fahrer des Fahrzeugs mit dem daran angebrachten Energie­ versorgungssystem 10 bedient die Startereinheit 40 zum Star­ ten oder Stoppen des Energieversorgungssystems 10. Die Star­ tereinheit 40 ist beispielsweise als ein in der Nähe des Fah­ rersitzes angebrachter vorbestimmter Startschalter angeordne­ ter aufgebaut.
Das erste Relais 38 ist an einer vorbestimmten Position in dem das Energieversorgungssystem 10 aufbauenden Stromkreis angeordnet und weist einen Kontakt zum Öffnen und Schließen des Stromkreises auf. Das Relais 38 ist mit der Steuerungs­ einheit 50 verbunden. Wenn der Fahrer eine Anweisung zum Start des Energieversorgungssystems 10 über die Starterein­ heit 40 gibt, bewirkt die Steuerungseinheit 50, daß das Re­ lais 42 eine Verbindung in dem die Brennstoffzellen 20 und die Speicherbatterie 30 mit dem Motor 32 und der Hilfsmaschi­ nerie 34 verbindenden Stromkreis ausführt. Wenn der Fahrer eine Anweisung zum Stop des Energieversorgungssystems 10 über die Startereinheit 40 gibt, veranlaßt demgegenüber die Steue­ rungseinheit 50, daß das Relais 38 die Verbindung in dem Stromkreis unterbricht.
Die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 mißt die Restladung der Speicherbatterie 30 und ist gemäß diesem Ausführungsbei­ spiel durch eine Aufladungszustandsmeßeinrichtung (SOC-Meter, state of charge meter) verwirklicht. Die Aufladungszu­ stands-Meßeinrichtung sammelt die Werte elektrischen Stroms und die Zeitdauer des Aufladens und Entladens bei der Spei­ cherbatterie. 30, wobei die Steuerungseinheit 50 die Restla­ dung der Speicherbatterie 30 auf der Grundlage der gesammel­ ten Werte berechnet. Die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 kann durch einen Spannungssensor anstelle der Aufladungs­ zustands-Meßeinrichtung verwirklicht sein. Die Speicherbatte­ rie 30 verringert mit Verringerung der Restladung die Span­ nung. Der Spannungssensor zieht aus dieser Eigenschaft einen Vorteil und mißt die Spannung zur Erfassung der Restladung der Speicherbatterie 30. Der Spannungssensor ist mit der Steuerungseinheit 50 verbunden. Die Beziehung zwischen der durch den Spannungssensor gemessenen Spannung und der Restla­ dung ist vorab in der Steuerungseinheit 50 gespeichert. Die Steuerungseinheit 50 bestimmt somit die Restladung auf der Grundlage des Meßeingangssignals aus dem Spannungssensor. Als ein weiteres Beispiel kann die Restladungsüberwachungsein­ richtung 42 eine Einrichtung zur Messung der Dichte einer elektrolythischen Lösung in der Speicherbatterie 30 zur Er­ fassung der Restladung sein.
Das zweite Relais 46 ist in dem Stromkreis angeordnet, der den Motor 32 und die Hilfsmaschinerie 34 parallel zu den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 verbindet, und weist eine Kontakt zum Öffnen und Schließen des Strom­ kreises auf, damit der Motor 32 mit den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 verbunden und davon getrennt wird. Die Steuerungseinheit 50 steuert die Verbindung bzw. das Schalten des Relais 46. Das Relais 46 ist in die Aus-Position gesetzt, während das Energieversorgungssystem 10 ge­ stoppt ist. Bei einem Start des Energieversorgungssystems 10 wird dementsprechend die aus den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 abgegebene elektrische Leistung nicht an dem Motor 32 abgegeben, wohingegen sie an die Hilfsmaschine­ rie 34 angelegt wird. Das Relais 46 ist in die Ein-Position gesetzt, wenn der Motor 32 gleichmäßig nach einem Start des Energieversorgungssystems 10 angetrieben werden kann, das heißt, wenn das Aufwärmen der Brennstoffzellen 20 abgeschlos­ sen ist oder wenn die Speicherbatterie 30 einen vorbestimmten Aufladungszustand erreicht hat.
Die Steuerungseinheit 50 ist als eine Arithmetik- und Logik­ schaltung mit einem Mikrocomputer aufgebaut und weist eine Zentraleinheit (CPU) 52, einen Festspeicher (ROM) 54, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 56 sowie einen Eingabe- /Ausgabeanschluß 58 auf. Die Zentraleinheit 52 führt ver­ schiedene arithmetische Operationen entsprechend den vorein­ gestellten Steuerungsprogrammen aus. Für die verschiedenen durch die Zentraleinheit 52 ausgeführten arithmetischen Ope­ rationen erforderliche Steuerungsprogramme und Steuerungsda­ ten sind vorab in dem Festspeicher 54 gespeichert. Verschie­ dene für die durch die Zentraleinheit 52 ausgeführten arith­ metischen Operationen erforderliche Daten werden zeitweilig in den Speicher mit wahlfreiem Zugriff 56 geschrieben und daraus gelesen. Der Eingabe-/Ausgabeanschluß 58 empfängt Er­ fassungssignale aus verschiedenen Sensoren wie der Restla­ dungsüberwachungseinrichtung 42 und gibt Ansteuerungssignale an verschiede Betätigungsglieder einschließlich des Relais 46 entsprechend den Ergebnissen der arithmetischen Operationen durch die Zentraleinheit 52 aus, wodurch der Antriebszustand der jeweiligen Elemente des Energieversorgungssystems 10 ge­ steuert wird.
Gemäß Fig. 1 stellen zwischen der Steuerungseinheit 50 und den Brennstoffzellen 20 übertragene Signale die Steuerung be­ züglich dem Antriebszustand der Brennstoffzellen 20 oder ge­ nauer die Steuerung bezüglich Vorgängen jeweiliger Bestand­ teile der Brennstoffzelleneinheit 60 dar. Wie vorstehend be­ schrieben, weisen die anderen durch die Steuerungseinheit 50 ausgeführten Steuerungsvorgänge die Ausgabe von Ansteuersi­ gnalen an den Luftkompressor 66 und die Massenströmungssteue­ rungseinrichtung zur Steuerung der Strömungen des oxidieren­ den Gases und des gasförmigen Brennstoffs, die Steuerung der dem Reformer 64 zugeführten Mengen von Methanol und Wasser sowie die Steuerung der Brennstoffzellen 20 und des Reformers 64 auf.
Eine Diode 44 ist in dem Stromkreis angeordnet, der die Brennstoffzellen 20 und die Speicherbatterie 30 parallel zu­ einander verbindet, und verhindert, daß der elektrische Strom entgegengesetzt in die Brennstoffzellen 20 fließt. Wie nach­ stehend beschrieben, hängen Aufladung und Entladung der Spei­ cherbatterie 30 von deren Aufladungszustand und der Größe der angeschlossenen Belastung ab. Entsprechend diesen Bedingungen kann die Speicherbatterie 30 die elektrische Leistung an die Belastung abgeben oder durch die Brennstoffzellen 20 aufgela­ den werden. Die Brennstoffzellen 20 geben demgegenüber ledig­ lich entsprechend der Größe der angeschlossenen Belastung und den Strömungen der zugeführten Gase die elektrische Leistung an die Belastung ab und weisen keine Funktion zur Energie­ speicherung auf. Die Diode 44 verhindert einen entgegenge­ setzten Fluß elektrischen Stroms, der Probleme bei den Zell­ reaktionen verursacht.
Das auf diese Weise aufgebaute Energieversorgungssystem 10 arbeitet in der nachstehend beschriebenen Weise. Nachstehend sind die Ausgangsleistungen aus den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 bei einem Start des Energieversor­ gungssystems 10 beschrieben. Wenn der Fahrer den bei der Startereinheit 40 des Energieversorgungssystems 10 enthalte­ nen vorbestimmten Startschalter einschaltet, gibt die Steue­ rungseinheit 50 ein Ansteuersignal zur Ansteuerung des Relais 38 und zur Verbindung des Kontakts des Relais 38 aus, wobei somit das Aufwärmen der Brennstoffzellen 20 gestartet wird, während die Aufladung oder die Entladung der Speicherbatterie 30 gestartet wird.
Zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 haben die Brennstoffzellen 20 noch nicht eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht und können somit keine zum An­ trieb des Motors 32 ausreichende Leistung abgeben. Gemäß die­ sem Ausführungsbeispiel geben beim Start des Energieversor­ gungssystems 10 die Brennstoffzellen 20 lediglich die elek­ trische Leistung zum Aufwärmen an die Hilfsmaschinerie 34 ab, die die Belastung in einer Größe in einem vorbestimmten Be­ reich darstellt. Wenn die Brennstoffzellen 20 in dem unzurei­ chenden Aufwärmzustand einer großen Belastung ausgesetzt wer­ den, kann ein übermäßiger Fluß elektrischen Stroms einen Spannungsabfall oder andere Probleme verursachen. Der Aufbau gemäß diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht, daß die Brenn­ stoffzellen 20 den Aufwärmvorgang starten und den elektri­ schen Strom mit einer Größe in einem vorbestimmten Bereich abgeben. Die Brennstoffzellen 20 erreichen den stationären Zustand durch diesen Aufwärmvorgang. Nachdem die Brennstoff­ zellen 20 den stationären Zustand erreicht haben, wird der Kontakt des Relais 46 zur Herstellung einer Verbindung einge­ schaltet, die ermöglicht, daß die Brennstoffzellen 20 die Ab­ gabe elektrischer Leistung an den Motor 32 starten.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das Ausgangskennlinien der Brenn­ stoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 zeigt. Die Brenn­ stoffzellen 20 geben große Spannungen in dem Zustand einer kleinen Belastung, das heißt in dem Zustand eines kleinen ausgegebenen Stroms, aus und verringern bei einem Anstieg des elektrischen Stroms die Spannung. Die Speicherbatterie 30 kann die Spannung über einen breiten Bereich des elektrischen Stroms innerhalb eines vorbestimmten engen Bereichs halten, variiert jedoch die Spannung entsprechend deren Aufladungszu­ stand. Fig. 4 zeigt die Ausgangskennlinien der Speicherbatte­ rie 30 sowohl in dem ausreichenden Aufladungszustand als auch in dem unzureichenden Aufladungszustand.
In dem Fall, daß das Energieversorgungssystem 10 in dem aus­ reichenden Aufladungszustand der Speicherbatterie 30 startet, geben sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicher­ batterie 30 elektrische Energie an die Hilfsmaschinerie 34 ab. Dabei stellt It1 den zum Antrieb der Hilfsmaschinerie 34 erforderlichen gesamten elektrischen Strom dar. Unter diesen Bedingung wird der elektrische Strom aus den Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 entnommen. Da die Brennstoff­ zellen 20, die Speicherbatterie 30 und der Motor 32 parallel zueinander geschaltet sind, weisen sie eine gleiche Spannung an den Anschlüssen auf, die als V1 ausgedrückt ist. Auf der Grundlage des Diagramms gemäß Fig. 4 erfüllen der ausgegebene elektrische Strom IF1 der Brennstoffzellen 20 und der ausge­ gebene Strom IB1 der Speicherbatterie 30 die Gleichung It1 = IF1 + IB1.
In dem Fall, daß das Energieversorgungssystem 10 in dem unzu­ reichenden Aufladungszustand der Speicherbatterie 30 startet, geben demgegenüber die Brennstoffzellen 20 die elektrische Leistung an die Hilfsmaschinerie 34 ab, während sie die Spei­ cherbatterie 30 laden. In diesem Zustand ist der zum Antrieb der Hilfsmaschinerie 34 erforderliche elektrische Gesamtstrom unverändert und auf It1 fest eingestellt, wobei die Brenn­ stoffzellen 20, die Speicherbatterie 30 und die Hilfsmaschi­ nerie 34 weiterhin eine identische Spannung an den Anschlüs­ sen aufweisen, die als V2 ausgedrückt ist. Auf der Grundlage des Diagramms gemäß Fig. 4 erfüllen der ausgegebene elektri­ sche Strom IF2 der Brennstoffzellen 20 und der ausgegebene Strom IB2 der Speicherbatterie 30 die Gleichung It1 = IF2 + IB2, wobei IB2 < 0 gilt.
Beim Start des Energieversorgungssystems 10 wird die Spei­ cherbatterie 30 entsprechend deren Aufladungszustand entweder aufgeladen oder entladen. In dem Fall, daß die Speicherbatte­ rie 30 in dem ausreichenden Aufladungszustand ist, wird die Hilfsmaschinerie 34 durch sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 angetrieben. In dem Fall, daß die Speicherbatterie 30 in dem unzureichenden Aufladungszu­ stand ist, müssen demgegenüber die Brennstoffzellen 20 die elektrische Leistung nicht nur zum Antrieb der Hilfsmaschine­ rie 34 sondern auch zum Aufladen der Speicherbatterie 30 ab­ geben. Während die zum Antrieb der Hilfsmaschinerie 34 erfor­ derliche elektrische Leistung in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird, wird der Ausgangszustand der Brennstoffzellen 20 wesentlich durch den Aufladungszustand der Speicherbatte­ rie 30 zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssy­ stems 10 variiert.
Zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 erfaßt der Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel den Aufla­ dungszustand der Speicherbatterie 30, bestimmt die Betriebs­ bedingungen der Brennstoffzellen 20 entsprechend dem erfaßten Zustand der 30 entsprechend dem erfaßten Zustand der Spei­ cherbatterie 30 und steuert genau die Strömungen der den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gase. Die beim Start des Energieversorgungssystems 10 ausgeführte Steuerung der Be­ triebsbedingungen der Brennstoffzellen 20 folgt einer in ei­ nem Flußdiagramm gemäß Fig. 5 dargestellten Startzeitpunkt- Verarbeitungsroutine nach. Die Zentraleinheit 52 führt diese Routine aus, wenn der bei der Startereinheit 40 enthaltene vorbestimmte Startschalter eingeschaltet wird.
Wenn das Programm in die Routine gemäß Fig. 5 eintritt, liest die Zentraleinheit 52 bei einem Schritt S100 zunächst die durch die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 erfaßte Rest­ ladung der Speicherbatterie 30. Das Energieversorgungssystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist eine Aufladungszu­ stands-Meßeinrichtung (ein SOC-Meter) als Restladungsüberwa­ chungseinrichtung 42 auf. Die Aufladungszustands-Meßeinrich­ tung bestimmt die gegenwärtige Restladung der Speicherbatte­ rie 30 aufgrund vergangener Daten bezüglich Aufladungs- und Entladungsbedingungen der Speicherbatterie 30.
Bei einem darauffolgenden Schritt S110 sagt die Zentralein­ heit 52 den Antriebszustand bei einem Start des Energiever­ sorgungssystems 10 auf der Grundlage der bei dem Schritt S100 eingegebenen Restladung voraus. In dem Fall, daß die Restla­ dung der Speicherbatterie 30 geringer als ein vorbestimmter Pegel ist, geben die Brennstoffzellen 20 elektrische Leistung sowohl an die Hilfsmaschinerie 34 als auch an die Speicher­ batterie 30 zum Aufladen der Speicherbatterie 30 ab. In dem Fall, daß die Restladung der Speicherbatterie nicht geringer als der vorbestimmte Pegel ist, geben beim Start des Energie­ versorgungssystems 10 sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 elektrische Leistung an die Hilfsma­ schinerie 34 ab.
Der größte Teil der zum Zeitpunkt des Startens des Energie­ versorgungssystems 10 angetriebenen Hilfsmaschinerie 34 be­ trifft den Betrieb der Brennstoffzellen 20. Die zum Antrieb der Hilfsmaschinerie 34 erforderliche elektrische Leistung wird in einem vorbestimmten Bereich gehalten. Wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Diagramm gemäß Fig. 4 beschrieben, schätzt die Zentraleinheit 52 die ausgegebenen elektrischen Ströme der Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30 auf der Grundlage der bekannten Gesamtbelastung (des zum An­ trieb der Hilfsmaschinerie 34 erforderlichen gesamten elek­ trischen Stroms) und der Restladung der Speicherbatterie 30 (den Ausgangseigenschaften gemäß der Restladung). In dem Fall, daß die Restladung der Speicherbatterie 30 geringer als der vorbestimmte Pegel ist, müssen die Brennstoffzellen 20 elektrische Leistung nicht nur an die Hilfsmaschinerie 34 sondern auch an die Speicherbatterie 30 abgeben und haben deshalb einen höheren Schätzwert des ausgegebenen elektri­ schen Stroms. In dem Fall, daß die Restladung der Speicher­ batterie 30 nicht geringer als der vorbestimmte Pegel ist, geben demgegenüber sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 elektrische Leistung an die Hilfsma­ schinerie 34 ab, wobei die Brennstoffzellen 20 dementspre­ chend einen geringeren Schätzwert des ausgegebenen elektri­ schen Stroms haben.
Das Programm schreitet dann zu einem Schritt S120 zur Bestim­ mung der Gasmengen voran, die die Brennstoffzellen 20 zur Ausführung der Energieerzeugung entsprechend dem vorhergesag­ ten Antriebszustand (das heißt, dem geschätzten ausgegebenen elektrischen Strom der Brennstoffzellen 20) bei einem Start des Energieversorgungssystems Energieversorgungssystems 10 benötigen. Die Brennstoffzellen 20 erzeugen eine elektromoto­ rische Kraft durch die elektrochemischen Reaktionen. Eine der Größe der angeschlossenen Belastung entsprechende Zufuhr aus­ reichender Gasmengen sowohl an die Anoden als auch an die Ka­ thoden ermöglicht, daß die Brennstoffzellen 20 den erforder­ lichen Betrag der elektrischen Leistung abgeben. Die Bezie­ hung zwischen den Gaszufuhrmengen und der Menge bzw. Höhe der Energieerzeugung ist vorab in der Steuerungseinheit 50 ge­ speichert. Dies ermöglicht, daß die erforderlichen Gasmengen leicht entsprechend dem bei dem Schritt S110 geschätzten aus­ gegebenen elektrischen Strom der Brennstoffzellen 20 ausgege­ ben werden. Eine tatsächliche Verarbeitung erhält die mit ei­ nem vorbestimmten Überschußbetrag multiplizierten theoretisch erforderlichen Gasmengen. Vor einem Start des Energieversor­ gungssystems 10 ist die Temperatur der Brennstoffzellen 20 niedriger als eine vorbestimmte Betriebstemperatur. Die Ener­ gieerzeugung durch die Brennstoffzellen 20 auf der Grundlage der elektrochemischen Reaktionen wird durch die Temperatur beeinflußt. Eine vorzuziehende Verarbeitung mißt dementspre­ chend die innere Temperatur der Brennstoffzellen 20 und kor­ rigiert die erforderlichen, den Brennstoffzellen 20 zugeführ­ ten Gasmengen auf der Grundlage der beobachteten Temperatur.
Nach Bestimmung der erforderlichen, den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen schreitet das Programm zu einem Schritt 5130 zum Start des Energieversorgungssystems 10 unter den be­ stimmten Bedingungen voran. Zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 gibt die Steuerungseinheit 50 Ansteuerungssignale an die jeweiligen Bestandteile der Brenn­ stoffzelleneinheit 60 zur Ermöglichung einer Zufuhr der be­ stimmten Gasströmungen zu den Brennstoffzellen 20 aus, wäh­ rend ein Signal zu dem Relais 38 zum Schließen des Stromkrei­ ses und zum Start einer elektrischen Leistungsabgabe an die Hilfsmaschinerie 34 ausgegeben wird.
Bei einem Start des Energieversorgungssystems 10 erfaßt der Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel die Restladung der Spei­ cherbatterie 30, schätzt die Stärke des ausgegebenen elektri­ schen Stroms der Brennstoffzellen 20 auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses, führt die erforderlichen Gasmengen entsprechend der geschätzten Größe des elektrischen Stroms den Brennstoffzellen 20 zu und verbindet die Belastung mit den Brennstoffzellen 20. Wenn das Energieversorgungssystem 10 startet, verhindert dieser Aufbau, daß die Brennstoffzellen 20 aufgrund der unzureichenden Restladung der Speicherbatte­ rie 30 einer unerwartet hohen bzw. übermäßigen Belastung aus­ gesetzt werden. Die übermäßige Belastung verursacht, daß die Brennstoffzellen 20 lediglich unzureichende Gasmengen empfan­ gen, was zu Problemen wie einem Spannungsabfall, einem Pol­ wechsel und einer teilweisen Wärmeabgabe führen kann. In dem Fall, daß die Speicherbatterie 30 eine ausreichende Restla­ dung zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 hat, geben sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 elektrische Leistung ab. In diesem Fall müssen die Brennstoffzellen 20 einen geringeren Betrag elek­ trischer Leistung abgeben. Der Aufbau gemäß diesem Ausfüh­ rungsbeispiel verhindert wirksam, daß übermäßige Gasmengen unnötig den Brennstoffzellen 20 zugeführt werden. Dieser Auf­ bau verhindert ebenfalls, daß übermäßige Gasmengen den Brenn­ stoffzellen 20 zugeführt werden, um gegen die möglicherweise unzureichende Restladung der Speicherbatterie 30 bei einem Start des Energieversorgungssystems 10 vorzugehen.
Der Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel, der die erforderli­ chen Gasmengen beim Start des Energieversorgungssystems 10 schätzt und genau die erforderlichen Gasmengen den Brenn­ stoffzellen 20 zuführt, übt die folgenden Wirkungen aus. Der den Kathoden der Brennstoffzellen 20 zugeführte gasförmige Brennstoff wird durch Reformierung von Methanol aufbereitet, das vorab an dem elektrischen Fahrzeug 15 mit dem Energiever­ sorgungssystem 10 angeordnet wird. Ein unnötiger Verbrauch des gasförmigen Brennstoffs führt zu einem unnötigen Ver­ brauch von Methanol. Die mögliche Fahrdistanz des elektri­ schen Fahrzeugs hängt von der bei dem elektrischen Fahrzeug angeordneten Methanolmenge ab. Ein derart unnötiger bzw. ver­ schwenderischer Verbrauch des Methanols führt dementsprechend zu einer Verknappung der möglichen Fahrdistanz des elektri­ schen Fahrzugs bei jeder Brennstoffzufuhr. Das Energieversor­ gungssystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel verhindert zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 einen die mögliche Fahrdistanz des elektrischen Fahrzeugs 15 ver­ kürzenden unnötigen Verbrauch des Brennstoffs.
Als das oxidierende Gas wird die Luft aufgenommen und den An­ oden der Brennstoffzellen 20 zugeführt. In diesem Fall führt ein unnötiger Verbrauch der Luft zu einer Verschwendung der zur Zufuhr der Luft zu den Brennstoffzellen 20 erforderlichen elektrischen Leistung. Wie vorstehend beschrieben wird die Luft (das oxidierende Gas) durch den Luftkompressor 66 kom­ primiert, bevor es den Anoden zugeführt wird. Die zum Antrieb des Luftkompressors 66 erforderliche elektrische Leistung wird durch die Brennstoffzellen 20 und die Speicherbatterie 30 abgegeben. Eine übermäßige Zufuhr des oxidierenden Gases führt somit zu einer Verschwendung der zum Antrieb des Luft­ kompressors 66 verbrauchten elektrischen Leistung. Das Ener­ gieversorgungssystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel führt den Brennstoffzellen 20 genau die erforderliche Menge des oxidierenden Gases entsprechend dem vorhergesagten Antriebs­ zustands zu, wodurch verhindert wird, daß ein übermäßiger Be­ trag elektrischer Leistung unnötig zum Antrieb des Luftkom­ pressors 66 verbraucht wird.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Restladung der Speicherbatterie 30 überprüft und die den Brennstoffzellen 20 zugeführten erforderlichen Gasmengen auf der Grundlage der Restladung der Speicherbatterie 30 vor dem Start des Energie­ versorgungssystems 10 bestimmt. Die auf der Restladung der Speicherbatterie 30 beruhende Steuerung der Gaszufuhr wird ebenfalls vorzugsweise während des Betriebs des Energiever­ sorgungssystems 10 ausgeführt. Nachstehend ist die Steuerung der den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 als ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das an dem elektrischen Fahrzeug 15 angebrachte Energieversor­ gungssystem 10 betrachtet. Der Aufbau des Energieversorgungs­ systems 10 ist nachstehend somit nicht extra beschrieben.
Während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 wird der Aufladungs- und Entladungszustand der Speicherbatterie 30 entsprechend der Größe der Belastung oder genauer entspre­ chend der Antriebsgröße des an dem elektrischen Fahrzeug 15 angebrachten Motors 32 variiert. Da die Brennstoffzellen 20 und die Speicherbatterie 30 parallel zueinander geschaltet sind, verursacht ein Anstieg der Antriebsgröße des Motors 32, daß sowohl die Brennstoffzellen 20 also auch die Speicherbat­ terie 30 elektrische Leistung an die Belastung abgeben. Unter derartigen Bedingungen gibt die Speicherbatterie 30 elektri­ sche Leistung ab bzw. wird entladen, so daß die Restladung der Speicherbatterie 30 sinkt. Eine Verringerung bei der An­ triebsgröße des Motors 32 verursacht demgegenüber, daß die Brennstoffzellen 20 elektrische Leistung nicht nur an den Mo­ tor 32, sondern auch an die Speicherbatterie 30 abgeben. Un­ ter derartigen Bedingungen wird die Speicherbatterie 30 mit der abgegebenen elektrischen Leistung derart aufgeladen, daß die Restladung der Speicherbatterie 30 regeneriert wird.
Eine Erhöhung der Belastung, beispielsweise wenn das Fahrzeug eine Schräge hinauf fährt, erhöht die Ausgangsleistung sowohl der Brennstoffzellen 20 als auch der Speicherbatterie 30 und verringert dadurch die Restladung der Speicherbatterie 30. Unter der Bedingung, daß die Speicherbatterie 30 eine verrin­ gerte Restladung aufweist, kann in dem Fall, daß die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen mit einer Verringe­ rung bei der Belastung verringert werden, eine Verknappung bei den Gasen in den Brennstoffzellen 20 auftreten. Wenn die Belastung auf oder unter einem vorbestimmten Pegel sinkt, starten die Brennstoffzellen 20 die Abgabe elektrischer Lei­ stung an sowohl die Speicherbatterie 30 als auch die Bela­ stung. Die erforderlichen Gasmengen sollten dementsprechend der sowohl der Belastung als auch der Speicherbatterie 30 zu­ geführten elektrischen Leistung entsprechen. Das Energiever­ sorgungssystem 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mißt den Aufladungszustand der Speicherbatterie 30 und die Größe der Belastung zu vorbestimmten Zeitintervallen und steuert die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen entspre­ chend den Meßergebnissen. Die Steuerung des den Brennstoff­ zellen 20 zugeführten Gases folgt einer in einem Flußdiagramm gemäß Fig. 6 gezeigten Verarbeitungsroutine bei Betrieb. Die­ se Routine wird durch die Zentraleinheit 52 bei vorbestimmten Zeitintervallen, beispielsweise jede 1 s, nach dem Start des Energieversorgungssystems 10 ausgeführt.
Wenn das Programm in die Routine gemäß Fig. 6 eintritt, liest die Zentraleinheit 52 bei einem Schritt S200 zunächst die durch die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 erfaßte Rest­ ladung der Speicherbatterie 30. Wie gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel weist das Energieversorgungssystem 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Aufladungszustands-Meß­ einrichtung (ein SOC-Meter) als Restladungsüberwachungsein­ richtung 42 auf. Die Aufladungszustands-Meßeinrichtung be­ stimmt die gegenwärtige Restladung der Speicherbatterie 30 auf der Grundlage vergangener Daten bezüglich der Aufladungs- und Entladungsbedingungen der Speicherbatterie 30.
Die Zentraleinheit 52 liest daraufhin bei einem Schritt S210 den Gesamtbetrag der Belastung, die eine elektrische Leistung aus dem Energieversorgungssystem 10 aufnimmt. Eine konkrete Verarbeitung mißt die durch den Motor 32 und die Hilfsmaschi­ nerie 34 aufgenommene elektrische Leistung. Die jeweiligen Bestandteile der Hilfsmaschinerie 34 nehmen bei Betrieb einen im wesentlichen fest eingestellten Betrag elektrischer Lei­ stung auf. Somit kann die gesamte aufgenommene elektrische Leistung auf der Grundlage der Informationen bezüglich der sich gerade in Betrieb befindenden Einrichtungen berechnet werden. Wie vorstehend beschrieben, betrachten die Brenn­ stoffzellen 20 die Speicherbatterie 30 beim Aufladen der Speicherbatterie 30 als Belastung. Der Einfachheit halber be­ zieht sich die Belastung lediglich auf den Motor 32 und die Hilfsmaschinerie 34.
Nach dem Lesen der Daten bezüglich der Restladung der Spei­ cherbatterie 30 und dem Gesamtbetrag der Belastung schätzt die Zentraleinheit 52 bei einem Schritt S220 die Ausgangslei­ stungen der Brennstoffzellen 20 und der Speicherbatterie 30. Die Ausgangsleistungen der Brennstoffzellen 20 und der Spei­ cherbatterie 30 hängen von der Restladung der Speicherbatte­ rie 30 und dem Gesamtbetrag der Belastung ab. In dem Fall, daß die Restladung der Speicherbatterie 30 nicht größer als ein vorbestimmter Pegel ist und der Gesamtbetrag der Bela­ stung relativ gering ist, geben die Brennstoffzellen 20 elek­ trische Leistung sowohl an die Speicherbatterie 30 als auch an die angeschlossene Belastung ab. Der geschätzte ausgegebe­ ne elektrische Strom der Brennstoffzellen 20 wird dementspre­ chend höher als der für den Gesamtbetrag der Belastung. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet die Speicherbatterie 30 gegenüber den Brennstoffzellen 20 als Belastung. In dem Fall, daß die Restladung der Speicherbatterie 30 größer als ein vorbestimm­ ter Pegel ist, geben demgegenüber sowohl die Brennstoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 elektrische Leistung an die Belastung ab. Der geschätzte ausgegebene elektrische Strom der Brennstoffzellen 20 wird dementsprechend kleiner als der für den Gesamtbetrag der Belastung.
Das Programm schreitet daraufhin zu einem Schritt S230 zur Bestimmung der Gasmengen voran, die die Brennstoffzellen 20 zur Ausführung der Energieerzeugung entsprechend dem vorher­ gesagten Antriebszustand (das heißt, dem geschätzten ausgege­ ben elektrischen Strom der Brennstoffzellen 20) benötigen. Die Brennstoffzellen 20 erzeugen eine elektromotorische Kraft durch die elektrochemischen Reaktionen. Eine Zufuhr ausrei­ chender Gasmengen, die der Größe der angeschlossenen Bela­ stung entspricht, sowohl zu den Anoden als auch den Kathoden ermöglicht, daß die Brennstoffzellen 20 den erforderlichen Betrag elektrischer Leistung ausgeben. Die Beziehung zwischen den Gaszufuhrmengen und der Größe der Energieerzeugung ist vorab in der Steuerungseinheit 50 gespeichert. Dies ermög­ licht, daß die erforderlichen Gasmengen leicht entsprechend dem bei dem Schritt S220 geschätzten ausgegebenen elektri­ schen Strom der Brennstoffzellen 20 bestimmt werden. Eine tatsächliche Verarbeitung erhält die theoretisch erforderli­ chen Gasmengen multipliziert mit einem vorbestimmten Über­ schußbetrag.
Nach Bestimmung der den Brennstoffzellen 20 zugeführten er­ forderlichen Gasmengen schreitet das Programm zu einem Schritt S240 zur tatsächlichen Steuerung der Gasströmungen entsprechend den bestimmten Bedingungen voran. Das Programm verläßt dann diese Routine. Entsprechend einer konkreten Ver­ arbeitung gibt die Steuerungseinheit 50 Ansteuersignale an die jeweiligen Bestandteile der Brennstoffzelleneinheit 60 aus, damit die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen auf vorbestimmte Pegel korrigiert werden.
Die Energieversorgungssystem 10 gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel liest die Restladung der Speicherbatterie 30 und die Größe der angeschlossenen Belastung bei vorbestimmten Zeitintervallen während des Betriebs des Energieversorgungs­ systems 10, schätzt den ausgegebenen elektrischen Strom der Brennstoffzellen 20 auf der Grundlage der eingegebenen Daten und steuert die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen entsprechend dem geschätzten ausgegebenen elektrischen Strom. Selbst wenn ein abrupter Anstieg der Größe der Belastung die Restladung der Speicherbatterie 30 verringert und den Zustand der Speicherbatterie 30 von der Entladungsbedingung auf die Aufladungsbedingung verändert, verhindert der Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel wirksam die Verknappung der Gase in den Brennstoffzellen 20, die Probleme wie einen Spannungsab­ fall und eine teilweise Wärmeabgabe verursachen kann.
In dem Fall, daß die Speicherbatterie 30 eine ausreichende Restladung aufweist, geben demgegenüber sowohl die Brenn­ stoffzellen 20 als auch die Speicherbatterie 30 Leistung ab. In diesem Fall müssen die Brennstoffzellen 20 eine geringere elektrische Leistung abgeben. Der Aufbau gemäß diesem Ausfüh­ rungsbeispiel verhindert wirksam, daß übermäßige Gasmengen unnötig den Brennstoffzellen 20 zugeführt werden. Dieser Auf­ bau verhindert ebenfalls, daß übermäßige Gasströmungen den Brennstoffzellen 20 zugeführt werden, um für die Veränderung des Zustands der Speicherbatterie 30 auf die Aufladungsbedin­ gung zu sorgen.
Der Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hält konti­ nuierlich die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen während des Betriebs des Energieversorgungssystems 10 auf den optimalen Pegeln. Eine andere mögliche Verarbeitung bestimmt die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen im Prinzip entsprechend der angeschlossenen Belastung. Lediglich wenn die Speicherbatterie 30 aufgeladen wird und deshalb die Ge­ fahr einer Verknappung der Gase in den Brennstoffzellen 20 besteht, korrigiert dieser Aufbau die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen entsprechend der Restladung der Spei­ cherbatterie 30. Dieser Aufbau ist nachstehend als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Wie gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel das an dem elektrischen Fahrzeug 15 ange­ brachte Energieversorgungssystem 10 betrachtet. Der Aufbau des Energieversorgungssystems 10 ist somit nachstehend nicht extra beschrieben.
Bei dem Energieversorgungssystem 10 gemäß dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel folgt die Steuerung der Gas zufuhr zu den Brenn­ stoffzellen 20 einer in einem Flußdiagramm gemäß Fig. 7 ge­ zeigten Verarbeitungsroutine bei Betrieb nach. Diese Routine wird durch die Zentraleinheit 52 bei vorbestimmten Zeitinter­ vallen, beispielsweise jede 1 s, nach dem Start des Energie­ versorgungssystems 10 durchgeführt.
Wenn das Programm in die Routine gemäß Fig. 7 eintritt, liest die Zentraleinheit 52 bei einem Schritt S300 zunächst die Ge­ samtgröße der Belastung, die elektrische Leistung aus dem Energieversorgungssystem 10 aufnimmt. Ein konkrete Verarbei­ tung mißt die durch den Motor 32 und die Hilfsmaschinerie 34 aufgenommene elektrische Leistung. Die jeweiligen Bestandtei­ le der Hilfsmaschinerie 34 nehmen bei Betrieb einen im we­ sentlichen fest eingestellten Betrag elektrischer Leistung auf. Die gesamte aufgenommene elektrische Leistung kann somit auf der Grundlage der Informationen bezüglich der sich gerade in Betrieb befindlichen Einrichtungen berechnet werden.
Die Zentraleinheit 52 bestimmt dann bei einem Schritt S310 die den Brennstoffzellen 20 zuzuführenden Gasmengen auf der Grundlage der eingegebenen Daten bezüglich der Gesamtgröße der Belastung. Eine konkrete Verarbeitung schätzt den ausge­ gebenen elektrischen Strom der Brennstoffzellen 20 auf der Grundlage einer Variation bei der Gesamtgröße der Belastung, die die Summe des Motors 32 und der Hilfsmaschinerie 34 ist, und bestimmt darauffolgend die den Brennstoffzellen 20 zuzu­ führenden Gasmengen auf der Grundlage des geschätzten ausge­ gebenen elektrischen Stroms.
Die Zentraleinheit 52 liest darauffolgend bei einem Schritt S320 die durch die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 er­ faßte Restladung der Speicherbatterie 30. Wie gemäß dem er­ sten und dem zweiten Ausführungsbeispiel weist das Energie­ versorgungssystem 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Aufladungszustands-Meßeinrichtung (ein SOC-Meter) als Restladungsüberwachungseinrichtung 42 auf. Die Aufladungszu­ stands-Meßeinrichtung bestimmt die gegenwärtige Restladung der Speicherbatterie 30 auf der Grundlage vergangener Daten bezüglich Aufladungs- und Entladungsbedingungen der Speicher­ batterie 30.
Das Programm schreitet dann zu einem Schritt S330 zur Bestim­ mung des Aufladungs- und Entladungszustands der Speicherbat­ terie 30 auf der Grundlage der bei dem Schritt S320 gelesenen Restladung und der bei dem Schritt S300 gelesenen Gesamtgröße der Belastung weiter. In dem Fall einer Bestimmung, daß die Speicherbatterie 30 sich in der Aufladungsbedingung befindet, berechnet die Zentraleinheit 52 die Gesamtgröße der elektri­ schen Leistung, von der erwartet wird, daß die Brennstoffzel­ len 20 diese abgeben, indem der Betrag der zum Aufladen der Speicherbatterie 30 erforderlichen elektrischen Leistung mit in Betracht gezogen wird, und korrigiert die bei dem Schritt S310 bestimmten Gasmengen. Bei einem nachfolgenden Schritt S350 gibt die Steuerungseinheit 50 Ansteuersignale an die je­ weiligen Bestandteile der Brennstoffzelleneinheit 60 aus und führt die bei dem Schritt S340 korrigierten Gasmengen den Brennstoffzellen 20 zu. Das Programm verläßt dann diese Rou­ tine.
In dem Fall einer Bestimmung bei dem Schritt S330, daß die Speicherbatterie 30 sich in der Entladungsbedingung befindet, das heißt, wenn erwartet wird, daß sowohl die Brennstoffzel­ len 20 als auch die Speicherbatterie 30 elektrische Leistung an die Belastung abgeben, gibt die Steuerungseinheit 50 An­ steuersignale an die jeweiligen Bestandteile der Brennstoff­ zelleneinheit 60 aus und führt bei dem Schritt S350 die bei dem Schritt S310 bestimmten Gasmengen den Brennstoffzellen 20 zu. Das Programm verläßt dann diese Routine.
Während die Speicherbatterie 30 wie gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel aufgeladen wird, korrigiert das Energieversor­ gungssystem 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die den Brennstoffzellen 20 zugeführten Gasmengen. Dieser Aufbau ver­ hindert wirksam, daß eine Abgabe elektrischer Leistung an die Speicherbatterie 30 eine Verknappung der Gase in den Brenn­ stoffzellen 20 bewirkt, die zu Problemen wie ein Spannungsab­ fall und eine teilweise Wärmeabgabe führen kann.
Gemäß allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Energieversorgungssystem an einem Fahrzeug angebracht und wird als Energiequelle zum Antrieb des Fahrzeugs verwen­ det. Die Belastung, an die das Energieversorgungssystem elek­ trische Leistung abgibt, ist jedoch nicht auf den Motor zum Antrieb des Fahrzeugs beschränkt. Der Aufbau gewährleistet ausreichende Mengen der den Brennstoffzellen bei einem Start oder während des Betriebs des Energieversorgungssystems zuge­ führten Gasen, wodurch dieselben Wirkungen wie diejenigen ge­ mäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausge­ übt werden. Dieser Aufbau führt die erforderlichen Gasmengen den Brennstoffzellen entsprechend der Größe der angeschlosse­ nen Belastung und der Restladung der Speicherbatterie zu, wo­ bei somit die Brennstoffzellen vor Problemen wie ein Span­ nungsabfall und eine teilweise Wärmeabgabe geschützt werden.
Wie vorstehend beschrieben, weist ein Energieversorgungssy­ stem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 20 und einer Spei­ cherbatterie 30 weist eine Restladungsüberwachungseinrichtung 42 zum Messen der Restladung der Speicherbatterie 30 auf. Zum Zeitpunkt des Startens des Energieversorgungssystems 10 er­ faßt die Restladungsüberwachungseinrichtung 42 die Restladung der Speicherbatterie 30. Das Energieversorgungssystem 10 schätzt den ausgegebenen elektrischen Strom der Brennstoff­ zellen 20 auf der Grundlage der beobachteten Restladung der Speicherbatterie 30 und eines für eine Hilfsmaschinerie 34 erforderlichen Betrags elektrischer Leistung und führt auf der Grundlage des geschätzten ausgegebenen elektrischen Stroms den Brennstoffzellen 20 erforderliche Gasmengen zu.

Claims (6)

1. Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzellensta­ pel (20) und einer Speicherbatterie (30), die zueinander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektri­ sche Leistung an die Belastung abgeben,
gekennzeichnet durch
eine Restladungsüberwachungseinrichtung (42) zur Erfas­ sung einer Restladung der Speicherbatterie (30),
einer Belastungsgröße-Erfassungseinrichtung zur Erfas­ sung einer Gesamtgröße der Belastung,
eine Aufladungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Spei­ cherbatterie (30) auf der Grundlage der Ergebnisse der Erfas­ sung durch die Restladungsüberwachungseinrichtung (42) und der Belastungsgröße-Erfassungseinrichtung,
eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer erforderlichen Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel (20) auf der Grundlage des durch die Aufladungs-/Entladungszustands- Schätzeinrichtung geschätzten Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie (30) und
eine Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten erforderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellen­ stapel.
2. Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzellensta­ pel (20) und einer Speicherbatterie (30), die zueinander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektri­ sche Leistung an die Belastung abgeben,
gekennzeichnet durch
eine Restladungsüberwachungseinrichtung (42) zur Erfas­ sung einer Restladung der Speicherbatterie (30),
eine Aufladungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Spei­ cherbatterie (30) zum Zeitpunkt des Startens des Energiever­ sorgungssystems (10) auf der Grundlage einer vorbestimmten Belastungsgröße, die die durch eine beim Start des Energie­ versorgungssystems angetriebene Maschinerie (34) aufgenommene elektrische Leistung darstellt, aus der Belastung und dem Er­ gebnis der Erfassung durch die Restladungsüberwachungsein­ richtung (42),
eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung, die, zumindest wenn die Speicherbatterie (30) sich in einer Aufla­ dungsbedingung befindet, eine erforderliche Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in den Brennstoffzellen­ stapel auf der Grundlage des durch die Aufladungs- /Entladungszustands-Schätzeinrichtung geschätzten Aufladungs- /Entladungszustand der Speicherbatterie bestimmt, und
eine Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten erforderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellen­ stapel.
3. Elektrisches Fahrzeug mit einem Motor, der durch elek­ trische Energie in Drehung versetzt wird, und einer Einrich­ tung zur Übertragung eines Drehmoments des Motors auf eine Achse, wodurch eine Antriebskraft für das Fahrzeug erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein daran angebrachtes Energieversorgungs-System (10) aufweist, wobei das Energieversorgungssystem ei­ nen einen Brennstoffzellenstapel (20) und eine Speicherbatte­ rie (30) aufweist, die zueinander und ebenfalls zu einer den Motor (32) aufweisenden Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektrische Leistung an die Belastung abgeben und das Ener­ gieversorgungssystem (10),
eine Restladungsüberwachungseinrichtung (42) zur Erfas­ sung einer Restladung der Speicherbatterie (30),
eine Belastungsgröße-Erfassungseinrichtung zur Erfassung, einer Gesamtgröße der Belastung,
eine Aufladungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Spei­ cherbatterie (30) auf der Grundlage der Ergebnisse der Erfas­ sung durch die Restladungsüberwachungseinrichtung (42) und der Belastungsgröße-Erfassungseinrichtung,
eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer erforderlichen Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel (20) auf der Grundlage des durch die Aufladungs-/Entladungszustands- Schätzeinrichtung geschätzten Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie (30) und
eine Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten erforderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellen­ stapel aufweist.
4. Elektrisches Fahrzeug mit einem Motor, der durch elek­ trische Energie in Drehung versetzt wird, und einer Einrich­ tung zur Übertragung eines Drehmoments des Motors auf eine Achse, wodurch eine Antriebskraft für das Fahrzeug erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Fahrzeug ein daran angebrachtes Energieversorgungs­ system (10) aufweist, wobei das Energieversorgungssystem ei­ nen Brennstoffzellenstapel (20) und eine Speicherbatterie (30), die zueinander und ebenfalls zu einer den Motor (32) aufweisenden Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatterie elektrische Leistung an die Belastung abgeben und das Energieversorgungs­ system (10),
eine Restladungsüberwachungseinrichtung (42) zur Erfas­ sung einer Restladung der Speicherbatterie (30),
eine Aufladungs-/Entladungszustands-Schätzeinrichtung zum Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Spei­ cherbatterie (30) zum Zeitpunkt des Startens des Energiever­ sorgungssystems (10) auf der Grundlage einer vorbestimmten Belastungsgröße, die die durch eine beim Start des Energie­ versorgungssystems angetriebene Maschinerie (34) aufgenommene elektrische Leistung darstellt, aus der Belastung und dem Er­ gebnis der Erfassung durch die Restladungsüberwachungsein­ richtung (42),
eine Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung, die, zumindest wenn die Speicherbatterie (30) sich in einer Aufla­ dungsbedingung befindet, eine erforderliche Menge eines Brennstoffs für die Energieerzeugung in den Brennstoffzellen­ stapel auf der Grundlage des durch die Aufladungs-/Entla­ dungszustands-Schätzeinrichtung geschätzten Aufladungs-/Ent­ ladungszustand der Speicherbatterie bestimmt, und
eine Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr der durch die Brennstoffmengenzufuhr-Bestimmungseinrichtung bestimmten erforderlichen Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellen­ stapel aufweist.
5. Verfahren bei einem Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Speicherbatterie, die zuein­ ander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatte­ rie elektrische Leistung an die Belastung abgeben, zur Steue­ rung einer Menge eines dem Brennstoffstapel zur Energieerzeu­ gung zugeführten Brennstoffs,
gekennzeichnet durch die Schritte
  • (a) Erfassen einer Restladung der Speicherbatterie,
  • (b) Erfassen einer Gesamtgröße der Belastung,
  • (c) Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustands der Speicherbatterie (30) auf der Grundlage der bei dem Schritt (a) erfaßten Restladung und der bei dem Schritt (b) erfaßten Gesamtgröße der Belastung,
  • (d) Bestimmen einer erforderlichen Menge des Brennstoffs zur Energieerzeugung in den Brennstoffzellen (20) auf der Grundlage des bei dem Schritt (c) geschätzten Aufladungs- /Entadungszustands der Speicherbatterie und
  • (e) Zuführen der erforderlichen bei dem Schritt (d) be­ stimmten Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel.
6. Verfahren bei einem Energieversorgungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Speicherbatterie, die zuein­ ander und ebenfalls zu einer Belastung parallel geschaltet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Speicherbatte­ rie elektrische Leistung an die Belastung abgeben, zur Steue­ rung einer Menge eines dem Brennstoffstapel zur Energieerzeu­ gung zugeführten Brennstoffs,
gekennzeichnet durch die Schritte
  • (a) Erfassen einer Restladung der Speicherbatterie,
  • (b) Schätzen eines Aufladungs-/Entladungszustand der Speicherbatterie (30) zum Startzeitpunkt des Energieversor­ gungssystems (10) auf der Grundlage einer vorbestimmten Bela­ stungsgröße, die eine durch eine zum Startzeitpunkt des Ener­ gieversorgungssystems (10) angetrieben Maschinerie aufgenom­ mene Leistung entspricht, aus der Belastung und der bei dem Schritt (a) erfaßten Restladung,
  • (c) Bestimmen einer erforderlichen Menge des Brennstoffs zur Energieerzeugung in dem Brennstoffzellen (20) auf der Grundlage des bei dem Schritt (b) geschätzten Aufladungs- /Entladungszustands der Speicherbatterie, zumindest wenn sich die Speicherbatterie (30) in einer Aufladungsbedingung befin­ det, und
  • (d) Zuführen der erforderlichen bei dem Schritt (c) be­ stimmten Menge des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel.
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