DE102015119442B4

DE102015119442B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015119442B4
Application number: DE102015119442.2A
Authority: DE
Inventors: Masashi TOIDA; Yoshiaki Naganuma; Tomohiro Ogawa; Tsuyoshi Maruo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: KR20160058000A; US20160141685A1; CA2911573A1; JP2016096072A; CA2911573C; CN105609811B; KR101829509B1; JP6237585B2; US9941532B2; DE102015119442A1; CN105609811A

Abstract

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (100), umfassend:einen Schritt (S10) zum Erfassen einer Starttemperatur einer Brennstoffzelle (20) beim Starten der Brennstoffzelle (20) ;einen Schritt (S30) zum Starten eines Aufwärmbetriebs der Brennstoffzelle (20), wenn die erfasste Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als eine erste vorgegebene Temperatur ist, wobei der Aufwärmbetrieb einen Heizwert der Brennstoffzelle (20) erhöht;einen Schritt (S40) zum Bestimmen, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur; undeinen Schritt (S50) zum Starten einer Abgassteuerung (S120, S130), wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder unter dem zweiten vorgegebenen Wert ist und die Temperatur der Brennstoffzelle (20) einen Ende-Schwellenwert des Aufwärmbetriebs erreicht, um eine Strömungsrate eines Abgases, das in einen strömungswegbildenden Abschnitt strömt, der zumindest einen Teil eines Strömungswegs des Abgases der Brennstoffzelle (20) bildet, auf eine Strömungsrate zu steuern, die im Vergleich zur Strömungsrate beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle (20) eingeschränkt ist, und die Temperatur der Brennstoffzelle zu erhöhen.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem.
VERWANDTE TECHNIK
Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, im Folgenden einfach als „Brennstoffzelle“ bezeichnet, gibt eine große Menge an Feuchtigkeit ab, die in ihrem Inneren infolge einer Leistungserzeugungsreaktion erzeugt wird. Was ein Brennstoffzellensystem betrifft, so werden verschiedene Technologien vorgeschlagen zur Verhinderung einer Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems aufgrund eines Gefrierens von im Brennstoffzellensystem zurückbleibender Feuchtigkeit in einer Niedertemperaturumgebung, wie unterhalb des Eispunkts, wie beispielsweise in JP 2010-282823 A offenbart.
KURZFASSUNG
Gemäß der Technik, die in JP 2010-282823 A offenbart ist, wird die Verschlechterung der Startleistung eines Systems wegen des Gefrierens von zurückgebliebener Feuchtigkeit dadurch verhindert, dass der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb einer Brennstoffzelle bestimmt wird und dann die Bedingungen des Spülens der Brennstoffzelle und der Startmodus der Brennstoffzelle unterhalb des Eispunkts abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt umgeschaltet werden. Jedoch haben die Erfinder herausgefunden, dass in einer Niedertemperaturumgebung das Gefrieren nicht nur der Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle vor dem Starten zurückgeblieben ist, sondern auch der Feuchtigkeit, die während des Startens in der Brennstoffzelle erzeugt wird, zu einer Verschlechterung der Startleistung des Systems führen kann. Es besteht nach wie vor Verbesserungsbedarf an der Technik zur Verhinderung einer Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems in einer Niedertemperaturumgebung.
Aus der DE 11 2005 000 061 T5 ist Brennstoffzellensystem bekannt, aufweisend eine mit einer Elektrolytmembran ausgestattete Brennstoffzelle, einen Zirkulationsdurchlass, durch den das von einer Kathode der Brennstoffzelle ausgelassene Kathodenabgas zu einem Durchlass zum Zuführen eines sauerstoffenthaltenden Gases zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, eine Strömungssteuereinheit, die eine Strömung des Kathodenabgases in dem Zirkulationsdurchlass steuert, eine Stoppsteuereinheit, die die Strömung des Kathodenabgases in dem Zirkulationsdurchlass stoppt, indem die Steuereinheit gesteuert wird, wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt ist, und eine Startsteuereinheit, die die Strömungssteuereinheit nach dem Starten des Brennstoffzellensystems steuert, bis die Brennstoffzelle in einen vorbestimmten Betriebszustand gebracht ist, um die Strömung des Kathodenabgases in dem Zirkulationsdurchlass in einem gestoppten Zustand zu halten. Die DE 11 2008 000 649 T5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die ein Reaktionsgas zur Erzeugung einer Leistung empfängt; einer Reaktionsgasversorgungsvorrichtung, die das Reaktionsgasgas der Brennstoffzelle zuführt; einer Aufwärmvorrichtung, die die Brennstoffzelle durch eine Betriebsweise mit im Vergleich zum Normalbetrieb geringem Wirkungsgrad aufheizt; und eine Steuervorrichtung, die die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle reduziert, während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einem fixen Wert gehalten wird, wenn ein Leistungserzeugungsbefehlswert für die Brennstoffzelle abnimmt, während die Betriebsweise mit geringem Wirkungsgrad durchgeführt wird und wenn die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle derart gesteuert werden kann, dass sie der Abnahme des Leistungserzeugungsbefehlswerts folgt. Hierbei ist die Steuervorrichtung so gestaltet ist, dass sie die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle steuert und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, wodurch eine den Leistungserzeugungsbefehlswert übersteigende Überschußleistung in eine Kapazitätskomponente der Brennstoffzelle geladen wird, wenn die Zufuhr des Reaktionsgases nicht derart gesteuert werden kann, dass sie der Abnahme des Leistungserzeugungsbefehlswerts folgt. Ein weiteres Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem ist Gegenstand der JP 2006-134695 A .
Um zumindest einen Teil des Problems in einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem zu lösen, kann die vorliegende Erfindung in den nachstehend beschriebenen Aspekten verwirklicht werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Das Steuerverfahren enthält einen Schritt zum Erfassen einer Starttemperatur der Brennstoffzelle beim Starten der Brennstoffzelle, einen Schritt zum Starten eines Aufwärmbetriebs der Brennstoffzelle, wenn die erfasste Starttemperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger als eine erste vorgegebene Temperatur ist, wobei der Aufwärmbetrieb einen Heizwert der Brennstoffzelle erhöht, eine Schritt zum Bestimmen, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle gleich oder unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur, und einen Schritt zum Starten einer Abgassteuerung, wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle gleich oder unter dem zweiten vorgegebenen Wert ist und die Temperatur der Brennstoffzelle einen Ende-Schwellenwert des Aufwärmbetriebs erreicht, um eine Strömungsrate eines Abgases, das in einen strömungswegbildenden Abschnitt strömt, der zumindest einen Teil eines Strömungswegs des Abgases der Brennstoffzelle bildet, auf eine Strömungsrate zu steuern, die im Vergleich zur Strömungsrate beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle eingeschränkt ist, und die Temperatur der Brennstoffzelle zu erhöhen. Gemäß dem Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems in diesem Aspekt wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts wegen Wasserdampfs, der im Abgas enthalten ist, unterdrückt, weil die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, in einer Niedertemperaturumgebung begrenzt wird. Daher wird die Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems in einer Niedertemperaturumgebung unterdrückt.
In dem Steuerverfahren des oben genannten Aspektes kann der Abgassteuerungsschritt einen Schritt beinhalten, bei dem die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, entsprechend der Starttemperatur eingestellt wird. Gemäß dem Steuerverfahren dieses Aspektes wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts durch den Wasserdampf, der im Abgas enthalten ist, noch mehr verhindert.
In dem Steuerverfahren des oben genannten Aspektes kann der Abgassteuerungsschritt einen Schritt beinhalten, bei dem die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, auf einen für den Messwert der Starttemperatur der Brennstoffzelle zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases auf der Basis einer zuvor aufgestellten Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle und dem zulässigen Wert für die Strömungsrate des Abgases eingestellt wird, wobei der zulässige Wert auf Basis einer im Abgas enthalten Wasserdampfmenge, die bei der Temperatur der Brennstoffzelle im Abgas enthalten ist, vorgegeben wird. Gemäß dem Steuerverfahren dieses Aspektes wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts durch den Wasserdampf, der im Abgas enthalten ist, noch mehr verhindert.
Der oben genannte Aspekt des Steuerverfahrens kann ferner aufweisen: einen Strömungswegtemperaturerfassungsschritt, bei dem ein Wert erfasst wird, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt; und einen Beschränkungsaufhebungsschritt, bei dem die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases aufgehoben wird, wenn der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, über einen vorgegebenen Wert steigt. Gemäß dem Steuerverfahren dieses Aspektes kann die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases aufgehoben werden, wenn die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts einen Wert erreicht, wo die Möglichkeit eines Einfrierens geringer ist und daher die Verschlechterung des Wirkungsgrads des Systems wegen der Beschränkung der Strömungsrate des Abgases unterdrückt ist.
In dem Steuerverfahren des oben genannten Aspektes kann der Strömungswegtemperaturerfassungsschritt einen Schritt beinhalten, bei dem der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, auf Basis der Strömungsrate und der Temperatur der Brennstoffzelle erfasst wird. Gemäß dem Steuerverfahren dieses Aspektes kann eine direkte Messung der Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts weggelassen werden, was sich als wirksam erweist.
In dem Steuerverfahren des oben genannten Aspektes kann der strömungswegbildende Abschnitt eine Umwälzpumpe aufweisen zum Umwälzen des Abgases zur Brennstoffzelle, und der Abgassteuerungsschritt kann einen Schritt beinhalten, bei dem die Strömungsrate des Abgases durch die Drehzahl der Umwälzpumpe gesteuert wird. Gemäß dem Steuerverfahren dieses Aspektes wird die Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems wegen des Einfrierens der Umwälzpumpe in einer Niedertemperaturumgebung unterdrückt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, eine Temperaturerfassungseinrichtung, eine Zuführeinheit zum Zuführen von Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle, eine Abgasaufbereitungseinheit und eine Steuereinrichtung aufweisen. Die Temperaturerfassungseinrichtung erfasst eine Temperatur der Brennstoffzelle. Die Abgasaufbereitungseinheit beinhaltet einen strömungswegbildenden Abschnitt, der zumindest einen Teil des Strömungswegs des Abgases der Brennstoffzelle bildet. Die Steuereinrichtung kann die Zuführeinheit und die Abgasaufbereitungseinheit steuern, um einen Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern. Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, um eine Starttemperatur der Brennstoffzelle beim Starten der Brennstoffzelle zu erfassen, um einen Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle auszuführen, wenn die Starttemperatur gleich oder niedriger als eine erste vorgegebene Temperatur beim Start der Brennstoffzelle ist, wobei der Aufwärmbetrieb einen Heizwert der Brennstoffzelle erhöht, um zu bestimmen, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle gleich oder unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur, und um eine Strömungsbegrenzungssteuerung auszuführen, die, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle beim Starten der Brennstoffzelle unter dem zweiten einem vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur, und die Temperatur der Brennstoffzelle einen Ende-Schwellenwert während des Aufwärmbetriebs erreicht, eine Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, auf eine Strömungsrate zu steuern, die im Vergleich zur Strömungsrate im Normalbetrieb der Brennstoffzelle beschränkt ist, und die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht. Gemäß dem Brennstoffzellensystems dieses Aspektes wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts wegen des Wasserdampfs, der im Abgas enthalten ist, unterdrückt, weil die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, in einer Niedertemperaturumgebung begrenzt wird. Daher wird die Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems in einer Niedertemperaturumgebung unterdrückt.
In dem Brennstoffzellensystem des oben genannten Aspektes kann die Strömungsbegrenzungssteuerung die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, entsprechend der Starttemperatur einstellen. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspektes wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts wegen des Wasserdampfs, der im Abgas enthalten ist, noch mehr verhindert.
In dem Brennstoffzellensystem des oben genannten Aspektes ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, um einen für die Starttemperatur der Brennstoffzelle zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases auf der Basis einer zuvor aufgestellten Beziehung zwischen der Starttemperatur der Brennstoffzelle und dem zulässigen Wert für die Strömungsrate des Abgases zu erfassen, und die Strömungsrate des Abgases auf den zulässigen Wert einzustellen; wobei der zulässige Wert auf Basis der im Abgas enthalten Wasserdampfmenge, die bei der Temperatur der Brennstoffzelle im Abgas enthalten ist, vorgegeben wird. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspektes wird das Einfrieren des strömungswegbildenden Abschnitts wegen des Wasserdampfs, der im Abgas enthalten ist, noch mehr verhindert.
Das Brennstoffzellensystem des oben genannten Aspektes kann ferner aufweisen: eine Strömungswegtemperaturerfassungseinrichtung, die einen Wert erfasst, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt; und die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, um die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases in der Strömungsbegrenzungssteuerung aufzuheben, wenn der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, während der Strömungsbegrenzungssteuerung über einen vorgegebenen Wert steigt. Gemäß dem Steuersystem dieses Aspektes wird die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases aufgehoben, wenn die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts einen Wert erreicht, wo die Möglichkeit eines Einfrierens geringer ist und daher wird die Verschlechterung des Wirkungsgrads des Systems wegen der Beschränkung der Strömungsrate des Abgases unterdrückt.
In dem Brennstoffzellensystem des oben genannten Aspektes kann die Strömungswegtemperaturerfassungseinrichtung den Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, auf Basis der Strömungsrate des Abgases und der Temperatur der Brennstoffzelle erfassen. Gemäß dem Brennstoffzellensystem, das so ausgebildet ist, kann eine direkte Messung der Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts weggelassen werden, was sich als wirksam erweist.
In dem Brennstoffzellensystem des oben genannten Aspektes kann die Abgasaufbereitungseinheit eine Umwälzpumpe als den strömungswegbildenden Abschnitt beinhalten und durch die Umwälzpumpe das Abgas zur Brennstoffzelle umwälzen; und die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, um die Strömungsrate des Abgases durch die Drehzahl der Umwälzpumpe steuern. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspektes wird die Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems wegen des Einfrierens der Umwälzpumpe in einer Niedertemperaturumgebung unterdrückt.
Nicht alle von der Mehrzahl der Komponenten jedes der oben beschriebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung sind nötig, und um einige oder alle von den oben beschriebenen Problemen zu lösen oder um einige oder alle von den oben beschriebenen Wirkungen zu erhalten, können manche von der Mehrzahl der Komponenten nach Bedarf geändert, weggelassen, mit anderen, neuen Komponenten ersetzt werden, oder einige von den beschränkten Inhalten können weggelassen werden. Um einige oder alle von den oben beschriebenen Problemen zu lösen oder um einige oder alle von den oben beschriebenen Wirkungen zu erhalten, können einige oder alle von den in einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen technischen Eigenschaften mit einigen oder allen von den technischen Eigenschaften kombiniert werden, die in den oben beschriebenen anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung enthalten sind, wodurch eine unabhängige Ausbildung der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch durch verschiedene Ausführungsformen außer einem Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems und einem Brennstoffzellensystem implementiert werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in Ausführungsformen wie einem mobilen Objekt, an dem ein Brennstoffzellensystem angebaut ist, einem Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, einem Verfahren zum Steuern einer Umwälzpumpe, einem Verfahren zum Aufbereiten eines Abgases einer Brennstoffzelle und einem nicht-transitorischen Aufzeichnungsmedium, in dem ein solches Computerprogramm aufgezeichnet ist, implementiert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Gestaltung eines Brennstoffzellensystems zeigt;
2 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf einer Betriebssteuerung während des Startens eines Brennstoffzellensystems zeigt;
3 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf einer Abgassteuerung zeigt;
4 ist eine erläuternde Skizze, die ein Beispiel für ein Pumpendrehzahlkennfeld zeigt;
5 ist eine erläuternde Skizze, die ein Beispiel für zeitbezogene Änderungen einer Temperatur einer Brennstoffzelle und einer Temperatur einer Wasserstoffpumpe während eines Startens unterhalb des Eispunkts und ein Beispiel für zeitbezogene Änderungen einer Drehzahl der Wasserstoffpumpe zeigt;
6 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf eines Pumpentemperaturerfassungsprozesses zeigt; und
7 ist eine erläuternde Skizze, die ein Beispiel für ein Pumpentemperaturanstiegsratenkennfeld zeigt.

BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
Ausführungsform:
A1. Gestaltung eines Brennstoffzellensystems:
1 ist eine Skizze, die eine Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist an einem Brennstoffzellenfahrzeug angebaut und gibt die Leistung aus, die gemäß einer Anforderung von einem Fahrer als Antriebsleistung verwendet werden soll. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Steuereinrichtung 10, eine Brennstoffzelle 20, eine Kathodengas-Zufuhr- und -Abfuhreinheit 30, eine Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 und eine Kühlmedium-Zufuhreinheit 70 auf.
Die Steuereinrichtung 10 wird von einem Mikrocomputer mit einer zentralen Verarbeitungseinheit und einer Hauptspeichereinheit gebildet, und die Steuereinrichtung 10 erfüllt verschiedene Funktionen durch Lesen und Ausführen von Programmen auf der Hauptspeichereinheit. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 führt die Steuereinrichtung 10 eine Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 20 durch Steuern jedes nachstehend beschriebenen Gestaltungsabschnitts durch und erzeugt elektrische Leistung gemäß einer Ausgabeanforderung an die Brennstoffzelle 20. Die Steuereinrichtung 10 weist ferner eine Funktion zum Ausführen einer Abgassteuerung auf zum Steuern einer Verschlechterung der Systemstartleistung infolge eines Gefrierens des Wasserdampfs, der im Abgas der Brennstoffzelle 20 enthalten ist. Außerdem weist die Steuereinrichtung 10 eine Funktion einer Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 auf zum Erfassen einer Pumpentemperatur, bei der es sich um einen Parameter handelt, der die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 während einer Abgassteuerung ausdrückt. Die Abgassteuerung und die von der Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 während der Abgassteuerung ausgeführte Verarbeitung werden weiter unten beschrieben.
Die Brennstoffzelle 20 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die Leistung dadurch erzeugt, dass sie Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) als Reaktionsgas aufnimmt. Die Brennstoffzelle 20 weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine Mehrzahl von Einheitszellen 21 gestapelt sind. Jede Einheitszelle 21 ist ein Leistungserzeugungselement, das individuell Leistung erzeugt, und beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung, bei der es sich um einen Leistungserzeuger handelt, bei dem Elektroden an beiden Oberflächen einer Elektrolytfolie angeordnet sind, und zwei (in der Figur nicht dargestellte) Separatoren, die von zwei Seiten an der Membranelektrodenanordnung anliegen. Die Elektrolytfolie wird von einer Festpolymerdünnschicht gebildet, die im nassen Zustand, wenn sie in ihrem Inneren Feuchtigkeit enthält, eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit zeigt.
Die Kathodengas-Zufuhr- und -Abfuhreinheit 30 dient zum Zuführen von Kathodengas zur Brennstoffzelle 20 und zum Abführen des Kathodenabgases und von Abwasser, die aus der Kathode der Brennstoffzelle 20 aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen abgeführt werden. Die Kathodengas-Zufuhr- und -Abfuhreinheit 30 weist eine Kathodengasleitung 31, einen Luftverdichter 32, einen Luftströmungsmesser 33 und ein Auf-Zu-Ventil 34 stromaufwärts von der Brennstoffzelle 20 auf. Die Kathodengasleitung 31 ist mit einem Einlass des Gasströmungswegs auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 verbunden. Der Luftverdichter 32 ist über die Kathodengasleitung 31 mit der Brennstoffzelle 20 verbunden und liefert die Luft, die von außen aufgenommen und verdichtet wird, als Kathodengas an die Brennstoffzelle 20.
Der Luftströmungsmesser 33 misst die Menge der Außenluft, die vom Luftverdichter 32 aufgenommen wird, stromaufwärts vom Luftverdichter 32 und schickt den Messwert an die Steuereinrichtung 10. Dadurch, dass sie den Luftverdichter 32 auf Basis des Messwerts ansteuert, steuert die Steuereinrichtung 10 die Menge der Luft, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird. Das Auf-Zu-Ventil 34 ist zwischen dem Luftverdichter 32 und der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Das Auf-Zu-Ventil 34 nimmt normalerweise eine geschlossene Stellung ein und öffnet sich, wenn Luft mit einem vorgegebenen Druck vom Luftverdichter 32 zur Kathodengasleitung 31 geliefert wird.
Die Kathodengas-Zufuhr- und -Abfuhreinheit 30 weist eine Kathodenabgasleitung 41, ein Druckregulierungsventil 43 und einen Druckmessabschnitt 44 stromabwärts von der Brennstoffzelle 20 auf. Die Kathodenabgasleitung 41 ist mit einem Auslass des Gasströmungswegs auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 verbunden und leitet das Kathodenabgas und das Abwasser, um sie aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen abzuführen. Das Druckregulierungsventil 43 passt den Druck des Kathodenabgases in der Kathodenabgasleitung 41 an. Das heißt, das Druckregulierungsventil 43 passt den Gegendruck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 an. Der Druckmessabschnitt 44 ist stromaufwärts vom Druckregulierungsventil vorgesehen, misst den Druck des Kathodenabgases und schickt den Messwert an die Steuereinrichtung 10. Die Steuereinrichtung 10 passt die Öffnung des Druckregulierungsventils 43 auf Basis des Messwerts des Druckmessabschnitts 44 an.
Die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 weist eine Funktion zum Zuführen von Anodengas zur Brennstoffzelle 20 auf. Darüber hinaus dient die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 zum Abführen des Anodenabgases und des Abwassers, die aus der Anode der Brennstoffzelle 20 abgeführt werden, aus dem Brennstoffzellensystem 100 und zum Umwälzen des Anodengases innerhalb des Brennstoffzellensystems 100. Die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 entspricht einem untergeordneten Konzept der Abgasaufbereitungseinheit in der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden strömt das Anodenabgas in die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50, und jeder Gestaltungsabschnitt, der den Strömungsweg des Anodenabgases bildet, wird auch als „abgasströmungswegbildender Abschnitt“ bezeichnet. Genauer sind die einzelnen Leitungen 51, 61 und 63 der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50, die weiter unten beschrieben werden, der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 und die Wasserstoffpumpe 64 im abgasströmungswegbildenden Abschnitt der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 enthalten. Man beachte, dass zusätzlich zu den nachstehend beschriebenen Komponenten ein Filterabschnitt und ein Ventil, durch die das Anodenabgas einströmt, ebenfalls als gasströmungswegbildende Abschnitte in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 enthalten sein können.
Die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 weist eine Anodengasleitung 51, einen Wasserstofftank 52, ein Auf-Zu-Ventil 53, einen Regler 54, eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und einen Druckmessabschnitt 56 stromaufwärts von der Brennstoffzelle 20 auf. Unter hohem Druck stehender Wasserstoff wird in den Wasserstofftank 52 gefüllt, um die Brennstoffzelle 20 zu beliefern. Der Wasserstofftank 52 ist über die Anodengasleitung 51 mit dem Einlass des Gasströmungswegs auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 20 verbunden.
Das Auf-Zu-Ventil 53, der Regler 54, die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und der Druckmessabschnitt 56 sind in dieser Reihenfolge von der Seite, wo sich der Wasserstofftank 52 befindet, das heißt von der in Strömungsrichtung oberen Seite, in der Anodengasleitung 51 vorgesehen. Durch Steuern des Öffnens und Schließens des Auf-Zu-Ventils 53 steuert die Steuereinrichtung den Zustrom des Wasserstoffs aus dem Wasserstofftank 52 zur Seite stromaufwärts von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55. Der Regler 54 ist ein Druckreduzierungsventil zum Anpassen des Wasserstoffdrucks stromaufwärts von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55, und seine Öffnung wird durch die Steuereinrichtung 10 gesteuert. Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 wird beispielsweise von einem Injektor gebildet, bei dem es sich um ein magnetspulenbetriebenes Auf-Zu-Ventil handelt. Der Druckmessabschnitt 56 misst den Wasserstoffdruck stromabwärts von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und schickt den Messwert an die Steuereinrichtung 10. Durch Steuern des Ansteuerungszyklus, der die Öffnungs- und Schließungszeiten der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 ausdrückt, auf Basis des Messwerts des Druckmessabschnitts 56 steuert die Steuereinrichtung 10 die Wasserstoffmenge, die zur Brennstoffzelle 20 geliefert wird.
Die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 weist eine Anodengasleitung 61, einen Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62, eine Anodengasumwälzleitung 63, eine Wasserstoffpumpe 64, eine Anodenablaufleitung 65 und ein Ablaufventil 66 auf der Seite stromabwärts von der Brennstoffzelle 20 auf. Die Anodenabgasleitung 61 ist mit dem Auslass der Anodenseite der Brennstoffzelle 20 und mit dem Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 verbunden.
Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 ist mit der Anodengasumwälzleitung 63 und der Anodenablaufleitung 65 verbunden. Das Anodenabgas, das durch die Anodenabgasleitung 61 in den Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 strömt, wird vom Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 in die Gaskomponente und die Wasserkomponente getrennt. Im Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 wird die Gaskomponente des Anodenabgases in die Anodengasumwälzleitung 63 kanalisiert, und die Wasserkomponente wird in die Anodenablaufleitung 65 kanalisiert.
Die Anodengasumwälzleitung 63 ist stromabwärts von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 der Anodengasleitung 51 angeschlossen. Die Wasserstoffpumpe 64 ist in der Anodengasumwälzleitung 63 vorgesehen. Die Wasserstoffpumpe 64 dient als Umwälzpumpe, die den Wasserstoff, der in der vom Gas-Flüssigkeit-Abscheider 62 abgeschiedenen Gaskomponente enthalten ist, in die Anodengasleitung 51 speist. Die Wasserstoffpumpe 64 weist einen Wertgeber 64e auf. Die Steuereinrichtung 10 kann den tatsächlichen Messwert der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 während der Ansteuerung durch den Wertgeber 64e erfassen. Die Steuereinrichtung 10 führt eine Rückkopplungsregelung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 auf der Basis der Solldrehzahl und des tatsächlichen Messwerts der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 durch. Darüber hinaus verwendet die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 der Steuereinrichtung 10 den tatsächlichen Messwert der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 zur Erfassung der Pumpentemperatur, wie weiter unten beschrieben wird.
Das Ablaufventil 66 ist in der Anodenablaufleitung 65 vorgesehen. Das Ablaufventil 66 öffnet und schließt sich unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10. Die Steuereinrichtung 10 hält das Ablaufventil 66 normalerweise in der geschlossenen Stellung und öffnet das Ablaufventil 66 zu einer vorgegebenen Entwässerungszeit oder zu einer Abfuhrzeit für das Edelgas, das im Anodenabgas enthalten ist. Die vorgegebene Entwässerungszeit und die Abfuhrzeit des Edelgases werden vorab eingestellt. Das stromabwärtige Ende der Anodenablaufleitung 65 mischt das anodenseitige Abwasser und das Anodenabgas mit dem kathodenseitigen Abwasser und dem Kathodenabgas und leitet sie in die Kathodenabgasleitung 41 ein, so dass sie abgeführt werden können (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Die Kühlmedium-Zufuhreinheit 70 weist eine Kühlmediumleitung 71, einen Kühler 72, eine Umwälzpumpe 75 und zwei Temperaturmessabschnitte 76a und 76b auf. Die Kühlmediumleitung 71 ist eine Leitung zum Umwälzen des Kühlmediums zum Kühlen der Brennstoffzelle 20 und wird von einer Leitung 71a auf der in Strömungsrichtung oberen Seite und einer Leitung 71b auf der in Strömungsrichtung unteren Seite gebildet. Die Leitung 71a auf der in Strömungsrichtung oberen Seite verbindet den Auslass des Kühlmediumströmungswegs innerhalb der Brennstoffzelle 20 mit dem Einlass des Kühlers 72. Die Leitung 71b auf der in Strömungsrichtung unteren Seite verbindet den Einlass der Brennstoffzelle 20 mit dem Auslass des Kühlers 72.
Der Kühler 72 weist ein Gebläse auf zum Ansaugen von Außenluft, das das Kühlmedium durch den Wärmetausch zwischen der Kühlmediumleitung 71 und der Außenluft kühlt. Die Umwälzpumpe 75 ist in der Leitung 71b auf der in Strömungsrichtung unteren Seite vorgesehen und wird auf Basis eines Befehls von der Steuereinrichtung 10 angetrieben. Das Kühlmedium strömt innerhalb der Kühlmediumleitung 71 wegen der Antriebskraft der Umwälzpumpe 75.
Der erste Temperaturmessabschnitt 76a ist in der Leitung 71a auf der in Strömungsrichtung oberen Seite vorgesehen, und der zweite Temperaturmessabschnitt 76b ist in der Leitung 71b auf der in Strömungsrichtung unteren Seite unteren Seite vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Steuereinrichtung 10 jeweils die Kühlmediumtemperatur in den Leitungen 71a und 71b durch die beiden Temperaturmessabschnitte 76a und 76b und erfasst die Temperatur der Brennstoffzelle 20 aus der jeweiligen Kühlmediumtemperatur der Leitungen 71a und 71b. Die Steuereinrichtung 10 steuert die Temperatur der Brennstoffzelle 20 durch Steuern der Drehzahl der Umwälzpumpe 75 auf der Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 20. Die Temperatur der Brennstoffzelle 20, die von den beiden Temperaturmessabschnitten 76a und 76b erfasst wird, wird für die Abgassteuerung durch die Steuereinrichtung 10 und die Erfassung der Pumpentemperatur durch die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 verwendet, wie weiter unten beschrieben wird. Die beiden Temperaturmessabschnitte 76a und 76b entsprechen einem untergeordneten Konzept der Temperaturerfassungseinrichtung in der vorliegenden Erfindung. Jedoch kann der zweite Temperaturmessabschnitt 76b weggelassen werden, und die Temperatur der Brennstoffzelle 20 kann auch nur durch den Messwert des ersten Temperaturmessabschnitts 76a erfasst werden.
Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Sekundärzelle und einen (in der Zeichnung nicht dargestellten) Gleichspannungswandler auf. Die Sekundärzelle speichert die elektrische Leistung oder die regenerative Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wird, und dient zusammen mit der Brennstoffzelle 20 als Leistungsquelle. Der Gleichspannungswandler kann das Laden und Entladen der Sekundärzelle und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 steuern.
A2. Betriebssteuerung während des Startens des Brennstoffzellensystems
2 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf einer Betriebssteuerung während des Startens des Brennstoffzellensystems zeigt; Das Brennstoffzellensystem 100 startet, wenn die Zündung-EIN-Betätigung des Brennstoffzellenfahrzeugs vom Fahrer durchgeführt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem 100 startet, wird die Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle 20 durch die Kathodengas-Zufuhr- und -Abfuhreinheit 30 und die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10 gestartet, und die Erzeugung von Leistung in der Brennstoffzelle 20 wird gestartet. Die Steuereinrichtung 10 führt die nachstehend beschriebene Betriebssteuerung aus.
In Schritt S10 erfasst die Steuereinrichtung 10 die aktuelle Temperatur der Brennstoffzelle, das heißt die Temperatur der Brennstoffzelle 20 zur Zeit ihres Starts (die Starttemperatur) auf der Basis des Messergebnisses der beiden Temperaturmessabschnitte 76a und 76b der Kühlmediumzufuhrleitung 70. Wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 über einer ersten vorgegebenen Schwellentemperatur liegt, bestimmt die Steuereinrichtung 10, dass ein Aufwärmen der Brennstoffzelle 20 nicht nötig ist, und geht direkt zu einer Normalbetriebssteuerung über, wie vom Pfeil NEIN von Schritt S20 dargestellt ist. Zum Beispiel kann die erste vorgegebene Schwellentemperatur 5 bis 10 °C betragen. Die erste Schwellentemperatur kann eine Temperatur sein, die vorab durch Versuche als Temperatur bestimmt wird, die nahe am Eispunkt liegt, bei dem die Gefahr besteht, dass Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 20 gefriert.
Wenn dagegen die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 bei oder unter der ersten vorgegebenen Schwellentemperatur liegt, dann bestimmt die Steuereinrichtung 10, wie von dem JA-Pfeil von Schritt S20 gezeigt, dass ein Aufwärmen der Brennstoffzelle 20 nötig ist, und startet daher den Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 in Schritt S30. Während des Aufwärmbetriebs der Brennstoffzelle 20 verringert die Steuereinrichtung 10 die Menge des Kathodengases, das der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, in Bezug auf die Menge an zugeführtem Anodengas. Infolgedessen nimmt der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 20 ab und der Heizwert der Brennstoffzelle 20 steigt, wodurch ein rascher Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 20 möglich ist.
Während des Aufwärmbetriebs treibt die Steuereinrichtung 10 die Wasserstoffpumpe 64 mit einer Drehzahl an, die niedriger ist als die minimale Drehzahl, die während der später beschriebenen Abgassteuerung angenommen wird. Die Drehzahl zu dieser Zeit kann eine Drehzahl sein, bei der die Feuchtigkeit auf der Anodenseite, die während des Aufwärmbetriebs auftritt, von der Wasserstoffpumpe 64 zur stromabwärtigen Seite überführt wird. Infolgedessen wird ein Einfrieren des Ablaufs, der während des Aufwärmbetriebs zurückbleibt, verhindert. Die Steuereinrichtung 10 setzt den Aufwärmbetrieb von Schritt S30 fort, bis die Temperatur der Brennstoffzelle 20 eine vorgegebene Temperatur erreicht. Zum Beispiel kann die vorgegebene Temperatur eine Temperatur von etwa 45 bis 55 °C sein.
In Schritt S40 bestimmt die Steuereinrichtung 10, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20, die in Schritt S10 erfasst wird, bei oder unter einer zweiten vorgegebenen Schwellentemperatur liegt, die niedriger ist als die erste Schwellentemperatur. Die zweite Schwellentemperatur kann eine Temperatur sein, die vorab durch Versuche als Temperatur bestimmt wird, bei der die Temperatur des abgasströmungswegbildenden Abschnitts in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 nach dem Aufwärmbetrieb möglicherweise unter dem Gefrierpunkt bzw. Eispunkt bleibt. Zum Beispiel kann die zweite vorgegebene Schwellentemperatur 0 bis 5°C sein. Der Beurteilungsprozess von Schritt S40 kann vor dem Aufwärmbetrieb von Schritt S30 durchgeführt werden.
Wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 höher ist als die zweite Schwellentemperatur, geht die Steuereinrichtung 10 auf die Normalbetriebssteuerung über, nachdem der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 geendet hat, wie von dem NEIN-Pfeil in Schritt S40 dargestellt. Wenn dagegen die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 bei oder unter der zweiten vorgegebenen Schwellentemperatur liegt, wie von dem JA-Pfeil in Schritt S40 dargestellt, dann startet die Steuereinrichtung 10 in Schritt S50 die nachstehend beschriebene Abgassteuerung, während sie den Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 fortsetzt.
3 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf einer Abgassteuerung zeigt. In Schritt S110 erfasst die Steuereinrichtung 10 die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 auf Basis des Messwerts der beiden Temperaturmessabschnitte 76a und 76b der Kühlmedium-Zufuhreinheit 70 als die Temperatur, welche die Temperatur während des Startens des Brennstoffzellensystems 100 des abgasströmungswegbildenden Abschnitts in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 ausdrückt. Die Steuereinrichtung 10 kann die Starttemperatur der Brennstoffzelle 20, die in Schritt S10 in 2 erfasst wird, wie sie ist verwenden. Der Prozess von Schritt S110 entspricht einem untergeordneten Konzept des Temperaturerfassungsschritts in der vorliegenden Ausführungsform. In Schritt S120 bestimmt die Steuereinrichtung 10 die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 auf der Basis der Starttemperatur der Brennstoffzelle 20, die in Schritt S110 erfasst wird, unter Bezugnahme auf ein bereits erstelltes Kennfeld.
4 ist eine erläuternde Skizze, die ein Beispiel für ein Kennfeld zeigt, das zur Bestimmung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 in Schritt S120 verwendet wird. Im Folgenden wird das Kennfeld 16 als „Pumpendrehzahlkennfeld 16“ bezeichnet. In einer Beziehung, die im Pumpendrehzahlkennfeld 16 aufgestellt ist, steigt die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 schrittweise gemäß dem Anstieg der Starttemperatur der Brennstoffzelle 20. In dem Pumpendrehzahlkennfeld 16 wird ein Wert der Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64, welcher der Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 entspricht, bestimmt, wie nachstehend beschrieben.
Der obere Teil von 5 stellt einen Graphen dar, der die zeitbezogenen Änderungen der Temperatur der Brennstoffzelle 20 und der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zeigt, wenn der Aufwärmbetrieb in der Brennstoffzelle 20 durchgeführt wird, nachdem das Brennstoffzellensystem 100 unterhalb des Eispunkts gestartet worden ist. Die durchgezogene Kurve G_FC zeigt die zeitbezogenen Änderungen der Temperatur der Brennstoffzelle 20, und die gestrichelte Kurve G_HP zeigt die zeitbezogenen Änderungen der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64.
Wenn das Brennstoffzellensystem 100 zu einem Zeitpunkt ts gestartet wird, nachdem es einige Zeit unter dem Eispunkt stehen gelassen worden ist, sind die Temperatur der Brennstoffzelle 20 und die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 fast gleich, und es besteht die Möglichkeit des Einfrierens der Wasserstoffpumpe 64. Wenn der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 gestartet wird, wird die eingefrorene Wasserstoffpumpe 64 als Folge der Wärme, die von dem Wasserdampf erhalten wird, der in dem aus der Brennstoffzelle 20 abgeführten Anodenabgas enthalten ist, aufgewärmt und aufgetaut. Jedoch ist der Temperaturanstieg der Wasserstoffpumpe 64 im Vergleich zur Brennstoffzelle 20 verzögert, und wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 als Folge des Aufwärmbetriebs ungefähr 50°C erreicht, überschreitet die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 schließlich den Eispunkt.
Falls eine große Menge an Wasserdampf in die Wasserstoffpumpe 64 strömt, wenn die Innentemperatur der Wasserstoffpumpe 64 unter dem Eispunkt liegt, kondensiert der Wasserdampf und gefriert im Inneren der Wasserstoffpumpe 64, und der Rotor der Wasserstoffpumpe 64 kann blockiert werden. Darüber hinaus können auch in den abgasströmungswegbildenden Abschnitten außer der Wasserstoffpumpe 64 verschiedene Probleme, wie ein Verstopfen des Filters, ein Blockieren des Ventils und ein Verstopfen des Abgaswegs, als Ergebnis des Gefrierens des Wasserdampfs auftreten. Der Wasserdampfgehalt, der im Anodenabgas enthalten ist, wird vom Gehalt an gesättigtem Wasserdampf in Bezug auf die Temperatur der Brennstoffzelle 20 bestimmt, und der Strom des Anodenabgases wird von der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 bestimmt. Das heißt, der Wasserdampfgehalt, der in der Wasserstoffpumpe 64 strömt, wird von der Temperatur der Brennstoffzelle 20 und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 bestimmt.
In dem in 4 dargestellten Pumpendrehzahlkennfeld 16 der vorliegenden Ausführungsform ist ein zulässiger Wert der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64, welcher der Starttemperatur der Brennstoffzelle 20 entspricht, eingestellt. Der zulässige Wert der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 ist ein Wert, der einen Anstieg der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zulässt, ohne dass ein Gefrieren des Wasserdampfs innerhalb der Wasserstoffpumpe 64 bewirkt wird. Wenn die Wasserstoffpumpe 64 bei der Solldrehzahl gestartet wird, die auf der Basis des Pumpendrehzahlkennfelds 16 erhalten wird, wird daher die Wärmemenge, die nötig ist, um die Wasserstoffpumpe 64 aufzutauen, aus dem Wasserdampf erhalten, der im Anodenabgas enthalten ist, und gleichzeitig wird das Gefrieren des Wasserdampfs innerhalb der Wasserstoffpumpe 64 verhindert.
In Schritt S130, der in 3 dargestellt ist, startet die Steuereinrichtung 10 das Antreiben der Wasserstoffpumpe 64 bei der Solldrehzahl PR der Wasserstoffpumpe 64, die in Bezug auf die Starttemperatur T_FC der Brennstoffzelle 20 auf Basis des Pumpendrehzahlkennfelds 16 bestimmt wird. Die Solldrehzahl PR ist ein Wert, der niedriger ist als die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 während der Normalbetriebssteuerung. Daher kann man sagen, dass während der Zeit, in der die Wasserstoffpumpe 64 bei der Solldrehzahl PR angetrieben wird, die Strömungsrate des Anodenabgases, das von der Brennstoffzelle 20 in den abgasströmungswegbildenden Abschnitt in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 einschließlich der Wasserstoffpumpe 64 strömt, beschränkt ist. Das heißt, der Prozess der Schritte S120 und S130 entspricht einem untergeordneten Konzept des Abgassteuerungsschrittes in der vorliegenden Erfindung, und die Abgassteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht dem Abgassteuerungsschritt in der vorliegenden Erfindung und einem untergeordneten Konzept der Strombegrenzungssteuerung.
In Schritt S140 berechnet die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 die Pumpentemperatur, die ein hochgerechneter Wert der aktuellen Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 ist, anhand des Pumpentemperaturerfassungsprozesses, der nachstehend beschrieben ist, auf der Basis des tatsächlichen Messwerts der aktuellen Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64. Die Steuerung 10 fährt mit dem Ansteuern der Wasserstoffpumpe 64 bei der Solldrehzahl PR fort, bis die von der Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 ermittelte Temperatur höher wird als der Eispunkt, wie vom NEIN-Pfeil von Schritt S150 gezeigt ist. Während das Antreiben der Wasserstoffpumpe 64 bei der Solldrehzahl PR fortgesetzt wird, wird der Pumpentemperaturerfassungsprozess durch die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 von Schritt S140 mit einem vorgegebenen Steuerzyklus wiederholt, und die Pumpentemperatur wird in Folge aktualisiert.
Wenn die Pumpentemperatur höher wird als der Eispunkt, wie vom JA-Pfeil von Schritt S150 gezeigt ist, beendet die Steuervorrichtung 10 das Antreiben bei der Solldrehzahl PR der Wasserstoffpumpe 64 im Schritt S160. Das heißt, die Steuereinrichtung 10 hebt die Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 auf und bringt die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 wieder zur Drehzahl während einer Normalbetriebssteuerung zurück. Schritt S160 entspricht einem untergeordneten Konzept des Beschränkungsaufhebungsschrittes in der vorliegenden Erfindung.
Der untere Teil von 5 stellt ein Beispiel für einen Graphen dar, der die zeitbezogenen Änderungen der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 während des Startens des Brennstoffzellensystems 100 in einer Niedertemperaturumgebung zeigt. Die Zeitachse des Graphen, der im unteren Teil von 5 gezeigt ist, entspricht der Zeitachse des Graphen, der im oben beschriebenen oberen Teil gezeigt ist. Falls das Brennstoffzellensystem 100 zum Zeitpunkt ts gestartet wird und der Aufwärmbetrieb gestartet wird, steuert die Steuereinrichtung 10 die Wasserstoffpumpe 64 bei einer Drehzahl Ra an, die niedriger ist als diejenige während der Ausführung der Abgassteuerung und während eines Normalbetriebs. Falls die Temperatur der Brennstoffzelle 20 innerhalb einer Zeit ta den Ende-Schwellenwert Thw des Aufwärmbetriebs erreicht, und die Brennstoffzelle 20 auf die Abgassteuerung übergeht, steuert die Steuereinrichtung 10 die Wasserstoffpumpe 64 bei einer Drehzahl Rb an, die niedriger ist als diejenige während des Normalbetriebs. Nachdem die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 in der Zeit tb den Eispunkt erreicht hat und die Brennstoffzelle 20 die Abgassteuerung beendet hat und auf die Normalbetriebssteuerung übergegangen ist, steuert die Steuereinrichtung 10 die Wasserstoffpumpe 64 bei einer vorgegebenen Drehzahl Rc an.
Auf diese Weise wird im Brennstoffzellensystem 100 in der vorliegenden Ausführungsform die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 beschränkt und die Menge an Wasserdampf, der in die Wasserstoffpumpe 64 und andere abgasströmungswegbildende Abschnitte strömt, wird beschränkt, bis die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 den Eispunkt überschreitet. Daher werden das Blockieren der Wasserstoffpumpe 64 wegen des Gefrierens des Wasserdampfs und andere Probleme, die wegen des Gefrierens des Wasserdampfs auftreten, beispielsweise ein Verschluss des Abgasströmungswegs in den abgasströmungswegbildenden Abschnitten unterdrückt. Wenn die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 den Eispunkt überschreitet, wird außerdem die Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 sofort aufgehoben, weswegen die Verschlechterung des Systemwirkungsgrads als Folge der Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 unterdrückt wird.
6 ist eine erläuternde Skizze, die einen Ablauf des Pumpentemperaturerfassungsprozesses zeigt, der von der Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 ausgeführt wird. Wie oben beschrieben, wird der Pumpentemperaturerfassungsprozess während der Zeit, in der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 beschränkt wird, mit einem vorgegebenen Steuerzyklus wiederholt. Der Pumpentemperaturerfassungsprozess entspricht einem untergeordneten Konzept des Strömungswegtemperaturerfassungsschrittes in der vorliegenden Erfindung, und die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 entspricht einem untergeordneten Konzept der Strömungswegtemperaturerfassungseinrichtung in der vorliegenden Erfindung.
In Schritt S210 liest und erfasst die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 einen vorherigen Wert TPp, der in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerabschnitt gespeichert ist. Wenn der Pumpentemperaturerfassungsprozess das erste Mal ausgeführt wird, liest die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 die Temperatur der Brennstoffzelle 20, die in dem in 3 dargestellten Schritt S110 erfasst wird, als Anfangswert des vorherigen Wertes TPp. Als Anfangswert des vorherigen Wertes TPp kann die Korrelation zwischen der Temperaturänderung der Brennstoffzelle 20 und der Temperaturänderung der Wasserstoffpumpe 64, wenn diese in einer Niedertemperaturumgebung gehalten werden, vorab ermittelt werden, beispielsweise durch einen Versuch, und der Wert, der auf der Basis dieser Korrelation ermittelt wird, kann verwendet werden.
In Schritt S220 erfasst die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 die aktuelle Temperatur T_c der Brennstoffzelle 20 auf der Basis des Messwerts der beiden Temperaturmessabschnitte 76a und 76b der Kühlmediumzufuhreinheit 70. In Schritt S230 ermittelt die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 die aktuelle Drehzahl R_c der Wasserstoffpumpe 64 durch den Wertgeber 64e der Wasserstoffpumpe 64.
In Schritt S240 erfasst die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 die Temperaturanstiegsrate V_TP der Wasserstoffpumpe 64 auf der Basis der aktuellen Temperatur T_c der Brennstoffzelle 20 und der aktuellen Drehzahl Rc der Wasserstoffpumpe 64 unter Verwendung eines vorab erstellten Kennfelds. Die „Temperaturanstiegsrate der Wasserstoffpumpe 64“ ist der Steigerungsumfang der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 pro Zeiteinheit.
7 ist eine erläuternde Skizze, die vereinfacht ein Beispiel für ein Kennfeld zeigt, das zur Erfassung der Temperaturanstiegsrate V_TP der Wasserstoffpumpe 64 in Schritt S240 verwendet wird. Im Folgenden wird das Kennfeld 18 als „Temperaturanstiegsratenkennfeld 18“ bezeichnet. In dem Temperaturanstiegsratenkennfeld 18 werden Beziehungen, wo ein höherer Wert der Temperaturanstiegsrate der Wasserstoffpumpe 64 erhalten wird, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 hoch ist, für jeden Wert der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 eingestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Temperaturanstiegsrate der Wasserstoffpumpe 64 im Temperaturanstiegsratenkennfeld 18 ein Wert, der auf der Basis der Strömungsrate des Anodenabgases, die durch die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 bestimmt wird, und der Wärmemenge, die durch die Wasserstoffpumpe 64 aus dem Anodenabgas einschließlich des Wasserdampfs des gesättigten Wasserdampfgehalts empfangen wird, berechnet wird. Die Steuereinrichtung 10 erfasst die Temperaturanstiegsrate V_TP der Wasserstoffpumpe 64 in Bezug auf die aktuelle Temperatur Tc der Brennstoffzelle 20 auf der Basis der Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle 20, die der aktuellen Drehzahl Rc der Wasserstoffpumpe 64 entspricht, und der Temperaturanstiegsrate der Wasserstoffpumpe 64.
In Schritt S250 von 6 multipliziert die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 eine sehr kleine Menge der Zeit Δt, die dem Steuerzyklus entspricht, mit der Temperaturanstiegsrate V_TP der Wasserstoffpumpe 64 und berechnet dann durch Addieren des vorherigen Wertes TPp den gegenwärtigen Wert TPc der Pumpentemperatur, wie durch den nachstehenden Ausdruck (A) gezeigt ist. $TPc = TPp + V_{TP} \times Δ t$
In Schritt S260 speichert die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 den aktuellen Wert TPc im Speicherabschnitt. Die Pumpentemperaturerfassungseinrichtung 15 liest den gegenwärtigen Wert TPc, der im Speicherabschnitt gespeichert ist, im Schritt S210 des Pumpentemperaturerfassungsprozesses des nächsten Zyklus als den vorherigen Wert TPp.
Gemäß dem Pumpentemperaturerfassungsprozess der vorliegenden Ausführungsform wird die Pumpentemperatur, welche die aktuelle Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 ausdrückt, durch eine einfache Berechnung auf der Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 20 und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 exakt berechnet. Daher können der Temperatursensor und der Messprozess für die direkte Messung der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 weggelassen werden, was den Wirkungsgrad verbessert.
A3. Schlussfolgerung
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem Brennstoffzellensystem 100 in der vorliegenden Ausführungsform während des Startens in einer Niedertemperaturumgebung der Zustrom von überschüssigem Wasserdampf in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 einschließlich der Wasserstoffpumpe 64 unterdrückt. Daher wird das Auftreten von Problemen in den abgasströmungswegbildenden Abschnitten wegen des Gefrierens von Wasserdampf unterdrückt. Darüber hinaus wird eine Wasserdampfzustrommenge gewährleistet, die ein Auftauen der abgasströmungswegbildenden Abschnitte einschließlich der Wasserstoffpumpe 64 ermöglicht, was die Startleistung der Wasserstoffpumpe 64 ebenso wie die Startleistung der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 erleichtert. Daher wird die Verschlechterung der Startleistung des Brennstoffzellensystems 100 in einer Niedertemperaturumgebung unterdrückt.
Modifizierungen:
B1. Modifizierung 1:
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 in Bezug auf die Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf Basis des Pumpendrehzahlkennfelds 16 bestimmt. Aber die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 muss nicht auf Basis des Pumpendrehzahlkennfelds 16 bestimmt werden. Die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 kann so eingestellt werden, dass die Strömungsrate des Abgases, das in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte in der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 strömt, stärker beschränkt wird als während des Normalbetriebs. Die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 muss nicht gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle 20 eingestellt werden und kann auf eine vorgegebene Drehzahl eingestellt werden, die niedriger ist als während einer Normalbetriebssteuerung. Wie in 4 dargestellt ist, muss darüber hinaus in dem Pumpendrehzahlkennfeld 16 die Beziehung, gemäß der die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 schrittweise steigt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 hoch genug ist, nicht eingestellt werden, und es kann eine Beziehung eingestellt werden, gemäß der sich die Solldrehzahl der Wasserstoffpumpe 64 in Bezug auf die Temperatur der Brennstoffzelle auf lineare oder kurvenförmige Weise ändert.
B2. Modifizierung 2:
In der Abgassteuerung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Menge des Anodenabgases, das in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte der Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 strömt, beschränkt. Im Gegensatz dazu kann in der Abgassteuerung die Menge des Kathodenabgases beschränkt werden, das in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte strömt, die den Strömungsweg des Kathodenabgases in der Kathodengaszufuhr- und -abfuhrumwälzeinheit 30 bilden.
B3. Modifizierung 3:
In der Abgassteuerung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Strömungsrate des Anodenabgases, das in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte strömt, durch die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 angepasst. Aber die Strömungsrate des Anodenabgases, das in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte strömt, muss nicht durch die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 angepasst werden. Die Strömungsrate des Anodenabgases, das in den Abgasströmungsweg strömt, kann durch ein Ventil wie ein Druckregulierungsventil angepasst werden, oder die Strömungsrate des Anodenabgases kann durch Abzweigen eines Teils des Anodenabgases zu einer anderen Stelle angepasst werden. Darüber hinaus kann der Wasserdampfgehalt, der zusammen mit dem Anodenabgas in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte strömt, durch Beschränken des Anstiegs der Temperatur der Brennstoffzelle 20 beschränkt werden. Genauer wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 durch Steuern der Öffnung eines Ventils, beispielsweise des Drehventils, das im Kühlmediumströmungsweg der Kühlmediumzufuhreinheit 70 vorgesehen ist, auf einen Wert unter der normalen Temperatur beschränkt. Wenn zum Beispiel die normale Betriebstemperatur etwa 80°C beträgt, wird sie durch die Temperatur von ungefähr 80-90%, das heißt auf etwa 60 bis 70% beschränkt. Infolgedessen sinkt die Temperatur des Abgases und der Wasserdampfdruck des Abgases kann verringert werden. Daher kann der Wasserdampfgehalt, der in die abgasströmungswegbildenden Abschnitte strömt, beschränkt werden, und wie bei der Abgassteuerung, die oben in den jeweiligen Ausführungsformen beschrieben worden ist, kann verhindert werden, dass die abgasströmungswegbildenden Abschnitte aufgrund des Wasserdampfs einfrieren. Der Prozess des Beschränkens der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 kann auch in Kombination mit dem Prozess des Beschränkens der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 durchgeführt werden. Infolgedessen wird das Einfrieren der abgasströmungswegbildenden Abschnitte wirksamer verhindert.
B4. Modifizierung 4:
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Pumpentemperatur, die die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 ausdrückt, durch den Pumpentemperaturerfassungsprozess erfasst, der in Folge durchgeführt wird. Aber die Pumpentemperatur, die die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 ausdrückt, kann auch durch direktes Messen der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 durch einen Temperatursensor oder dergleichen erfasst werden. Alternativ dazu kann jedesmal, wenn der Pumpentemperaturerfassungsprozess ausgeführt wird, unter Verwendung eines Kennfelds, das auf der Beziehung zwischen einer bereits vorbereiteten Temperatur der Brennstoffzelle 20 und der Pumpentemperatur basiert,eine neue Pumpentemperatur erfasst werden.
B5. Modifizierung 5:
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Abgassteuerung ausgeführt, wenn in dem in 2 gezeigten Schritt S40 die die Temperatur der Brennstoffzelle 20 unter der zweiten Schwellentemperatur liegt. Aber die Ausführung der Abgassteuerung kann auch dann gestartet werden, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 nicht unter der zweiten Schwellentemperatur liegt.
B6. Modifizierung 6:
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 aufgehoben, wenn die Pumpentemperatur den Eispunkt durchbricht. Aber die Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 kann auch aufgehoben werden, wenn die Pumpentemperatur eine andere Temperatur erreicht. Die Steuereinrichtung 10 kann beispielsweise die Beschränkung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 64 unabhängig von der Pumpentemperatur aufheben, wenn eine vorgegebene Zeitspanne vergangen ist.
B7. Modifizierung 7:
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Abgassteuerung parallel ausgeführt, wenn der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 durchgeführt wird. Aber der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 20 in einer Niedertemperaturumgebung kann weggelassen werden und es kann auch nur die Abgassteuerung durchgeführt werden.
B8. Modifizierung 8:
Die Abgassteuerung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird zu dem Zweck ausgeführt, die Anodengas-Zufuhr- und Abfuhrumwälzeinheit 50 zu steuern, die den Prozess des Umwälzens und Abführens des Anodenabgases im Brennstoffzellensystem 100 durchführt. Aber die Abgassteuerung kann auch zu dem Zweck ausgeführt werden, die Abgasaufbereitungseinheit zu steuern, die einen anderen Prozess als das Umwälzen und Abführen des Abgases der Brennstoffzelle 20 durchführt. Die Abgassteuerung kann beispielsweise für den Abgasaufbereitungsabschnitt ausgeführt werden, der den Prozess des Abscheidens des Wasserstoffs aus dem Abgas der Brennstoffzelle 20 ausführt.

Claims

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (100), umfassend: einen Schritt (S10) zum Erfassen einer Starttemperatur einer Brennstoffzelle (20) beim Starten der Brennstoffzelle (20) ; einen Schritt (S30) zum Starten eines Aufwärmbetriebs der Brennstoffzelle (20), wenn die erfasste Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als eine erste vorgegebene Temperatur ist, wobei der Aufwärmbetrieb einen Heizwert der Brennstoffzelle (20) erhöht; einen Schritt (S40) zum Bestimmen, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur; und einen Schritt (S50) zum Starten einer Abgassteuerung (S120, S130), wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder unter dem zweiten vorgegebenen Wert ist und die Temperatur der Brennstoffzelle (20) einen Ende-Schwellenwert des Aufwärmbetriebs erreicht, um eine Strömungsrate eines Abgases, das in einen strömungswegbildenden Abschnitt strömt, der zumindest einen Teil eines Strömungswegs des Abgases der Brennstoffzelle (20) bildet, auf eine Strömungsrate zu steuern, die im Vergleich zur Strömungsrate beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle (20) eingeschränkt ist, und die Temperatur der Brennstoffzelle zu erhöhen.
Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der Abgassteuerungsschritt einen Schritt beinhaltet, durch den die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, in dem Abgassteuerungsschritt entsprechend der Starttemperatur eingestellt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 2, wobei der Abgassteuerungsschritt ferner einen Schritt umfasst, bei dem die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, auf einen für den Messwert der Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases auf der Basis einer vorab aufgestellten Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle (20) und dem zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases eingestellt wird, wobei der zulässige Wert auf der Basis einer Menge an Wasserdampf, die bei der Temperatur der Brennstoffzelle (20) im Abgas enthalten ist, vorgegeben wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Strömungswegtemperaturerfassungsschritt, durch den ein Wert erfasst wird, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt; und einen Beschränkungsaufhebungsschritt (S160), durch den die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases aufgehoben wird, wenn der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, höher wird als ein vorgegebener Wert.
Steuerverfahren nach Anspruch 4, wobei der Strömungswegtemperaturerfassungsschritt einen Schritt beinhaltet, durch den der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, auf Basis der Strömungsrate und der Temperatur der Brennstoffzelle (20) erfasst wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: der strömungswegbildende Abschnitt eine Umwälzpumpe (64) zum Umwälzen des Abgases zur Brennstoffzelle aufweist, und der Abgassteuerungsschritt einen Schritt beinhaltet, durch den die Strömungsrate des Abgases durch die Drehzahl der Umwälzpumpe (64) gesteuert wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die Strömungsrate des Abgases, das während der Strömungsbegrenzungssteuerung in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, größer ist, als während dem Aufwärmbetrieb vor dem Start der Strömungsbegrenzungssteuerung.
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur der Brennstoffzelle (20); eine Zuführeinheit zum Zuführen von Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle (20); eine Abgasaufbereitungseinheit, die einen strömungswegbildenden Abschnitt aufweist, der zumindest einen Teil des Strömungswegs des Abgases der Brennstoffzelle (20) bildet; und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Zuführeinheit und der Abgasaufbereitungseinheit, um einen Betrieb der Brennstoffzelle (20) zu steuern, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, um eine Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) beim Starten der Brennstoffzelle (20) zu erfassen, um einen Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle (20) auszuführen, wenn die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als eine erste vorgegebene Temperatur beim Start der Brennstoffzelle (20) ist, wobei der Aufwärmbetrieb einen Heizwert der Brennstoffzelle (20) erhöht; um zu bestimmen, ob die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur; und eine Strömungsbegrenzungssteuerung auszuführen, die, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (20) beim Starten der Brennstoffzelle (20) unter dem zweiten vorgegebenen Wert liegt, der niedriger ist als die erste vorgegebene Temperatur, und die Temperatur der Brennstoffzelle (20) einen Ende-Schwellenwert des Aufwärmbetriebs erreicht, eine Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, auf eine Strömungsrate zu steuern, die im Vergleich zur Strömungsrate im Normalbetrieb der Brennstoffzelle (20) beschränkt ist, und die Temperatur der Brennstoffzelle (20) erhöht.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, wobei die Strömungsbegrenzungssteuerung die Strömungsrate des Abgases, das in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, entsprechend der Starttemperatur einstellt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, um einen für die Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases auf der Basis einer vorab aufgestellten Beziehung zwischen der Starttemperatur der Brennstoffzelle (20) und dem zulässigen Wert der Strömungsrate des Abgases zu erfassen, und die Strömungsrate des Abgases auf den zulässigen Wert einzustellen; wobei der zulässige Wert auf der Basis der Menge an Wasserdampf, die bei der Temperatur der Brennstoffzelle (20) im Abgas enthalten ist, vorgegeben wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner beinhaltend, dass: eine Strömungswegtemperaturerfassungseinrichtung, einen Wert erfasst, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt; und die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, um die Beschränkung der Strömungsrate des Abgases in der Strömungsbegrenzungssteuerung aufzuheben, wenn der Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, während der Strömungsbeschränkungssteuerung höher wird als ein vorgegebener Wert.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 11, wobei die Strömungswegtemperaturerfassungseinrichtung den Wert, der die Temperatur des strömungswegbildenden Abschnitts ausdrückt, auf Basis der Strömungsrate und der Temperatur der Brennstoffzelle (20) erfasst.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Abgasaufbereitungseinheit eine Umwälzpumpe (64) als den strömungswegbildenden Abschnitt beinhaltet und das Abgas durch die Umwälzpumpe (64) zur Brennstoffzelle (20) umwälzt; und die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, um die Strömungsrate des Abgases durch die Drehzahl der Umwälzpumpe (64) zu steuern.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Strömungsrate des Abgases, das während der Strömungsbegrenzungssteuerung in den strömungswegbildenden Abschnitt strömt, größer ist, als während dem Aufwärmbetrieb vor dem Start der Strömungsbegrenzungssteuerung.