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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
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Hintergrund
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Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrischen Strom durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff als Brennstoff und sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel. Das Brennstoffzellensystem kann einen Zirkulationsmechanismus verwenden, um nicht umgesetztes Brennstoffgas (Wasserstoffgas), das aus der Brennstoffzelle abgegeben wird, zu zirkulieren. In diesem Fall befinden sich in einer Wasserstoffgaszirkulationsleitung nicht nur das Wasserstoffgas, sondern auch Stickstoff und Wasser. Somit werden Verunreinigungen wie Stickstoffgas und Wasser konzentriert, wenn der Betrieb weiterläuft. Daher hat das Brennstoffzellensystem oft einen Auslassmechanismus, der aus einer Wasserstoffgasauslassleitung bei Bedarf Gas und einen Teil Wasser abgibt, um einen Wasserstoffpartialdruck zu erreichen, der zur Stromerzeugung benötigt wird.
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Bei einem Niedrigtemperaturstart, etwa einem Start unterhalb des Gefrierpunkts, kann Wasser, das in der Brennstoffzelle oder dergleichen zurückgeblieben ist, gefrieren und einen Teil der Wasserstoffgasauslassleitung verstopfen. Wenn eine Wasserstoffgasleitung eine Zirkulationsleitung ist, wird das Wasserstoffgas in diesem Fall aufgrund der chemischen Reaktion mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle reduziert, während nicht umgesetztes Stickstoffgas nicht aus der Wasserstoffgasauslassleitung abgegeben wird und sich das Stickstoffgas in der verstopften Wasserstoffgasauslassleitung sammelt und konzentriert. Infolgedessen nimmt der Wasserstoffpartialdruck ab, und es nimmt die Stromerzeugungsspannung der Brennstoffzelle ab. Wenn die Stromerzeugungsspannung auf eine negative Spannung abnimmt, kann sich die Brennstoffzelle verschlechtern. Die
WO 2011/021301 A offenbart eine Technik, die eine Pumpe stoppt, die dazu verwendet wird, Wasserstoff zu zirkulieren, wenn in der Brennstoffzelle eine Wasserstoffgasleitung verstopft ist. Das Stoppen der Pumpe stoppt die Zirkulation von Stickstoff, verhindert, dass Stickstoff in die Brennstoffzelle strömt, und verringert die Abnahme des Wasserstoffpartialdrucks.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das dazu imstande ist, das Gefrieren eines Zirkulationsmechanismus und die Verschlechterung der Brennstoffzelle beim Niedrigtemperaturstart zu verhindern.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle; eine Brennstoffversorgungsquelle; einen Brennstoffgasweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, mit Brennstoff aus der Brennstoffversorgungsquelle versorgt wird und einem Teil an Brennstoffgas, das aus der Brennstoffzelle abgegeben wird, erlaubt, durch ihn zu zirkulieren; einen Auslassmechanismus, der das Brennstoffgas nach der Reaktion in der Brennstoffzelle nach außen abgibt; einen Zirkulationsmechanismus, der in dem Brennstoffgasweg angeordnet ist und das Brennstoffgas zirkuliert; und eine Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit eine Zirkulation des Brennstoffgases durch den Zirkulationsmechanismus vorübergehend stoppt, wenn sie feststellt, dass eine Abgabe aus dem Auslassmechanismus nicht normal ist, die Steuerungseinheit den Zirkulationsmechanismus so antreibt, dass das Brennstoffgas mit einer ersten Zirkulationsgeschwindigkeit zirkuliert, wenn sie feststellt, dass die Abgabe aus dem Auslassmechanismus nicht normal ist und ein sich auf Wasserdampf im Brennstoffgasweg beziehender Parameter größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, und die Steuerungseinheit den Zirkulationsmechanismus so antreibt, dass das Brennstoffgas mit einer zweiten Zirkulationsgeschwindigkeit zirkuliert, wenn sie feststellt, dass die Abgabe aus dem Auslassmechanismus normal ist, wobei die erste Zirkulationsgeschwindigkeit geringer als die zweite Zirkulationsgeschwindigkeit ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffversorgungsquelle, einen Brennstoffgasweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, mit Brennstoff aus der Brennstoffversorgungsquelle versorgt wird und einem Teil an Brennstoffgas, das aus der Brennstoffzelle abgegeben wird, erlaubt, durch ihn zu zirkulieren; einen Auslassmechanismus, der das Brennstoffgas nach der Reaktion in der Brennstoffzelle nach außen abgibt; einen Zirkulationsmechanismus, der in dem Brennstoffgasweg angeordnet ist und das Brennstoffgas zirkuliert; eine Temperaturerfassungseinheit, die so gestaltet ist, dass sie eine Temperatur eines Kühlmittels erfasst, das die Brennstoffzelle kühlt; und eine Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit eine Zirkulation des Brennstoffgases durch den Zirkulationsmechanismus vorübergehend stoppt, wenn sie feststellt, dass eine Abgabe aus dem Auslassmechanismus nicht normal ist, die Steuerungseinheit den Zirkulationsmechanismus so antreibt, dass das Brennstoffgas mit einer ersten Zirkulationsgeschwindigkeit zirkuliert, wenn sie feststellt, dass die Abgabe aus dem Auslassmechanismus nicht normal ist und die von der Temperaturerfassungseinheit erfasste Temperatur des Kühlmittels größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und die Steuerungseinheit den Zirkulationsmechanismus so antreibt, dass das Brennstoffgas mit einer zweiten Zirkulationsgeschwindigkeit zirkuliert, wenn sie feststellt, dass die Abgabe aus dem Auslassmechanismus normal ist, wobei die erste Zirkulationsgeschwindigkeit geringer als die zweite Zirkulationsgeschwindigkeit ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist ein Blockschaubild, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, und 1B ist ein funktionales Blockschaubild, das die Gestaltung einer Steuerungseinheit darstellt; und
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2 stellt den Ablauf eines Prozesses dar, der durch das Brennstoffzellensystem ausgeführt wird.
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Ausführliche Beschreibung
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Beim Niedrigtemperaturstart kann nicht nur die Wasserstoffauslassleitung gefrieren, sondern auch der Auslassmechanismus zum Abgeben von Verunreinigungen wie Stickstoffgas und Wasser aus einem Zirkulationsweg. Das Gefrieren des Auslassmechanismus macht es schwierig, aus der Wasserstoffgaszirkulationsleitung Verunreinigungen abzugeben. Somit sammelt sich in der Zirkulationsleitung und den Zellen der Brennstoffzelle Stickstoffgas an und dadurch nimmt der Wasserstoffpartialdruck ab. Um die Abnahme des Wasserstoffpartialdrucks zu verringern, muss der Zirkulationsmechanismus gestoppt werden, wie in der
WO 2011/021301 A offenbart ist.
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Doch auch dann, wenn der Zirkulationsmechanismus stoppt, verdampft ein Teil des durch die Stromerzeugung erzeugten Wassers, wenn die Brennstoffzelle weiter elektrischen Strom erzeugt, während die Wasserstoffgasauslassleitung und der Auslassmechanismus gefroren sind. Wenn der Zirkulationsmechanismus stoppt, kann der Wasserdampf nicht an die Atmosphäre abgegeben werden. Somit erhöht sich in einer verstopften Leitung der Wasserdampfpartialdruck. Wenn der Wasserdampfpartialdruck zunimmt, verteilt sich der Wasserdampf in der Wasserstoffgaszirkulationsleitung, selbst wenn der Zirkulationsmechanismus stoppt. Wenn der Zirkulationsmechanismus stoppt, kann der Zirkulationsmechanismus die Temperatur nicht ausreichend anheben. Somit kann der sich verteilende Wasserdampf dazu führen, dass der Zirkulationsmechanismus gefriert.
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Im Folgenden erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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– Ausführungsbeispiel –
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1A ist ein Blockschaubild, das ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 wird in Brennstoffzellenfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder dergleichen eingebaut, um als ein System genutzt zu werden, das eine Antriebskraftquelle zum Antreiben von Rädern des Fahrzeugs versorgt. Wie in 1A dargestellt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Zentraleinheit (CPU) 10, eine Brennstoffzelle (FC) 20, einen Wasserstofftank 22 und einen Kühler 24 (Wärmetauscher) auf. Die CPU 10 ist ein Beispiel einer Steuerungseinheit. Der Wasserstofftank 22 ist ein Beispiel einer Brennstoffversorgungsquelle.
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Die Brennstoffzelle 20 ist mit einer Luftversorgungsleitung 30, einer Luftauslassleitung 32, einer Brennstoffgasversorgungsleitung 34 und einer Brennstoffgasauslassleitung 35 verbunden. Mit der Brennstoffgasversorgungsleitung 34 und der Brennstoffgasauslassleitung 35 ist eine Zirkulationsleitung 36 verbunden. In der Zirkulationsleitung 36 ist ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 angeordnet. Die Brennstoffgasversorgungsleitung 34, die Brennstoffgasauslassleitung 35 und die Zirkulationsleitung 36 bilden einen Brennstoffgasweg, der Wasserstoffgas erlaubt, durch ihn zu zirkulieren. Durch den Brennstoffgasweg zirkulieren Verunreinigungen wie Stickstoffgas und Wasserdampf sowie Wasserstoffgas.
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Die Brennstoffzelle 20 ist auch mit einer Kühlmittelleitung 39 verbunden. Durch die Kühlmittelleitung 39 strömt Kühlwasser (Kühlmittel) in die Brennstoffzelle 20 und kühlt die Brennstoffzelle 20. Das Kühlwasser, das zum Kühlen verwendet worden ist, wird über die Kühlmittelleitung 39 dem Kühler 24 zugeführt. Das Kühlmittel wird in dem Kühler 24 gekühlt und erneut der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
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In der Luftauslassleitung 32 ist ein Ventil 40 angeordnet, und in der Brennstoffgasversorgungsleitung 34 ist ein Ventil 41 angeordnet. In einer externen Auslassleitung 38 ist ein Ventil 42 angeordnet. Das Ventil 40 steuert den Durchfluss an Luft. Das Ventil 41 steuert den Durchfluss an Brennstoffgas. Das Ventil 42 wird verwendet, um aus dem Brennstoffgasweg einen Teil des Brennstoffgases und der Verunreinigungen nach außen abzugeben. Wenn sich das Ventil 42 öffnet, strömt ein Teil des Brennstoffgases und der Verunreinigungen aus dem Brennstoffgasweg zur externen Auslassleitung 38, um an die Atmosphäre abgegeben zu werden.
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In der Brennstoffgasauslassleitung 35 ist ein Drucksensor 48 angeordnet und erfasst den Druck in dem Brennstoffgasweg (der Brennstoffgasversorgungsleitung 34, der Brennstoffgasauslassleitung 35, der Zirkulationsleitung 36). In der Kühlmittelleitung 39 ist in der Umgebung des Auslasses aus der Brennstoffzelle 20 ein Temperatursensor 50 angeordnet und erfasst die Temperatur (Wassertemperatur) des Kühlwassers, das die Brennstoffzelle 20 gekühlt hat. Der Temperatursensor 50 ist ein Beispiel einer Temperaturerfassungseinheit. Die Wassertemperatur korreliert mit der Temperatur der Brennstoffzelle 20. Somit ist die Wassertemperatur gering, wenn die Brennstoffzelle 20 eine geringe Temperatur hat, während die Wassertemperatur hoch ist, wenn die Brennstoffzelle 20 eine hohe Temperatur hat. In der Zirkulationsleitung 36 ist eine Pumpe 44 angeordnet. In der Kühlmittelleitung 39 ist eine Pumpe 46 angeordnet. Die Pumpen 44 und 46 sind zum Beispiel Rootspumpen, Schraubenpumpen oder Turbopumpen.
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Über die Luftversorgungsleitung 30 wird der luftseitigen Elektrode (Oxidationsmittelelektrode) der Brennstoffzelle 20 aus der Atmosphäre Luft zugeführt. In dem Wasserstofftank 22 wird Wasserstoffgas aufbewahrt und über die Brennstoffgasversorgungsleitung 34 der wasserstoffseitigen Elektrode (Brennstoffelektrode) der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Die Brennstoffzelle 20 erzeugt elektrischen Strom, indem sie Wasserstoffgas als Brennstoffgas und sauerstoffhaltige Luft als Oxidationsmittel nutzt. Der erzeugte elektrische Strom wird in Vorrichtungen wie einem Motor zum Fahren des Fahrzeugs, Beleuchtungslampen, einer Klimaanlage und einer Audioanlage verwendet. Die Luft wird nach der Reaktion in der Brennstoffzelle 20 über die Luftauslassleitung 32 nach außen abgegeben. Das Wasserstoffgas, das nicht in der Reaktion verwendet worden ist, wird aus der Brennstoffgasauslassleitung 35 abgegeben und über die Zirkulationsleitung 36 in die Brennstoffgasversorgungsleitung 34 zirkuliert und erneut der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 scheidet mit einer Differenz des spezifischen Gewichts Verunreinigungen wie Stickstoffgas und Wasser und Wasserstoffgas ab. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 hat einen abgeschrägten Boden, und die externe Auslassleitung 38 ist mit dem untersten Teil des Bodens verbunden. Verunreinigungen mit einem hohen spezifischen Gewicht sammeln sich in dem untersten Teil des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 37 und werden zur externen Auslassleitung 38 abgegeben. Die externe Auslassleitung 38 ist mit der Luftauslassleitung 32 verbunden, und die Verunreinigungen werden aus der externen Auslassleitung 38 über das Ventil 42 nach außen abgegeben. Wasserstoffgas, das ein geringes spezifisches Gewicht hat, strömt dagegen aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 zur Zirkulationsleitung 36. Zusammen mit dem Wasserstoffgas zirkuliert eine geringe Menge Verunreinigungen.
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1B ist ein funktionales Blockschaubild, das die Gestaltung der CPU 10 darstellt. Wie in 1B dargestellt ist, fungiert die CPU 10 als eine Druckakquisitionseinheit 12, eine Temperaturakquisitionseinheit 14, eine Pumpensteuerungseinheit 16 und eine Ventilsteuerungseinheit 18. Die Druckakquisitionseinheit 12 akquiriert den durch den Drucksensor 48 erfassten Druck. Außerdem schätzt die Druckakquisitionseinheit 12 beruhend auf der Differenz zwischen einem Druck, bevor ein Befehl abgegeben wird, das Ventil 42 zu öffnen, und einem Druck, nachdem der Befehl abgegeben wurde, (der Abnahmehöhe an Druck) eine Emissionsmenge aus dem Ventil 42. Die Temperaturakquisitionseinheit 14 akquiriert die von dem Temperatursensor 50 erfasste Wassertemperatur. Die Pumpensteuerungseinheit 16 stellt, indem sie den Antriebszustand (Drehzahl) der Pumpe 44 ändert, in dem Brennstoffgasweg eine Gaszirkulationsmenge ein und stellt, indem sie den Antriebszustand der Pumpe 46 ändert, auch einen Durchfluss des Kühlwassers ein. Die Ventilsteuerungseinheit 18 ändert die Öffnungs-/Schließzustände der Ventile 40 bis 42.
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Wenn das in 1A dargestellte Ventil 42 geöffnet wird, werden Verunreinigungen im Brennstoffgasweg aus der externen Auslassleitung 38 an die Atmosphäre abgegeben. Bei einem Start unterhalb des Gefrierpunkts kann das Ventil 42 jedoch gefrieren und verstopfen. In diesem Fall werden die Verunreinigungen nicht abgegeben und die Abnahmehöhe an Druck im Brennstoffgasweg nimmt ab. Der im Folgenden beschriebene Prozess ist ein Prozess, der bei einem Start unterhalb des Gefrierpunkts ausgeführt wird.
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2 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess darstellt, der durch das Brennstoffzellensystem 100 ausgeführt wird. Wie in 2 dargestellt ist, befiehlt die Ventilsteuerungseinheit 18 dem Ventil 42 sich zu öffnen (Schritt S10).
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Dann akquiriert die Druckakquisitionseinheit 12 den Druck P vom Drucksensor 48 und schätzt beruhend auf der Abnahmehöhe an Druck vor und nach dem Ventilöffnungsbefehl und der Wasserstoffverbrauchsmenge eine Emissionsmenge aus dem Ventil 42 (Schritt S12).
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Die Pumpensteuerungseinheit 16 stellt fest, ob die geschätzte Emissionsmenge geringer als eine Sollemissionsmenge ist (Schritt S14). In diesem Schritt wird festgestellt, ob das Ventil 42 normal funktioniert (ob die Abgabe aus dem Ventil 42 normal ist). Die Sollemissionsmenge ist eine Emissionsmenge, von der erwartet wird, dass sie im Ansprechen auf den Ventilöffnungsbefehl erreicht wird. Wenn die Feststellung im Schritt S14 Nein ist, fährt die CPU 10 mit dem Schritt S30 fort. Wenn die Feststellung im Schritt S14 Ja ist, fährt die CPU 10 mit dem Schritt S16 fort. Die Ausführung des Schritts S14 erlaubt der CPU 10 festzustellen, ob das Ventil 42 nicht funktioniert. Und zwar öffnet sich das Ventil 42 im Ansprechen auf den Ventilöffnungsbefehl im Schritt S10, wenn das Ventil 42 nicht gefroren ist. Somit nimmt die Abnahmehöhe an Druck zu und die geschätzte Emissionsmenge wird die Sollemissionsmenge. Wenn das Ventil 42 dagegen gefroren ist, funktioniert das Ventil 42 nicht und scheitert daran sich zu öffnen oder öffnet sich wenig. Somit nimmt die Abnahmehöhe an Druck ab und die geschätzte Emissionsmenge wird geringer als die Sollemissionsmenge.
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Wenn die Feststellung im Schritt S14 Ja ist, stoppt die Pumpensteuerungseinheit 16 die Pumpe 44 im Schritt S16. Zu diesem Zeitpunkt stoppt die Zirkulation von Wasserstoffgas, Stickstoffgas und dergleichen durch den Brennstoffgasweg.
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Die Temperaturakquisitionseinheit 14 akquiriert die vom Temperatursensor 50 erfasste Temperatur (Wassertemperatur) T des Kühlwassers (Schritt S18). Die Pumpensteuerungseinheit 16 stellt fest, ob die Wassertemperatur T größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur T1 (einer ersten Temperatur, z. B. 30 bis 40°C) ist (Schritt S20). Wenn die Feststellung Nein ist, kehrt die CPU 10 zum Schritt S16 zurück. Wenn die Feststellung Ja ist, fährt die CPU 10 mit Schritt S22 fort.
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Im Schritt S22 stellt die Pumpensteuerungseinheit 16 fest, ob die Wassertemperatur T geringer als eine Temperatur T2 (eine zweite Temperatur) ist. Die Temperatur T2 ist größer als die Temperatur T1 und beträgt zum Beispiel 50°C. Wenn die Feststellung Nein ist, fährt die CPU 10 mit Schritt S30 fort. Wenn die Feststellung Ja ist, fährt die CPU 10 mit Schritt S24 fort.
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Im Schritt S24 treibt die Pumpensteuerungseinheit 16 die Pumpe 44 mit einer geringen Drehzahl an. Die Drehung der Pumpe 44 mit geringer Drehzahl erlaubt der Zirkulationsgeschwindigkeit von Gas in dem Brennstoffgasweg, eine erste Zirkulationsgeschwindigkeit zu werden. Die erste Zirkulationsgeschwindigkeit ist eine Zirkulationsgeschwindigkeit, bei der Wasser daran scheitert, in die Brennstoffzelle 20 zu strömen, und bei der die Konzentration an Stickstoff in der Brennstoffzelle 20 für die geschätzte Zeitdauer, die das Ventil 42 braucht, um wieder normal zu werden (um aufzutauen), in einen akzeptablen Bereich fällt. Indem die Konzentration an Stickstoff dazu gebracht wird, in dem akzeptablen Bereich zu liegen, wird dem Wasserstoffpartialdruck erlaubt, ein günstiges Niveau anzunehmen. Das Antreiben der Pumpe 44 zirkuliert Wasserstoffgas durch den Brennstoffgasweg und pumpt Wasserstoff in die Brennstoffzelle 20.
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Die Druckakquisitionseinheit 12 akquiriert den Druck P vom Drucksensor 48 und schätzt beruhend auf der Abnahmehöhe an Druck und der Wasserstoffverbrauchsmenge die Emissionsmenge (Schritt S26).
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Die Pumpensteuerungseinheit 16 stellt fest, ob die im Schritt S26 geschätzte Emissionsmenge größer oder gleich der Sollemissionsmenge ist (Schritt S28). In diesem Schritt wird festgestellt, ob das Ventil 42 normal funktioniert (ob die Abgabe normal ist). Wenn die Feststellung Nein ist, kehrt die CPU 10 zum Schritt S26 zurück. Wenn die Feststellung Ja ist, fährt die CPU 10 mit Schritt S30 fort.
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Im Schritt S30 treibt die Pumpensteuerungseinheit 16 die Pumpe 44 mit hoher Drehzahl an. Die hohe Drehzahl ist eine Drehzahl, bei der der Durchfluss an Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle 10 am besten geeignet sein wird, um den erforderlichen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Antreiben der Pumpe 44 mit hoher Drehzahl erlaubt der Zirkulationsgeschwindigkeit, eine zweite Zirkulationsgeschwindigkeit zu werden, die größer als die erste Zirkulationsgeschwindigkeit ist. Die zweite Zirkulationsgeschwindigkeit ist zum Beispiel eine Zirkulationsgeschwindigkeit, die für die Brennstoffzelle 20 am besten geeignet ist, um den erforderlichen elektrischen Strom zu erzeugen. Der Prozess endet nach dem Schritt S30.
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Das Ausführungsbeispiel gestaltet die Pumpensteuerungseinheit 16 so, dass sie die Pumpe 44 vorübergehend stoppt (Schritt S16 von 2), wenn die Abgabe aus dem Ventil 42 schlecht ist. Somit wird der Strom an Stickstoffgas in die Brennstoffzelle 20 verringert. Dementsprechend werden der Anstieg an Stickstoffpartialdruck und die Abnahme an Wasserstoffpartialdruck verringert, und somit wird die Abnahme an Stromerzeugungsspannung der Brennstoffzelle 20 aufgrund des Mangels an Wasserstoffgas verringert. Wenn die Pumpe 44 jedoch für eine lange Zeitdauer gestoppt wird, kann das durch die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 erzeugte Wasser die Pumpe 44 gefrieren lassen. Das Ausführungsbeispiel gestaltet die Pumpensteuerungseinheit 16 so, dass sie die Pumpe 44 antreibt (Schritt S24), wenn festgestellt wird, dass das Ventil 42 nicht funktioniert, und die Temperatur T des Kühlwassers größer oder gleich T1 und kleiner als T2 ist. Dementsprechend wird die Pumpe 44 daran gehindert zu gefrieren. Obwohl zu diesem Zeitpunkt verglichen mit dem Fall, in dem die Pumpe 44 gestoppt wird, Wasserdampf und Stickstoffgas in die Brennstoffzelle 20 strömen, ist die Drehzahl der Pumpe 44 gering. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 um ein gewisses Maß angestiegen ist, ist darüber hinaus die Zeit, die das Ventil 42 braucht, um normal zu arbeiten, kurz. Dementsprechend kann die Menge an Wasserdampf und Stickstoffgas, die in die Brennstoffzelle 20 strömt, bis das Ventil 42 wieder normal funktioniert, verringert werden. Somit kann die Verschlechterung der Brennstoffzelle 20 aufgrund der Abnahme an Wasserstoffpartialdruck verhindert werden. Und zwar kann das Ausführungsbeispiel die Verschlechterung der Brennstoffzelle 20 sowie das Gefrieren der Pumpe 44 verhindern.
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Wenn die geschätzte Emissionsmenge größer als die Sollemissionsmenge ist, treibt die Pumpensteuerungseinheit 16 die Pumpe 44 mit hoher Drehzahl an (Schritt S30). Wenn die geschätzte Emissionsmenge größer als die Sollemissionsmenge ist, wird geschätzt, dass das Ventil 42 aufgetaut ist (die Abgabe aus dem Ventil 42 normal ist). Somit werden Stickstoffgas und Wasser aus der externen Auslassleitung 38 normal abgegeben. Dementsprechend bleibt der Wasserstoffpartialdruck auch dann hoch, wenn durch den Brennstoffgasweg Stickstoffgas und Wasserdampf zirkulieren. Außerdem ist die Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf eine höhere Temperatur als beim Start angestiegen. Somit tritt das Gefrieren auch dann kaum auf, wenn in die Brennstoffzelle 20 Wasser eindringt. Selbst wenn die Pumpe 44 mit einer hohen Drehzahl gedreht wird, die für die Brennstoffzelle 22 am besten geeignet ist, um den erforderlichen elektrischen Strom zu erzeugen, wird dementsprechend die Verschlechterung der Brennstoffzelle 20 verhindert. Wie oben beschrieben wurde, kann das Ausführungsbeispiel die Verschlechterung der Brennstoffzelle und das Gefrieren der Pumpe 44 beim Niedrigtemperaturstart verhindern und es kann somit frühzeitig einen normalen Betriebszustand erreichen.
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Die Zirkulationsgeschwindigkeit, die durch die Drehung der Pumpe 44 im Schritt S24 erreicht wird, ist vorzugsweise geringer als die Zirkulationsgeschwindigkeit im Schritt S30 und ist vorzugsweise eine Zirkulationsgeschwindigkeit, bei der die Konzentration an Stickstoff, die anhand der geschätzten Zeitdauer berechnet wird, die das Ventil 42 braucht, um vom nicht funktionierenden Zustand aus wieder den normalen Zustand zu erreichen, in einen akzeptablen Bereich fällt. Indem die Konzentration an Stickstoff dazu gebracht wird, in den akzeptablen Bereich zu fallen, wird dem Wasserstoffpartialdruck erlaubt, 80 kPa oder mehr zu halten.
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In dem Ausführungsbeispiel wird die Pumpe 44 mit geringer Drehzahl angetrieben, wenn die Abgabe aus dem Ventil 42 nicht normal ist und die Temperatur T größer oder gleich T1 und kleiner als T2 ist. Wenn die Wassertemperatur T größer oder gleich T1 und kleiner als T2 ist, wird geschätzt, dass sich in dem Brennstoffgasweg Wasserdampf verteilt, der eine vorbestimmte Menge überschreitet. Das Antreiben der Pumpe 44 verhindert das Gefrieren der Pumpe 44. Allerdings ist die Gestaltung nicht auf die des Ausführungsbeispiels beschränkt. Und zwar können als ein sich auf Wasserdampf beziehender Parameter andere Parameter als die Wassertemperatur T verwendet werden. Zum Beispiel können die Menge an Wasserdampf im Brennstoffgasweg, der Wasserdampfpartialdruck oder die von der Brennstoffzelle 20 erzeugte Menge an Wasserdampf verwendet werden. Wenn diese Parameter größer oder gleich vorbestimmten Werten sind, wird die Pumpe 44 mit geringer Drehzahl angetrieben. Es können Sensoren vorgesehen werden, die dazu verwendet werden, die oben genannten Parameter zu messen, und die CPU 10 kann diese Parameter von den Sensoren akquirieren. Alternativ kann die CPU 10 zum Beispiel die Wassertemperatur T oder die Temperatur von Gas, das aus der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird, akquirieren und anhand dieser Temperaturen feststellen, ob der sich auf Wasserdampf beziehende Parameter größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Es können zwei oder mehr Parameter verwendet werden, oder es kann einer der oben genannten Parameter verwendet werden.
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Das Ausführungsbeispiel schätzt die Emissionsmenge anhand der Abnahmehöhe des Drucks P, wenn der Ventilöffnungsbefehl (Abgabebefehl) abgegeben wird, und erfasst das Nichtfunktionieren des Ventils 42, indem es die geschätzte Emissionsmenge und die Sollemissionsmenge vergleicht. Allerdings soll dies keinerlei Beschränkung darstellen. Zum Beispiel kann die Druckakquisitionseinheit 12 den Druck P akquirieren, nachdem der Ventilöffnungsbefehl abgegeben wurde, und feststellen, ob der Druck P größer oder gleich einem vorbestimmten Druck P1 ist, um das Nichtfunktionieren des Ventils 42 erfassen. Der Druck P ist als Schwellenwert ein Druck, bei dem geschätzt wird, dass die Abgabe aus dem Ventil 42 nicht normal ist. Wenn das Ventil 42 nicht gefroren ist, öffnet sich das Ventil 42 nämlich im Ansprechen auf den Ventilöffnungsbefehl, die Abgabe erfolgt wie erwartet in Übereinstimmung mit dem Ventilöffnungsbefehl, und der Druck P nimmt auf weniger als P1 ab. Wenn das Ventil 42 dagegen gefroren ist, funktioniert das Ventil 42 nicht und scheitert daran sich zu öffnen oder öffnet sich wenig. Somit wird die Emissionsmenge weniger als die erwartete Emissionsmenge und der Druck P wird größer oder gleich P1, also hoch. Alternativ kann festgestellt werden, dass das Ventil 42 normal arbeitet, wenn die vom Temperatursensor 50 erfasste Wassertemperatur T einen vorbestimmten Schwellenwert (z. B. die oben genannte Temperatur T2) überschreitet. Der Schwellenwert T2 ist eine Temperatur, bei der geschätzt wird, dass das Ventil 42 aufgetaut ist.
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Der Wasserdampfpartialdruck nimmt bei 30 bis 40°C stark zu. Dieser Anstieg kann Wasserdampf über die Gesamtheit des Brennstoffgaswegs hinweg verteilen, und die Pumpe 44 kann dementsprechend gefrieren. Daher wird die Temperatur T1 vorzugsweise auf 30 bis 40°C eingestellt. Das Antreiben der Pumpe 44 zu dem Zeitpunkt, wenn die Wassertemperatur T größer oder gleich T1 ist, verhindert das Gefrieren der Pumpe. Die Temperaturen T1 und T2 können gegenüber den oben genannten Werten geändert werden.
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Der Temperatursensor 50 befindet sich in der Kühlmittelleitung 39 vorzugsweise weiter stromaufwärts als der Kühler 24 und vorzugsweise insbesondere in der Umgebung des Auslasses des Kühlwassers aus der Brennstoffzelle 20. Das liegt daran, weil die Temperatur des Kühlwassers erfasst werden kann, unmittelbar nachdem es zum Kühlen genutzt wurde.
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Als ein Zirkulationsmechanismus für Wasserstoff kann anstelle der Pumpe 44 zum Beispiel ein Ejektor verwendet werden. Wenn ein Ejektor verwendet wird, steuert die CPU 10 die Wasserstoffversorgungsrate vom Wasserstofftank 42 und den Öffnungsgrad des Ejektors, um die Zirkulationsgeschwindigkeit zu ändern. Es kann ein anderer Auslassmechanismus als das Ventil 42 verwendet werden.
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Obwohl ausführlich einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt und kann innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung geändert oder abgewandelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/021301 A [0003, 0009]
