DE102016110620B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem (100), das aufweist:eine Brennstoffzelle (20);eine Reaktivgaszufuhrvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, der Brennstoffzelle (20) Reaktivgas zuzuführen;eine Gas strömende Nebenmaschine, die in einem Kanal geschaffen ist, durch den ein Abgas, das aus der Brennstoffzelle (20) ausgestoßen wird, hindurchströmt, und die dazu verwendet wird, um die Strömung des Abgases zu regeln;eine Abschaltprozesssteuervorrichtung (15), die dazu eingerichtet ist, die Ausführung eines Abschaltprozesses zu steuern, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle (20) gestoppt werden soll;eine Zelltemperaturerfassungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die Zelltemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Brennstoffzelle (20) zu erlangen; undeine Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, die Nebenmaschinentemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Gas strömenden Nebenmaschine zu erlangen, wobeidie Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu eingerichtet ist, um bei dem Abschaltprozess die folgenden Schritte durchzuführen:einen ersten Aufwärmprozess, der die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlasst, das Reaktivgas der Brennstoffzelle (20) zuzuführen und dabei die Brennstoffzelle (20) veranlasst, elektrische Energie zu erzeugen, um Wärme in der Brennstoffzelle (20) zu erzeugen;einen zweiten Aufwärmprozess, der eine Betriebsbedingung der Brennstoffzelle (20) steuert, so dass ein Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle (20) pro Zeiteinheit in dem zweiten Aufwärmprozess größer als ein Betrag des Temperaturanstiegs in dem ersten Aufwärmprozess ist; undeinen Spülprozess, der die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlasst, das Reaktivgas der Brennstoffzelle (20) als ein Spülgas zuzuführen, um zumindest die Brennstoffzelle (20) und die Gas strömende Nebenmaschine zu spülen, wobeider Abschaltprozess einen Prozess der Durchführung des zweiten Aufwärmprozesses enthält, der nachfolgend den ersten Aufwärmprozess und dann den Spülprozess basierend auf der Zelltemperaturinformation und der Nebenmaschinentemperaturinformation durchführt.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. Juni 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2015-128356 A .
  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Hinsichtlich einer Polymer-Elektrolytbrennstoffzelle, auf die nachstehend vereinfacht als „Brennstoffzelle“ Bezug genommen wird, wird während der Energieerzeugung eine große Menge an Wasser innerhalb der Brennstoffzelle produziert. Beispielsweise offenbaren JP 2008-034309 A , JP 2010-108757 A und JP 2005-317264 A Beispiele von Brennstoffzellensystemen. Solche Brennstoffzellensysteme führen durch Spülen oder dergleichen des Brennstoffzellensystems zur Betriebsstoppzeit einen Prozess zur Ausscheidung von Wasser aus, das innerhalb der Brennstoffzelle und innerhalb des Systems verbleibt, um die Verschlechterung der Startfähigkeit zu unterbinden, die durch Einfrieren des verbleibenden Wassers in einer Niedrigtemperaturumgebung, wie z.B. einer Umgebung unter null, verursacht wird.
  • Zur Betriebsstoppzeit des Brennstoffzellensystems ist es vorteilhaft, einen Spülprozess durchzuführen, um ausreichend Wasser zu entfernen, das innerhalb von Nebenmaschinen, die bei der Strömung von Reaktivgasen und Abgasen beteiligt sind, wie z.B. Ventile und Pumpen, verbleibt. Im Falle von Spülen in einer Niedrigtemperaturumgebung ist es jedoch wahrscheinlich, dass das verbleibende Wasser innerhalb solcher Nebenmaschinen zufriert. Dies kann bewirken, dass das verbleibende Wasser innerhalb der Nebenmaschinen nicht ausreichend ausgeschieden wird.
  • In den in JP 2010-108757 A und JP 2005-317264 A beschriebenen Brennstoffzellensystemen werden ein Spülprozess und ein Erwärmungsprozess für Ventile, wie z.B. Staudruckklappen, zum Zwecke der Ausscheidung von Wasser, das an den Ventilen haftet, durchgeführt. Bei den Techniken der JP 2010-108757 A und JP 2005-317264 A werden der Spülprozess und der Erwärmungsprozess für die Ventile jedoch unabhängig und getrennt von dem Spülprozess für die Brennstoffzelle durchgeführt.
  • Abschaltverfahren für Brennstoffzellensysteme sind zudem Gegenstand der US 2011/0065012 A1 , der DE 10 2014 222 199 A1 sowie der DE 10 2013 210 207 A1 . Hierbei lehrt die DE 10 2013 210 207 A1 ein allgemeines Abschaltverfahren mit Nachheizzeit. Aus der DE 10 2014 222 199 A1 ist ein Abschaltverfahren mit alternativen Nachheizmethoden bekannt, die je nach zu erwartendem Wasseranfall ausgeführt werden. Aus der US 2011/0065012 A1 ist schließlich ein Abschaltverfahren bekannt, das abhängig von der Temperatur des Systems zwei Aufwärmphasen nacheinander ausführt.
  • Gleichwohl gibt es Bei Brennstoffzellensystemen immer noch weiteren Verbesserungsbedarf hinsichtlich einer Technik, um dem zu unterbinden, dass nach einem Betriebsstopp Wasser in der Brennstoffzelle und der Hilfsmaschine verbleibt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte Brennstoffzellensysteme weiter zu verbessern, um zu unterbinden dass nach einem Betriebsstopp Wasser in der Brennstoffzelle und der Hilfsmaschine verbleibt. Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen nach Anspruch 1, vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • (1) Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung, wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, eine Reaktivgaszufuhrvorrichtung, eine Gas strömende Nebenmaschine, eine Abschaltprozesssteuervorrichtung, eine Zelltemperaturerfassungsvorrichtung und eine Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung. Die Reaktivgaszufuhrvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, der Brennstoffzelle ein Reaktivgas zuzuführen. Die ein Gas strömende Nebenmaschine kann in einem Kanal geschaffen sein, durch den ein Abgas, das aus der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, hindurchströmt, und kann dazu verwendet werden, um die Strömung des Abgases zu regeln. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Ausführung eines Abschaltprozesses zu steuern, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt werden soll. Die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Zelltemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Brennstoffzelle zu erlangen. Die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Nebenmaschinentemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Gas strömenden Nebenmaschine zu erlangen. Bei dem Abschaltprozess kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung dazu eingerichtet sein, einen ersten Aufwärmprozess, einen zweiten Aufwärmprozess und einen Spülprozess durchzuführen. Der erste Aufwärmprozess kann die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlassen, der Brennstoffzelle das Reaktivgas zuzuführen und dabei die Brennstoffzelle zu veranlassen, elektrische Energie zu erzeugen, um Wärme in der Brennstoffzelle zu erzeugen. Der zweite Aufwärmprozess kann eine Betriebsbedingung der Brennstoffzelle steuern, so dass ein Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit in dem zweiten Aufwärmprozess größer als ein Betrag des Temperaturanstiegs in dem ersten Aufwärmprozess ist. Der Spülprozess kann die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlassen, das Reaktivgas als ein Spülgas der Brennstoffzelle zuzuführen, um zumindest die Brennstoffzelle und die Gas strömende Nebenmaschine zu spülen. Der Abschaltprozess kann einen Prozess der Durchführung des zweiten Aufwärmprozesses enthalten, der nachfolgend den ersten Aufwärmprozess und dann den Spülprozess basierend auf der Zelltemperaturinformation und der Nebenmaschinentemperaturinformation durchführt. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts veranlasst die Temperaturen sowohl der Brennstoffzelle als auch der Gas strömenden Nebenmaschine anzusteigen, damit diese vor dem Spülprozess erhöht sind. Dies verstärkt die Wirkung der Ausscheidung des verbleibenden Wassers durch den Spülprozess.
  • (2) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts kann die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung direkt oder indirekt die Temperatur der Brennstoffzelle messen und eine Zelltemperatur erlangen, die die Temperatur der Brennstoffzelle als die Zelltemperaturinformation kennzeichnet. Die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung kann direkt oder indirekt die Temperatur der Gas strömendem Nebenmaschine messen und eine Nebenmaschinentemperatur erlangen, die die Temperatur der Gas strömendem Nebenmaschine als die Nebenmaschinentemperaturinformation kennzeichnet. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung kann von dem zweiten Aufwärmprozess zu dem ersten Aufwärmprozess wechseln, wenn die Zelltemperatur höher als ein vorbestimmter erster Zelltemperaturreferenzwert wird und die Nebenmaschinentemperatur gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Nebenmaschinentemperaturreferenzwert nach dem Start des zweiten Aufwärmprozesses ist. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung kann den Spülprozess durchführen, wenn die Zelltemperatur höher als ein vorbestimmter zweiter Zelltemperaturreferenzwert ist, der höher als der erste Zelltemperaturreferenzwert ist. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts veranlasst, dass der erste Aufwärmprozess, der zweite Aufwärmprozess und der Spülprozess zu geeigneteren Zeitpunkten gemäß der tatsächlichen Temperatur der Brennstoffzelle und der tatsächlichen Temperatur der Gas strömendem Nebenmaschine durchgeführt werden.
  • (3) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts, führt nach dem Wechseln von dem zweiten Aufwärmprozess zu dem ersten Aufwärmprozess und einem Start des ersten Aufwärmprozesses, wenn die Nebenmaschinentemperatur höher als der Nebenmaschinentemperaturreferenzwert wird, die Abschaltprozesssteuervorrichtung den zweiten Aufwärmprozess erneut in einem Zustand durch, bei dem die Zelltemperatur niedriger als der zweite Zelltemperaturreferenzwert ist. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts ermöglicht, dass die Temperatur der Brennstoffzelle effizient in einer kürzeren Zeitdauer vor dem Spülprozess erhöht wird.
  • (4) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts, kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung eine Zufuhrmenge eines Oxidationsgases, das in dem Reaktivgas enthalten ist, relativ zu einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle in dem zweiten Aufwärmprozess verringern, um geringer als eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases in dem ersten Aufwärmprozess zu sein, um den Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit in dem zweiten Aufwärmprozess zu erhöhen. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts ermöglicht einen effizienten Wechsel zwischen dem ersten Aufwärmprozess und dem zweiten Aufwärmprozess, indem die Zufuhr des Reaktivgases zu der Brennstoffzelle ohne die Verwendung einer beliebigen Nebenmaschine oder dergleichen gesteuert wird, um die Brennstoffzelle zu erwärmen.
  • All die mehreren Komponenten, die in jedem der Aspekte der Erfindung enthalten sind, die vorstehend beschrieben sind, sind nicht wesentlich, aber einige Komponenten unter den mehreren Komponenten können geeignet geändert, ausgelassen oder durch andere zusätzliche Komponenten ersetzt werden, oder ein Teil der Einschränkungen kann gestrichen werden, um einen Teil oder all die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle die hierin beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Um einen Teil oder all die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle die hierin beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen, können ein Teil oder all die technischen Merkmale, die in einem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung enthalten sind, mit einem Teil oder all den technischen Merkmalen kombiniert werden, die in einem anderen vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung enthalten sind, um einen unabhängigen Aspekt der Erfindung zu schaffen.
  • Die Erfindung kann durch einem beliebigen der verschiedenen Aspekte implementiert sein, die andere als das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem sind, beispielsweise eine Steuervorrichtung für das Brennstoffzellensystem, ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems, eine Abschaltverarbeitungsvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, ein Betriebsstoppverfahren des Brennstoffzellensystems, eine Aufwärmvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, ein Aufwärmverfahren des Brennstoffzellensystems, eine Spülvorrichtung des Brennstoffzellensystems, ein Spülverfahren des Brennstoffzellensystems, eine Steuerung beliebiger dieser Vorrichtungen, ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, jedes dieser Verfahren in einem nichtflüchtigen Speichermedium zu implementieren, in dem jedes solcher Computerprogramme gespeichert werden kann.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
    • 2 ist ein Diagramm, das einen Ablauf des Abschaltprozesses gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 3 ist ein Diagramm, das einen Ablauf einer Aufwärmbetriebsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Zeitdiagramms in dem Abschaltprozess gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf eines Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Temperaturanstiegsratenabbilds (engl. map) darstellt, das bei dem Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozess gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird; und
    • 7 ist ein Diagramm, das einen Ablauf einer Aufwärmbetriebssteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Erste Ausführungsform
  • A1. Aufbau des Brennstoffzellensystems
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung darstellt. Dieses Brennstoffzellensystem 100 ist auf einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert und dient hauptsächlich dazu, elektrische Energie, die als Antriebskraft des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet wird, als Antwort auf eine Fahreranforderung auszugeben. Das Brennstoffzellensystem 100 enthält eine Steuervorrichtung 10, eine Brennstoffzelle 20, ein Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30, ein Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 und ein Kühlmediumzufuhrsystem 70.
  • Die Steuervorrichtung 10 ist durch einen Mikrocomputer, der eine zentrale Verarbeitungseinheit und eine Hauptspeichereinheit enthält, eingerichtet. Die Steuervorrichtung 10 lädt und führt ein Programm auf der Hauptspeichereinheit aus, um verschiedene Funktionen bereitzustellen. Die Steuervorrichtung 10 steuert während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 die jeweiligen Komponenten 30, 50 und 70, die nachstehend beschrieben sind, um Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 20 durchzuführen, die die Brennstoffzelle 20 veranlasst, elektrische Energie zu erzeugen, die einer Ausgabeanforderung entspricht.
  • Gemäß dieser Ausführungsform dient die Steuervorrichtung 10 als eine Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, die einen Abschaltprozess durchführt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 gestoppt wird. Das Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform führt einen Spülprozess bei dem Abschaltprozess unter einer Niedrigtemperaturumgebung durch, um zu unterbinden, dass Wasser nach dem Stoppen eines Betriebs in dem Brennstoffzellensystem 100 verbleibt. Die Einzelheiten des Abschaltprozesses werden später beschrieben.
  • Außerdem dient die Steuervorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform auch als eine Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 und eine Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18. Die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 erlangt basierend auf einem Messergebnis einer Temperaturmesseinheit 76 in dem Kühlmediumzufuhrsystem 70 eine Zelltemperatur TFC , die eine Temperatur der Brennstoffzelle 20 kennzeichnet. Die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 erlangt mittels einer Pumpentemperaturmesseinheit 64t, die in der Wasserstoffpumpe 64 des Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystems 50 geschaffen ist, eine Nebenmaschinentemperatur TAM , die eine Temperatur einer Wasserstoffpumpe 64 kennzeichnet. Die Zelltemperatur TFC und die Nebenmaschinentemperatur TAM werden in dem Abschaltprozess verwendet.
  • Die Brennstoffzelle 20 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die Zufuhren eines Brenngases und eines Oxidationsgases als Reaktivgas aufnimmt und elektrische Energie erzeugt. Das Brenngas in dieser Ausführungsform ist Wasserstoff und das Oxidationsgas ist Sauerstoff. Die Brennstoffzelle 20 weist eine Stapelstruktur durch das Stapeln mehrerer Einheitszellen 21 aus. Jede der Einheitszellen 21 ist eine Energieerzeugungseinheit, die in der Lage ist, Elektrizität allein zu erzeugen. Jede Einheitszelle 21 enthält eine Membranelektrodenanordnung und zwei Separatoren. Die Membranelektrodenanordnung ist ein Energieerzeugungselement, das Elektroden aufweist, die an jeweiligen Oberflächen einer Elektrolytmembrane angeordnet sind. Die Elektrolytmembrane ist aus einem festen Polymerdünnfilm ausgebildet, der die gute Protonleitfähigkeit in dem nassen Zustand, bei dem im Innern Wasser enthalten ist, zeigt. Die Separatoren sind in der gesamten Membranelektrodenanordnung angeordnet. Die Separatoren sind in den Abbildungen nicht gezeigt.
  • Das Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 dient dazu, einer Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 Oxidationsgas zuzuführen und ein Kathodenabgas und angestautes Wasser aus der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 aus dem Brennstoffzellensystem 100 auszustoßen. Das Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 enthält ein Kathodengasrohr 31, einen Luftverdichter 32, ein Luftflussmessgerät 33 und ein Auf-/Zu-Ventil 34 als das Zufuhrsystem des Oxidationsgases. Das Kathodengasrohr 31 ist mit einem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle 20 verbunden. Der Luftverdichter 32 ist mit der Brennstoffzelle 20 über das Kathodengasrohr 31 verbunden und ist dazu eingerichtet, die Einlassluft, die aus der Umgebungsluft entnommen wird, zu verdichten, und die verdichtete Luft der Brennstoffzelle 20 zuzuführen.
  • Das Luftflussmessgerät 33 ist auf der stromaufwärtigen Seite des Luftverdichters 32 angeordnet, um die Menge an Außenluft zu messen, die durch den Luftverdichter 32 aufgenommen wird, zu messen und den Messwert der Steuervorrichtung 10 zu senden. Die Steuervorrichtung 10 betreibt den Luftverdichter 32 basierend auf dem empfangenen Messwert, um die Menge an Luft, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, zu regulieren. Das Auf-/Zu-Ventil 34 ist zwischen dem Luftverdichter 32 und der Brennstoffzelle 20 geschaffen. Das Auf-/Zu-Ventil 34 ist normal geschlossen und wird geöffnet, wenn Luft eines vorbestimmten Drucks aus dem Luftverdichter 32 dem Kathodengasrohr 31 zugeführt wird.
  • Das Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 enthält ferner ein Kathodenabgasrohr 41, einen Druckregler 43 und eine Druckmesseinheit 44 als das Abführsystem des Oxidationsgases. Das Kathodenabgasrohr 41 ist mit einem kathodenseitigen Auslass der Brennstoffzelle 20 verbunden und ist dazu eingerichtet, das Kathodenabgas und das angestaute Wasser aus den Brennstoffzellensystemen 100 auszustoßen. Der Druckregler 43 ist ein Regelventil. Der Druckregler 43 reguliert den Druck des Kathodenabgases in dem Kathodenabgasrohr 41. Der Druck des Kathodenabgases ist ein Rückdruck auf die Kathodenseite der Brennstoffzelle 20. Die Druckmesseinheit 44 wird auf der stromaufwärtigen Seite des Druckreglers 43 angeordnet, um den Druck des Kathodenabgases zu messen und den Messwert an die Steuervorrichtung 10 zu senden. Die Steuervorrichtung 10 reguliert die Öffnung des Druckreglers 43 basierend auf dem Messwert der Druckmesseinheit 44.
  • Das Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 dient dazu, das Brenngas einer Anodenseite der Brennstoffzelle 20 zuzuführen. Das Anodengas-Zufuhr-/Abfuhrsystem 50 dient auch dazu, ein Anodenabgas und angestautes Wasser aus der Anodenseite der Brennstoffzelle 20 aus dem Brennstoffzellensystem 100 auszustoßen und dient dazu, das Anodenabgas in dem Brennstoffzellensystem 100 zu zirkulieren.
  • Das Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 enthält ein Anodengasrohr 51, einen Wasserstofftank 52, ein Auf-/Zu-Ventil 53, einen Regler 54, eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und eine Druckmesseinheit 56 als das Zufuhrsystem des Brenngases. Der Wasserstofftank 52 ist mit Hochdruckwasserstoff, der der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, gefüllt. Der Wasserstofftank 52 ist mit einem anodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle 20 über das Anodengasrohr 51 verbunden.
  • Das Auf-/Zu-Ventil 53, der Regler 54, die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und die Druckmesseinheit 56 sind in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite in dem Anodengasrohr 51 geschaffen. In dem Zufuhrsystem des Brenngases, ist die Stromaufwärtsseite die Wasserstofftank 52-Seite. Das Auf-/Zu-Ventil 53 ist ein Ventil, das dazu geschaffen ist, die Einströmung von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 52 zu der Stromaufwärtsseite der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 zu steuern. Die Öffnungs- und Schließbetätigungen des Auf-/Zu-Ventils 53 werden von der Steuervorrichtung 10 gesteuert.
  • Der Regler 54 ist ein Druckminderer, der betätigt wird, um den Druck von Wasserstoff auf die Stromaufwärtsseite der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 zu regulieren. Der Öffnungsgrad des Reglers 54 wird durch die Steuervorrichtung 10 gesteuert. Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 wird beispielsweise durch eine Einspritzvorrichtung, d.h. ein Magnet betätigtes Auf-/Zu-Ventil eingerichtet. Die Druckmesseinheit 56 misst den Druck von Wasserstoff auf die Stromabwärtsseite der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 und sendet den Messwert an die Steuervorrichtung 10. Die Steuervorrichtung 10 steuert, basierend auf dem Messwert der Druckmesseinheit 56 eine Antriebsdauer, die die Auf-/Zu-Zeit der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 kennzeichnet, um die Menge an Wasserstoff, der der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, zu regulieren.
  • Das Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 enthält ein Anodenabgasrohr 61, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 62, ein Anodengas-Zirkulationsrohr 63, eine Wasserstoffpumpe 64, ein Anoden-Drainagerohr 65 und ein Drainageventil 66 als das Ausstoßzirkulationssystem des Brenngases. Das Anodenabgasrohr 61 wird mit einem anodenseitigen Auslass der Brennstoffzelle 20 und dem Gas-Flüssigkeits-Separator 62 verbunden.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Separator 62 ist mit dem Anodengaszirkulationsrohr 63 und dem Anodendrainagerohr 65 verbunden. Das Anodenabgas, das durch das Anodenabgasrohr 61 in den Gas-Flüssigkeits-Separator 62 hindurchströmt, wird in eine Gaskomponente und Wasser durch den Gas-Flüssigkeits-Separator separiert. In dem Gas-Flüssigkeits-Separator 62 wird die Gaskomponente des Anodenabgases zu dem Anodengas-Zirkulationsrohr 63 geleitet, während das separierte Wasser zu dem Anoden-Drainagerohr 65 geleitet wird.
  • Das Anodengas-Zirkulationsrohr 63 ist mit dem Anodengasrohr 51 auf der Stromabwärtsseite der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 verbunden. Das Anodengas-Zirkulationsrohr 63 ist mit der Wasserstoffpumpe 64 geschaffen. Die Wasserstoffpumpe 64 dient als eine Zirkulationspumpe, um Wasserstoff, der in der Gaskomponente enthalten ist und durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 62 separiert wird, dem Anodengasrohr 51 zuzuführen. Die Steuervorrichtung 10 erlangt die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 64 mittels eines Kodierers, der in der Wasserstoffpumpe 64 enthalten ist, und verwendet die erlangte Drehgeschwindigkeit für die Betriebssteuerung der Wasserstoffpumpe 64. Der Kodierer ist in den Abbildungen nicht gezeigt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist die Wasserstoffpumpe 64 mit einer Pumpentemperaturmesseinheit 64t geschaffen. Wie vorstehend beschrieben, erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 gemäß dieser Ausführungsform den gemessen Temperaturwert der Wasserstoffpumpe 64 durch die Pumpentemperaturmesseinheit 64t als die Nebenmaschinentemperatur TAM . Die Wasserstoffpumpe 64 der Ausführungsform entspricht dem spezielleren Konzept der Gas strömendem Nebenmaschine der Erfindung. Die Nebenmaschinentemperatur TAM entspricht dem spezielleren Konzept der Nebenmaschinentemperaturinformation der Erfindung.
  • Das Anoden-Drainagerohr 65 ist mit dem Drainageventil 66 geschaffen. Das Drainageventil 66 wird als Antwort auf Anweisungen der Steuervorrichtung 10 geöffnet und geschlossen. Die Steuervorrichtung 10 schließt gewöhnlich das Drainageventil 66 und öffnet das Drainageventil 66 zu vorbestimmten Wasserabführzeitpunkten und zu Auslasszeitpunkten eines Inertgases, das in dem Anodenabgas enthalten ist. Ein stromabwärtiges Ende des Anoden-Drainagerohrs 65 wird mit dem Kathodenabgasrohr 41 verbunden, um zu veranlassen, dass sich das angestaute Wasser an der Anodenseite und das Anodenabgas mit dem angestauten Wasser an der Kathodenseite und mit dem Kathodenabgas vermischen und ausgestoßen werden, obwohl dies nicht speziell abgebildet ist.
  • Das Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 und das Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 entsprechen dem spezielleren Konzept der Reaktivgaszufuhrvorrichtung der Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Aufwärmprozess durchgeführt, um die Temperatur der Brennstoffzelle 20 bei dem Abschaltprozess, der durch die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 durchgeführt wird, zu erhöhen. Bei dem Aufwärmprozess dienen das Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 und das Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 als eine Aufwärmbetrieb-Durchführvorrichtung, um der Brennstoffzelle 20 das Reaktivgas zuzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Spülprozess durchgeführt, um innerhalb der Brennstoffzelle 20 und innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 bei dem Abschaltprozess, der durch die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 durchgeführt wird, zu spülen. In dem Spülprozess dienen der Luftverdichter 32 des Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-Systems 30 und die Wasserstoffpumpe 64 des Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystems 50 als eine Spüldurchführungsvorrichtung, um das Reaktivgas als ein Spülgas zuzuführen. Die Einzelheiten des Aufwärmprozesses und des Spülprozesses werden später beschrieben.
  • Das Kühlmediumzufuhrsystem 70 enthält ein Kühlmediumrohr 71, einen Radiator 72 und eine Umwälzpumpe 75. Das Kühlmediumrohr 71 ist ein Rohr, das dazu angeordnet ist, ein Kühlmedium zu zirkulieren, das dazu verwendet wird, die Brennstoffzelle 20 abzukühlen und das ein stromaufwärtiges Rohr 71a und ein stromabwärtiges Rohr 71b enthält. Das stromaufwärtige Rohr 71a ist angeordnet, um einen Auslass eines Kühlmediumstrompfads in der Brennstoffzelle 20 mit einem Einlass des Radiators 72 zu verbinden. Das stromabwärtige Rohr 71b ist angeordnet, um einen Einlass des Kühlmediumstrompfads in der Brennstoffzelle 20 mit einem Auslass des Radiators 72 zu verbinden. Der Radiator 72 weist ein Gebläse auf, das dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft aufzunehmen, und dient dazu, durch Wärmetausch zwischen dem Kühlmedium in dem Kühlmediumrohr 71 und der Umgebungsluft das Kühlmedium abzukühlen. Die Umwälzpumpe 75 ist in dem stromabwärtigen Rohr 71b geschaffen. Das Kühlmedium wird in dem Kühlmediumrohr 71 durch die Antriebskraft der Umwälzpumpe 75 durchströmt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird das Kühlmediumzufuhrsystem 70 mit einer Temperaturmesseinheit 76 ausgestattet, um die Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu messen. Die Temperaturmesseinheit 76 ist in dem stromaufwärtigen Rohr 71a des Kühlmediumzufuhrsystems 70 geschaffen. Wie vorstehend beschrieben, erlangt die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 basierend auf dem durch die Temperaturmesseinheit 76 gemessen Wert der Temperatur des Kühlmediums, das aus der Brennstoffzelle 20 ausgestoßen wird, die Zelltemperatur TFC , die die Temperatur der Brennstoffzelle 20 kennzeichnet. Die Zelltemperatur TFC entspricht dem spezielleren Konzept der Zelltemperaturinformation der Erfindung.
  • Außerdem enthält das Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform zumindest eine Sekundärbatterie und einen DC-DC-Wandler als das elektrische System. Die Sekundärbatterie speichert elektrische Energie, die aus der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wird und regenerative elektrische Energie und dient zusammen mit der Brennstoffzelle 20 als eine Energiequelle. Der DC-DC-Wandler steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie und steuert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20. Der DC-DC-Wandler ist nicht in den Abbildungen gezeigt.
  • A2. Abschaltprozess des Brennstoffzellensystems
  • 2 ist ein Diagramm, das einen Ablauf eines Abschaltprozesses zeigt, der durch die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 in dem Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 führt einen Abschaltprozess durch, der nachstehend beschrieben ist, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 beispielsweise in Folge einer Erfassung einer Stoppaktivität des Brennstoffzellenfahrzeugs durch den Fahrer gestoppt werden soll. Der Stoppbetrieb enthält beispielsweise einen Zündausbetrieb.
  • Im Schritt S10 bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, ob ein Spülprozess durchgeführt werden soll oder nicht. Der Spülprozess führt der Brennstoffzelle 20 und den Strömungskanälen des Reaktivgases und des Abgases ein Spülgas zu, um die Menge des verbleibenden Wassers zu reduzieren. Die Einzelheiten des Spülprozesses werden später beschrieben. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 bestimmt, dass der Spülprozess durchgeführt werden soll, wenn die Umgebungstemperatur wahrscheinlich während des Stopps des Systems auf den Gefrierpunkt fällt. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 kann beispielsweise bestimmen, dass der Spülprozess durchgeführt werden soll, wenn die Umgebungstemperatur, die durch einen Umgebungstemperatursensor oder dergleichen, der nicht in den Abbildungen gezeigt ist, bestimmt wird, niedriger als 10°C ist oder wenn der aktuelle Zeitpunkt basierend auf der Datumsinformation und der Zeitinformation als eine Wintermittemacht erfasst wird. In einem weiteren Beispiel kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 bestimmen, dass der Spülprozess durchgeführt werden soll, wenn erfasst wird, dass basierend auf dem aktuellen Widerstandswert der Brennstoffzelle 20 oder basierend auf der Information, die eine Betriebskennzahl der Brennstoffzelle 20, wie z.B. die Energiemenge vor einem Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 darstellt, eine große Menge an Wasser in der Brennstoffzelle 20 oder in dem System verbleibt. Wenn es unwahrscheinlich ist, dass die Umgebungstemperatur während des Stopps des Systems auf den Gefrierpunkt fällt, stoppt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ohne den Spülprozess durchzuführen.
  • Im Schritt S13 bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 basierend auf der Zelltemperatur TFC die durch die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 erlangt wird, und der Nebenmaschinentemperatur TAM , die durch die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 erlangt wird, ob ein Aufwärmbetrieb durchgeführt werden soll oder nicht. Der Aufwärmbetrieb kennzeichnet einen Betrieb, der die Brennstoffzelle 20 veranlasst, elektrische Energie für den Zweck der Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu erzeugen, und entspricht dem spezielleren Konzept des Aufwärmprozesses der Erfindung. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 bestimmt, dass der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden soll, wenn die Zelltemperatur TFC und die Nebenmaschinentemperatur TAM Temperaturen sind, die wahrscheinlich bewirken, dass das Wasser in der Wasserstoffpumpe 64 während des Spülprozesses zufriert. Dementsprechend bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, dass der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden soll, wenn die Zelltemperatur TFC niedriger als eine erste Temperatur Tfl ist, die später beschrieben wird, und die Nebenmaschinentemperatur TAM niedriger als eine später beschriebene Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist. Konkreter bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, dass der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden soll, wenn die Zelltemperatur TFC niedriger als 50°C und die Nebenmaschinentemperatur TAM niedriger als 10°C ist.
  • Wenn bestimmt wird, dass der Aufwärmbetrieb im Schritt S13 nicht durchgeführt werden soll, startet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Spülprozess im Schritt S18, ohne eine Aufwärmbetriebsteuerung des Schritts S15 durchzuführen. Dies unterbindet, dass der Aufwärmbetrieb nutzlos durchgeführt wird und wirkt dadurch einer Verschlechterung der Systemeffizienz entgegen.
  • Wenn auf der der anderen Seite im Schritt S13 bestimmt wird, dass der Aufwärmbetrieb durchgeführt werden soll, führt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 im Schritt S15 eine Aufwärmbetriebssteuerung durch. Die Aufwärmbetriebssteuerung führt den Aufwärmbetrieb durch, um, wie später beschrieben wird, die Temperatur der Brennstoffzelle 20 und die Temperatur der Nebenmaschinen, wie z.B. einer Wasserstoffpumpe 64, durch die das Abgas der Brennstoffzelle 20 hindurchströmt, effizient zu erhöhen. Die Aufwärmbetriebssteuerung erhöht die Temperatur des Spülgases, der in dem nachfolgend durchgeführten Spülprozess durchgeströmt wird, und unterbindet, dass Wasser in den Nebenmaschinen zufriert, und verstärkt somit effizient die Wirkung der Entfernung des verbleibenden Wassers durch den Spülprozess. Die durch die Brennstoffzelle 20 während des Aufwärmbetriebs erzeugte elektrische Energie, die durch die Nebenmaschinen, wie z.B. den Luftverdichter 32 und die Wasserstoffpumpe 64 in dem Brennstoffzellensystem 100 verbraucht wird, und die überschüssige elektrische Energie werden in der Sekundärbatterie gespeichert. Die Einzelheiten der Aufwärmbetriebssteuerung werden später erläutert.
  • In dem Spülprozess im Schritt S18 treibt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Luftverdichter 32 des Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-Systems 30 an, Umgebungsluft aufzunehmen und die Einlassumgebungsluft als ein Spülgas der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 zuzuführen. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 schließt auch das Auf-/Zu-Ventil 53 des Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystems 50, um den Betrieb der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 55 zu stoppen und treibt die Wasserstoffpumpe 64 an. Dies veranlasst, dass das in dem Zirkulationskanal des Anodengases in dem Brennstoffzellensystem 100 verbleibende Gas zirkuliert wird, und als das Spülgas zugeführt wird und die bewirkt eine Spülung des Zirkulationskanals.
  • A3. Aufwärmbetriebssteuerung
  • 3 ist ein Diagramm, das einen Ablauf der Aufwärmbetriebssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Wie vorstehend beschrieben kennzeichnet der Aufwärmbetrieb den Betrieb, bei dem die Brennstoffzelle 20 elektrische Energie für den Zweck der Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 erzeugt. Der Aufwärmbetrieb, der in dem Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform durchgeführt wird, enthält zwei verschiedene Arten von Aufwärmbetrieben, „einen Standardaufwärmbetrieb“ und „einen Schnellaufwärmbetrieb“. Die Aufwärmbetriebssteuerung wechselt zwischen dem Standardaufwärmbetrieb und dem Schnellaufwärmbetrieb. Nachstehendes beschreibt zuerst den Unterschied zwischen dem Standardaufwärmbetrieb und dem Schnellaufwärmbetrieb und anschließend beschreibt es den Ablauf der Aufwärmbetriebssteuerung.
  • Der Standardaufwärmbetrieb kennzeichnet einen Aufwärmbetrieb, der eine relativ niedrige Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20 aufweist. Das Verhältnis von Zufuhrmenge des Oxidationsgases zu der Zufuhrmenge des Brenngases in dem Standardaufwärmbetrieb ist im Wesentlichen dem Verhältnis während eines normalen Antriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs äquivalent. Konkreter steuert der Standardaufwärmbetrieb der Ausführungsform die Zufuhrmenge des Reaktivgases, so dass die Zufuhrmenge des Oxidationsgases, die der Brennstoffzelle 20 tatsächlich zugeführt wird, ungefähr 1,5 bis 2,0 Mal so groß wie die erforderliche Menge an Oxidationsgas ist, die gemäß des Betrags der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 20 basierend auf der Reaktionsformel der Energieerzeugungsreaktion theoretisch bestimmt wurde. Die Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 20 in dem Standardaufwärmbetrieb kann im Wesentlichen identisch mit der Energieerzeugungssteuerung sein, die während des Leerlaufs des Brennstoffzellenfahrzeugs durchgeführt wird. Aus diesem Blickwinkel kann der Standardaufwärmbetrieb als ein Aspekt des normalen Betriebs interpretiert werden, der eine normale Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 20 schafft. Der Standardaufwärmbetrieb entspricht dem spezielleren Konzept des ersten Aufwärmprozesses der Erfindung.
  • Der Schnellaufwärmbetrieb wird auf der anderen Seite zum Zwecke der Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einer kurzen Zeitdauer durchgeführt und kennzeichnet einen Aufwärmbetrieb, der eine höhere Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20 aufweist als diejenige des Standardaufwärmbetriebs. Die „Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20“ kennzeichnet einen Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit. Die Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20 in dem Schnellaufwärmbetrieb der Ausführungsform wird durch die Energieerzeugungssteuerung der Brennstoffzelle 20 höher eingestellt als die Temperaturanstiegsrate in dem Standardaufwärmbetrieb. Der Schnellaufwärmbetrieb der Ausführungsform führt das Reaktivgas der Brennstoffzelle 20 zu, so dass das Verhältnis der Zufuhrmenge des Oxidationsgases zu der erforderlichen Menge des Oxidationsgases gemäß des Betrags der vorstehend beschriebenen Energieerzeugung der Brennstoffzelle 20 niedriger eingestellt wird als das Verhältnis in dem Standardaufwärmbetrieb. Konkreter steuert der Schnellaufwärmbetrieb der Ausführungsform die Zufuhr des Reaktivgases, so dass die tatsächliche Zufuhrmenge des Oxidationsgases im Wesentlichen gleich mit der erforderlichen Menge des Oxidationsgases ist, die gemäß des Betrags der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 20 basierend auf der Reaktionsformel der Energieerzeugungsreaktion theoretisch bestimmt wurde. Der Schnellaufwärmbetrieb weist dementsprechend die niedrigere Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 20 als diejenige des Standardaufwärmbetriebs auf und beschleunigt dadurch die Wärmeentwicklung. Dies hat eine Erhöhung der Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20 zur Folge, damit diese höher als die Temperaturanstiegsrate in dem Standardaufwärmbetrieb ist. Der Schnellaufwärmbetrieb entspricht dem spezielleren Konzept des zweiten Aufwärmprozesses der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform wechselt schnell zwischen dem Standardaufwärmbetrieb und dem Schnellaufwärmbetrieb, indem einfach, das Verhältnis der Zufuhrmenge des Oxidationsgases zu der Zufuhrmenge des Brenngases geändert wird.
  • Im Schritt S20 der Aufwärmbetriebssteuerung startet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 zuerst den Schnellaufwärmbetrieb, um die Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einer kurzen Zeitspanne zu erhöhen. Wie vorstehend hinsichtlich der Steuerung des Abschaltprozesses beschrieben, wird die Aufwärmbetriebssteuerung gestartet, wenn die Zelltemperatur TFC niedrig ist, so dass es erwünscht ist, die Brennstoffzelle 20 schnell zu erwärmen.
  • Im Schritt S22 überprüft die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 die Zelltemperatur TFC . Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 führt den Schnellaufwärmbetrieb fort, während die Zelltemperatur TFC gleich mit einer ersten Temperatur Tf1, die eine vorbestimmte Referenztemperatur ist, oder niedriger als diese ist. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 beendet den Schnellaufwärmbetrieb, wenn die Zelltemperatur TFC höher als die erste Temperatur Tf1 im Schritt S24 wird. Die erste Temperatur Tf1 entspricht dem spezielleren Konzept des ersten Zelltemperaturreferenzwerts der Erfindung. Die erste Temperatur Tf1 wird vorzugsweise auf eine Temperatur eingestellt, die mit Sicherheit die Temperatur der Einheitszelle 21, die an einem Ende der Brennstoffzelle 20 angeordnet ist, auf höher als 0°C einstellt. Dies unterbindet, dass der Schnellaufwärmbetrieb beendet wird, bevor die Temperaturen all der Einheitszellen 21 in der Brennstoffzelle 20 ausreichend erhöht sind.
  • Vorzugsweise wird die erste Temperatur Tf1 niedriger als die Standardbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 eingestellt. In dieser Beschreibung bedeutet Standardbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 eine durchschnittliche Betriebstemperatur, wenn veranlasst wird, dass die Brennstoffzelle 20 die Energieerzeugung fortführt, wobei sie eine Ausgangsspannung von 0,8 bis 1,0 V in dem Zustand der Umgebungstemperatur von 20 bis 30°C aufweist. Vorzugsweise wird die erste Temperatur Tf1 aus folgendem Grund auf eine solche niedrige Temperatur eingestellt.
  • Der Schnellaufwärmbetrieb der Schritte S20 bis S24 kann in dem Fall durchgeführt werden, bei dem die Temperatur der Nebenmaschinen, wie z.B. der Wasserstoffpumpe 64, niedriger als 0°C gehalten wird. Ein Beispiel dieses Falles ist, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, der in einer Niedrigtemperaturumgebung durchgeführt wird, unmittelbar nachdem er gestartet wurde, gestoppt wird. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 eine hohe Temperatur erreicht, die höher als die Standardbetriebstemperatur ist, strömt in diesem Fall ein heißes Abgas, das eine große Menge von Wasserdampf enthält, in die Nebenmaschinen hinein. Dies schafft die Möglichkeit, dass das Wasser in dem Abgas innerhalb der Nebenmaschinen zufriert. Um zu unterbinden, dass das Wasser innerhalb der Nebenmaschinen zufriert, ist es vorteilhaft, den Schnellaufwärmbetrieb dieser Stufe zu beenden, wenn die Zelltemperatur TFC eine niedrigere Temperatur als die Standardbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 ist.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es vorteilhaft, die erste Temperatur Tf1 auf die Temperatur einzustellen, die die Temperaturen all der Einheitszellen 21 in der Brennstoffzelle 20 ausreichend erhöht, aber die niedriger als die Standardbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 ist. Die erste Temperatur Tn wird vorzugsweise beispielsweise auf ungefähr 50 bis 60°C eingestellt.
  • Im Schritt S26 bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, ob die Nebenmaschinentemperatur TAM höher als eine vorbestimmte Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist, startet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 im Schritt S30 den Standardaufwärmbetrieb. Die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta entspricht dem spezielleren Konzept des Nebenmaschinentemperaturreferenzwerts der Erfindung. Die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist vorzugsweise eine Temperatur, die sicherstellt, dass Wasser in der Wasserstoffpumpe 64 während des Aufwärmbetriebs und eines anschließenden Spülprozesses nicht zufriert. Die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta kann beispielsweise ungefähr 10 bis 20°C sein. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta im Schritt S26 ist, schreitet der Steuerungsablauf zum Schritt S28 und den darauffolgenden Schritten voran und wechselt nicht in den Standardaufwärmbetrieb. Der Steuerungsablauf des Schritts S28 und darauffolgender Schritte wird nach der Beschreibung des Steuerungsablaufs der Durchführung des Standardaufwärmbetriebs beschrieben.
  • Der Standardaufwärmbetrieb des Schritts S30 zielt hauptsächlich darauf ab, die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zu erhöhen. Die Erhöhung der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 in der Aufwärmbetriebssteuerung unterbindet, dass Wasser, das in dem Spülgas enthalten ist, zufriert und während eines anschließenden Spülprozesses innerhalb der Wasserstoffpumpe 64 verbleibt und verstärkt dadurch die Spülwirkung des Spülprozesses.
  • Gemäß den experimentellen Ergebnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung gibt es zwischen dem Schnellaufwärmbetrieb und dem Standardaufwärmbetrieb lediglich einen kleinen Unterschied in dem Betrag des Temperaturanstiegs der Nebenmaschinen, die eine Wasserstoffpumpe 64 enthalten, pro Zeiteinheit. Mit anderen Worten, der Standardaufwärmbetrieb ermöglicht die Erhöhung der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 wie der Schnellaufwärmbetrieb zu erhöhen. Gemäß der Ausführungsform wird, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 durch den Schnellaufwärmbetrieb auf ein bestimmtes Niveau erhöht wird, der Standardaufwärmbetrieb durchgeführt, der eine abrupte Erhöhung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 unterbindet, um die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zu erhöhen. Dies unterbindet, dass die Wasserstoffpumpe 64 durch die Einströmung des eine große Menge an Wasser enthaltenden Abgases aus der heißen Brennstoffzelle 20 in die Wasserstoffpumpe 64, vor einer Temperaturerhöhung zufriert, und erhöht wirksam die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64. Dies ermöglicht auch, dass die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 wirksam erhöht wird, ohne nutzlos die niedrig effiziente Energieerzeugung der Brennstoffzelle 20 durch den Schnellaufwärmbetrieb durchzuführen.
  • Im Schritt S32 bestimmt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15, ob die Nebenmaschinentemperatur TAM höher als die vorstehend beschriebene vorbestimmte Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM gleich der Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta oder niedriger als diese ist, führt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Standardaufwärmbetrieb fort. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist, beendet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Standardaufwärmbetrieb im Schritt S34 und bestimmt anschließend, ob die Zelltemperatur TFC höher als eine zweite Temperatur Tf2 ist, die ein vorbestimmter Referenzwert im Schritt S36 ist. Wenn die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2 ist, startet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 im Schritt S18 in 2 den Spülprozess.
  • Um die Spülwirkung durch den Spülprozess zu verstärken, ist es vorteilhaft, die zweite Temperatur Tf2 auf eine sogar ein wenig höhere Temperatur als die erste Temperatur Tf1 einzustellen. Um zu unterbinden, dass sich die Temperatur der Brennstoffzelle 20 vor einem Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems 100 nutzlos erhöht, ist es auf der anderen Seite vorteilhaft, die zweite Temperatur Tf2 ungefähr gleich der Standardbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 oder auf eine niedrigere Temperatur einzustellen. Gemäß dieser Ausführungsform wird die zweite Temperatur Tf2 auf 60 bis 80°C eingestellt. Die zweite Temperatur Tf2 entspricht dem spezielleren Konzept des zweiten Zelltemperaturreferenzwerts der Erfindung.
  • Wenn die Zelltemperatur TFC gleich oder niedriger als die zweite Temperatur Tf2 im Schritt S36 ist, startet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 erneut den Schnellaufwärmbetrieb, um die Temperatur der Brennstoffzelle 20 im Schritt S42 schnell zu erhöhen. Dieser zweite Schnellaufwärmbetrieb wird fortgesetzt, bis die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 erfasst, dass die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2 im Schritt S44 ist. In dieser Stufe ist die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 bereits erhöht worden. Sogar wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 schnell durch den Schnellaufwärmbetrieb erhöht wird, unterbindet dies, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert. Wenn die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2 wird, beendet die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Schnellaufwärmbetrieb im Schritt S46 und startet den Spülprozess im Schritt S18 in 2.
  • Nachdem die Nebenmaschinentemperatur TAM erhöht wird, um höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta durch den Standardaufwärmbetrieb zu sein, wird gemäß dieser Ausführungsform der Spülprozess durchgeführt, wenn die Zelltemperatur TFC erhöht wird, um höher als die zweite Temperatur Tf2 zu sein. Dies unterbindet, dass das Wasser in der Wasserstoffpumpe 64 zufriert, während die Temperatur des Spülgases, das in dem Spülprozess verwendet wird, erhöht wird, und dadurch die Ausscheidungsmenge von Wasser durch das Spülgas erhöht wird. Dies verstärkt dementsprechend die Wirkung der Ausscheidung des verbleibenden Wassers durch den Spülprozess.
  • Folgendes beschreibt den Steuerungsablauf des Schritts S28 und darauffolgender Schritte, ohne die Durchführung des Standardaufwärmbetriebs. Wenn die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2 im Schritt S28 ist, legt dies nahe, dass sowohl die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 als auch die Temperatur der Brennstoffzelle 20 ausreichend hoch sind. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 führt dementsprechend den Spülprozess im Schritt S18 in 2 durch. Nach der Durchführung des Schnellaufwärmbetriebs führt der Steuerungsablauf in diesem Fall den Spülprozess durch, ohne in den Standardaufwärmbetrieb zu wechseln.
  • Wenn auf der anderen Seite die Zelltemperatur TFC gleich der zweiten Temperatur Tf2 im Schritt S28 oder niedriger als diese ist, legt dies nahe, dass die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 hoch genug ist, um zu unterbinden, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert, aber die Temperatur der Brennstoffzelle 20 ist nicht ausreichend hoch. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 startet dementsprechend den zweiten Schnellaufwärmbetrieb im Schritt S42. In diesem Fall kann interpretiert werden, dass der Schnellaufwärmbetrieb, der im Schritt S20 gestartet wurde, im Wesentlichen fortgesetzt wird, bis die Zelltemperatur TFC erhöht wird, um höher als die zweite Temperatur Tf2 zu sein. Nachdem die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2, wird, führt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 den Spülprozess gemäß des Ablaufs der Schritte S44, S46 und des Schritts S18 in 2 durch. Wie vorstehend beschrieben, führt der Steuerungsablauf dieser Ausführungsform nicht den Standardaufwärmbetrieb durch, wenn die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 hoch genug ist, um zu unterbinden, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 durch den Schnellaufwärmbetrieb erhöht wird. Dies stellt die hohe Effizienz sicher.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zeitdiagramms darstellt, das eine Ausführungszeitdauer des Aufwärmbetriebs und des Spülprozesses in dem Abschaltprozess der ersten Ausführungsform andeutet. Dieses Zeitdiagramm zeigt Zeitänderungen der Zelltemperatur TFC und der Nebenmaschinentemperatur TAM nach einem Start des Abschaltprozesses, als auch die jeweiligen Ausführungszeitdauern des Schnellaufwärmbetriebs, des Standardaufwärmbetriebs und des Spülprozesses.
  • In einer Zeitdauer von t0 bis zum Zeitpunkt t1, wird der Schnellaufwärmbetrieb durchgeführt, um die Zelltemperatur TFC auf die erste Temperatur Tn zu erhöhen. In dieser Zeitdauer wird die Nebenmaschinentemperatur TAM lediglich ein wenig erhöht. Nach dem Wechsel zu dem Standardaufwärmbetrieb erhöht die erhöhte Zelltemperatur TFC die Temperaturanstiegsrate der Nebenmaschinentemperatur TAM und dementsprechend erhöht während der Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 auf die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta. In diesem dargestellten Beispiel ist jedoch nach dem Wechsel zu dem Standardaufwärmbetrieb die Zelltemperatur TFC ein wenig durch die Wirkung der Umgebungstemperatur gesenkt.
  • Zu dem Zeitpunkt t2, ist die Zelltemperatur TFC niedriger als die zweite Temperatur Tf2, so dass der Standardaufwärmbetrieb zu dem Schnellaufwärmbetrieb gewechselt wird. Dies erhöht die Temperaturanstiegsrate der Brennstoffzelle 20 erneut, um die Brennstoffzelle 20 auf die zweite Temperatur Tf2 während der Zeitdauer von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 schnell zu erhöhen. Der Spülprozess wird anschließend in dem Zustand, bei dem die Zelltemperatur TFC höher als die zweite Temperatur Tf2 ist und die Nebenmaschinentemperatur TAM höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist, durchgeführt.
  • A4. Schlussfolgerungen
  • Wie vorstehend beschrieben, führt das Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform den Spülprozess in dem Abschaltprozess durch, wenn die Umgebungstemperatur wahrscheinlich während des Stopps des Systems auf unterhalb Null fällt. Dies reduziert die Menge an Wasser, die in den Kanälen des Reaktivgases und des Abgases in dem System verbleibt. Dies unterbindet dementsprechend eine Verschlechterung der Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems 100, bewirkt, die durch Zufrieren des verbleibenden Wassers verursacht wird. In dem Fall, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle 20 und die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 niedrig sind, führt in dem Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform die Aufwärmbetriebssteuerung den Aufwärmbetrieb durch, um die Temperaturen der Brennstoffzelle 20 und der Wasserstoffpumpe 64 zu erhöhen. Dies erhöht die Ausscheidungsmenge von Wasser durch das Spülgas in dem Spülprozess, während gleichzeitig unterbunden wird, dass Wasser in der Wasserstoffpumpe 64 gefriert und dadurch die Wirkung der Ausscheidung von Wasser durch den Spülprozess verstärkt wird.
  • Außerdem führt die Aufwärmbetriebssteuerung in dem Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform den Schnellaufwärmbetrieb durch, um schnell die Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu erhöhen und führt anschließend den Standardaufwärmbetrieb durch, um die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zu erhöhen. Dies erhöht die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zusammen mit der Temperatur der Brennstoffzelle 20, während unterbunden wird, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert. Diese Aufwärmbetriebssteuerung ist beispielsweise in dem Fall wirksam, bei dem der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 gestoppt wird, bevor die Temperaturen der Brennstoffzelle 20 und der Wasserstoffpumpe 64 nach dem Anlaufen des Brennstoffzellensystems 100, der in einer Niedrigtemperaturumgebung belassen wird, ausreichend erhöht sind. Diese Steuerung ist effektiver als eine Steuerung, die den Schnellaufwärmbetrieb fortführt, um zu unterbinden, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert, während sie gleichzeitig einen übermäßigen Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 20 durch Abkühlung der Brennstoffzelle 20 durch das Kühlmediumzufuhrsystem 70 unterbindet. In dem Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform, wird darüber hinaus in dem Fall, bei dem der Standardaufwärmbetrieb nicht ausreichend die Temperatur der Brennstoffzelle 20 erhöht, nachdem er die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 erhöht hat, der Standardaufwärmbetrieb erneut zu dem Schnellaufwärmbetrieb gewechselt. Dies ermöglicht, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 20 mit größerer Sicherheit in einer kurzen Zeitdauer erhöht wird. Das Brennstoffzellensystem 100 der Ausführungsform weist außerdem verschiedene Funktionen und vorteilhafte Wirkungen auf, die hinsichtlich dieser Ausführungsform vorstehend beschrieben sind
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf eines Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozesses, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem ein Brennstoffzellensystem durchgeführt wird. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform weist einen Aufbau auf, der im Wesentlichen dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 der ersten Ausführungsform ähnelt, ausgenommen, dass die Wasserstoffpumpe 64 nicht mit der Pumpentemperaturmesseinheit 64t ausgestattet ist. In dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform führt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 einen Abschaltprozess durch, der in 2 gezeigt ist, und eine Aufwärmbetriebssteuerung, die in 3 gezeigt ist, die denjenigen in der ersten Ausführungsform beschriebenen ähneln. In dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform führt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 wiederholt und periodisch einen Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozess, der nachstehend beschrieben ist, nicht nur während des Abschaltprozesses sondern auch während des Betriebs der Wasserstoffpumpe 64 durch, um sequentiell eine Nebenmaschinentemperatur TAM , die die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 kennzeichnet, zu aktualisieren. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 verwendet die Nebenmaschinentemperatur TAM für den Abschaltprozess und die Aufwärmbetriebssteuerung, wie vorstehend in der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Im Schritt S50 liest und erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 einen früheren Wert PTAM, der in einer Speichereinheit der Steuervorrichtung 10 gespeichert ist. Die Speichereinheit der Steuervorrichtung 10 ist nicht in den Abbildungen gezeigt. In einem ersten Zyklus des Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozesses liest die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 einen ursprünglichen Wert des vorherigen Wertes PTAM, der auf eine nichtflüchtige Art gespeichert ist. Der ursprüngliche Wert kann basierend auf einer Information hinsichtlich der Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems 100, der aktuellen Zelltemperatur TFC und der aktuellen Umgebungstemperatur eingestellt sein.
  • Im Schritt S51 erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 eine aktuelle Zelltemperatur TFC von der Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17. Im Schritt S52 erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 eine aktuelle Drehgeschwindigkeit Rc der Wasserstoffpumpe 64 über einen (nicht gezeigten) Kodierer, der in der Wasserstoffpumpe 64 geschaffen ist. Der Kodierer ist in den Abbildungen nicht gezeigt.
  • Im Schritt S53 bezieht sich die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 auf ein Abbild, das im Voraus bereitgestellt wird, um eine Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 basierend auf der aktuellen Zelltemperatur TFC und der aktuellen Drehgeschwindigkeit Rc der Wasserstoffpumpe 64 zu erlangen. Die „Temperaturanstiegsrate der Wasserstoffpumpe 64“ kennzeichnet einen Betrag des Temperaturanstiegs der Wasserstoffpumpe 64 pro Zeiteinheit.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Abbilds, das zum Erlangen der Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 im Schritt S53 verwendet wird, konzeptionell darstellt. Dieses Abbild 19, auf das darauffolgend als „Temperaturanstiegsraten-Abbild 19“ Bezug genommen wird, stellt eine Beziehung zur Erhöhung der Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 zu einer Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 hinsichtlich jeder Drehgeschwindigkeit Rc der Wasserstoffpumpe 64.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist in dem Temperaturanstiegsraten-Abbild 19 die Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 ein Wert, der basierend auf der Strömungsrate des Anodenabgases berechnet wird, die gemäß der Drehgeschwindigkeit Rc der Wasserstoffpumpe 64 und der durch die Wasserstoffpumpe 64 aus dem Anodenabgas, das einen Wasserdampf im Sättigungsbereich enthält, aufgenommenen Wärmemenge bestimmt wird. Die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 erlangt die Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 bei der aktuellen Zelltemperatur TFC basierend auf der Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle 20 und der Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 hinsichtlich der aktuellen Drehgeschwindigkeit Rc der Wasserstoffpumpe 64.
  • Im Schritt S54, der in 5 gezeigt ist, multipliziert die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 die Temperaturanstiegsrate VTP der Wasserstoffpumpe 64 mit einer kurzen Zeitdauer Δt, die einer Ausführungszeit des Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozesses entspricht und addiert den vorherigen Wert PTAM zu dem Produkt, um den aktuellen Wert der Nebenmaschinentemperatur TAM als die Pumptemperatur zu berechnen, die durch die Gleichung (A) gegeben ist: T AM = PT AM + V TP × Δ t
    Figure DE102016110620B4_0001
  • Im Schritt S55 speichert die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 den erlangten aktuellen Wert der Nebenmaschinentemperatur TAM in der Speichereinheit. Die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 liest den aktuellen Wert der Nebenmaschinentemperatur TAM , der in der Speichereinheit als der vorherige Wert PTAM im Schritt S50 in einem nächsten Zyklus des Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozesses gespeichert wird, ab. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 liest den aktuellen Wert der Nebenmaschinentemperatur TAM ab, der in der Speichereinheit als ein geschätzter Wert gespeichert ist, der die aktuelle Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 kennzeichnet, und verwendet den abgelesenen Wert der Nebenmaschinentemperatur TAM in dem Abschaltprozess und der Aufwärmbetriebssteuerung.
  • Wie vorstehend beschrieben, erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 der zweiten Ausführungsform die Nebenmaschinentemperatur TAM , die die aktuelle Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 durch aufeinanderfolgende einfache arithmetische Berechnungen angeben. Die Nebenmaschinentemperatur TAM der zweiten Ausführungsform kann als ein indirekt gemessener Wert der aktuellen Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 interpretiert werden. In dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform, wird die Nebenmaschinentemperatur TAM , die die aktuelle Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 kennzeichnet, durch aufeinanderfolgende einfache arithmetische Berechnungen angeben und wird in dem Abschaltprozess und der Aufwärmbetriebssteuerung verwendet. Dieser Aufbau ermöglicht effizient das Weglassen der Pumpentemperaturmesseinheit 64t, die die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 direkt misst. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform verschiedene Funktionen und vorteilhafte Wirkungen auf, die denjenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, ähneln.
  • Dritte Ausführungsform
  • 7 ist ein Diagramm, das einen Ablauf einer Aufwärmbetriebssteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform weist einen Aufbau auf, der im Wesentlichen dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ähnelt und einen Abschaltprozess durchführt, der in 2 gezeigt ist, der demjenigen ähnelt, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Eine Aufwärmbetriebssteuerung, die in dem Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform durchgeführt wird, ähnelt im Wesentlichen der Aufwärmbetriebssteuerung der ersten Ausführungsform, ausgenommen das Weglassen der Verarbeitung des Schritts S28 und der Schritte S42 bis S46. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM gleich oder niedriger als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta im Schritt S26 ist, wechselt die Aufwärmbetriebssteuerung der dritten Ausführungsform im Schritt S30 zu dem Standardaufwärmbetrieb. Wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM nach dem Wechsel zu dem Standardaufwärmbetrieb höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta ist oder wenn die Nebenmaschinentemperatur TAM bereits höher als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta im Schritt S26 ist, führt die Aufwärmbetriebssteuerung den Spülprozess im Schritt S18 in 2 durch. Die Aufwärmbetriebssteuerung der dritten Ausführungsform erhöht die Temperaturen der Brennstoffzelle 20 und der Wasserstoffpumpe 64 und verstärkt dadurch die Spülwirkung durch den Spülprozess. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform verschiedene Funktionen und vorteilhafte Wirkungen auf, die denjenigen in der ersten Ausführungsform beschriebenen ähneln. In dem Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform kann die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 die Nebenmaschinentemperatur TAM gemäß dem Nebenmaschinentemperaturerfassungsprozess erlangen, der demjenigen ähnelt, der in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist.
  • Modifikationen
  • D1. Modifikation 1
  • In den jeweiligen Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind, erlangt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 zusammen mit derjenigen der Nebenmaschinen, durch die das Reaktivgas oder das Abgas hindurchgeströmt wird, als die Nebenmaschinentemperatur TAM und steuert den Aufwärmbetrieb basierend auf der erlangten Nebenmaschinentemperatur TAM , um zu unterbinden, dass die Wasserstoffpumpe 64 zufriert. Gemäß einer Modifikation kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 eine Nebenmaschinentemperatur TAM erlangen, die eine Temperatur einer Nebenmaschine kennzeichnet, durch die das Abgas hindurchgeströmt wird, die eine andere als die Wasserstoffpumpe 64 ist, und kann den Aufwärmbetrieb basierend auf der erlangten Nebenmaschinentemperatur TAM steuern. Die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 kann beispielsweise eine Nebenmaschinentemperatur TAM erlangen, die eine Temperatur des Druckreglers 43 des Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-Systems 30 kennzeichnet, und kann den Aufwärmbetrieb basierend auf der erlangten Nebenmaschinentemperatur TAM steuern, um zu unterbinden, dass der Druckregler 43 zufriert. Mit anderen Worten, die Nebenmaschine der Erfindung, durch die das Gas durchgeströmt wird, ist nicht auf die Wasserstoffpumpe 64 begrenzt, sondern kann eine jegliche andere Nebenmaschine sein, durch die das Abgas der Brennstoffzelle 20 hindurchgeströmt wird.
  • D2. Modifikation 2
  • In den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit in dem Schnellaufwärmbetrieb erhöht, um größer als der Betrag des Temperaturanstiegs pro Zeiteinheit in dem Standardaufwärmbetrieb zu sein, indem veranlasst wird, dass die Energieerzeugungseffizienz in dem Schnellaufwärmbetrieb niedriger als die Energieerzeugungseffizienz in dem Standardaufwärmbetrieb ist. Gemäß einer Modifikation kann der Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit in dem Schnellaufwärmbetrieb durch ein weiteres geeignetes Verfahren erhöht werden, um größer als der Betrag des Temperaturanstiegs pro Zeiteinheit in dem Standardaufwärmbetrieb zu sein. Der Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit in dem Schnellaufwärmbetrieb kann erhöht werden, um größer als der Betrag des Temperaturanstiegs pro Zeiteinheit in dem Standardaufwärmbetrieb zu sein, indem die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 20 durch die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 verändert werden. Der Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit in dem Schnellaufwärmbetrieb kann beispielsweise erhöht werden, indem die Temperatur des Kühlmediums, das in dem Kühlmediumzufuhrsystem 70 strömt unter der Steuerung der Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 erhöht wird. In einem weiteren Beispiel kann der Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle 20 pro Zeiteinheit in dem Schnellaufwärmbetrieb erhöht werden, indem die Brennstoffzelle 20 durch Erwärmungsmittel, wie z.B. eine unter der Steuerung der Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 betriebene Wärmevorrichtung, erwärmt wird.
  • D3. Modifikation 3
  • In den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen, wird der Spülprozess sowohl in dem Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 als auch in dem Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 durchgeführt. Gemäß einer Modifikation kann der Spülprozess in lediglich einem von dem Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 und dem Anodengas-Zufuhr/Abfuhr-Zirkulationssystem 50 durchgeführt werden. In dem Fall, bei dem der Spülprozess lediglich in dem Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, die Aufwärmbetriebssteuerung basierend auf einer Nebenmaschinentemperatur TAM durchzuführen, die eine Temperatur einer Nebenmaschine, beispielsweise des Druckreglers 43, kennzeichnet, die in dem Kathodengas-Zufuhr/Abfuhr-System 30 enthalten ist, und durch die das Abgas anstelle der Wasserstoffpumpe 64 hindurch geströmt wird.
  • D4. Modifikation 4
  • In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform erlangt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 den gemessen Wert der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 durch die Pumpentemperaturmesseinheit 64t als die Nebenmaschinentemperatur TAM . In der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform langt die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung 18 den geschätzten Wert der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 als die Nebenmaschinentemperatur TAM . Die Nebenmaschinentemperatur TAM kann somit jeglicher Parameter sein, der die Temperatur einer Nebenmaschine, wie z.B. der Wasserstoffpumpe 64, kennzeichnet, die ein Ziel darstellt, für das unterbunden wird, dass Wasser gefriert. Die Nebenmaschinentemperatur TAM kann auch durch jegliches geeignete andere als in den vorstehenden Ausführungsformen beschriebene Verfahren erlangt werden. Die Nebenmaschinentemperatur TAM kann beispielsweise basierend auf einem Messwert eines Temperatursensors erlangt werden, der in einem Rohr auf der Stromabwärtsseite der Wasserstoffpumpe 64 geschaffen ist. In den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erlangt die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 die Zelltemperatur TFC , die die Temperatur der Brennstoffzelle 20 als den indirekt gemessenen Wert basierend auf der Temperatur des Kühlmediums, die mit der Temperatur der Brennstoffzelle 20 korreliert. Gemäß einer Modifikation kann die Zelltemperatur TFC durch ein weiteres geeignetes Verfahren erlangt werden. Die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung 17 kann jeglichen Parameter, der die Temperatur der Brennstoffzelle 20 als die Zelltemperatur TFC kennzeichnet, erlangt werden. Die Zelltemperatur TFC kann beispielsweise als ein gemessener Wert der Temperatur der Brennstoffzelle 20, der direkt durch einen Temperatursensor gemessen wird, erlangt werden. In einem weiteren Beispiel kann die Zelltemperatur TFC als ein geschätzter Wert basierend auf der Energieerzeugungsbedingung der Brennstoffzelle 20 oder basierend auf einer Änderung der Energieerzeugungscharakteristik erlangt werden.
  • D5. Modifikation 5
  • In den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen führt die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 die Aufwärmbetriebssteuerung basierend auf der Zelltemperatur TFC und der Nebenmaschinentemperatur TAM durch. Gemäß einer Modifikation kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 die Aufwärmbetriebssteuerung basierend auf der Zelltemperaturinformation hinsichtlich der Temperatur der Brennstoffzelle 20, die eine andere als die Zelltemperatur TFC ist, oder basierend auf der Nebenmaschinentemperaturinformation hinsichtlich der Temperatur der Wasserstoffpumpe 64, die eine andere als die Nebenmaschinentemperatur TAM ist, durchführen. Die Zelltemperaturinformation kann jegliche Information hinsichtlich der Temperaturbedingung der Brennstoffzelle 20 sein. Die Zelltemperaturinformation enthält die Zelltemperatur TFC und enthält auch eine andere Information als die Zelltemperatur TFC , die es ermöglicht, die aktuelle Temperatur der Brennstoffzelle 20 indirekt zu bestimmen, beispielsweise eine Information hinsichtlich der Betriebskennzahl der Brennstoffzelle 20 oder der Information hinsichtlich der Umgebungstemperatur, in der die Brennstoffzelle 20 angeordnet ist. Die Information hinsichtlich der Umgebungstemperatur enthält eine Datumsinformation und eine Zeitinformation hinsichtlich des aktuellen Datums und der aktuellen Zeit, die es ermöglichen, einen aktuellen Temperaturtrend als auch den Temperaturmesswert indirekt zu bestimmen. In ähnlicher Weise kann die Nebenmaschinentemperaturinformation jegliche Information hinsichtlich der Temperaturbedingung einer Nebenmaschine, wie z.B. der Wasserstoffpumpe 64, als ein Ziel sein. Die Nebenmaschinentemperaturinformation enthält die Nebenmaschinentemperatur TAM und enthält auch eine andere Information als die Nebenmaschinentemperatur TAM , die es ermöglicht, die aktuelle Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 indirekt zu bestimmen, beispielsweise eine Information hinsichtlich der Betriebskennzahl der Wasserstoffpumpe 64 oder eine Information hinsichtlich der Umgebungstemperatur, bei der die Wasserstoffpumpe 64 angeordnet ist. In dem Abschaltprozess, wenn es geschätzt wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als die erste Temperatur Tf1 ist, die in den vorstehenden jeweiligen Ausführungsformen beschrieben ist, und die Temperatur der Wasserstoffpumpe 64 gleich oder niedriger als die Nebenmaschinenreferenztemperatur Ta, die in den vorstehenden jeweiligen Ausführungsformen beschrieben ist, kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 basierend auf der vorstehend beschriebenen Zelltemperaturinformation und der Nebenmaschinentemperaturinformation bestimmen, dass die Aufwärmbetriebssteuerung des Schritts S15 durchgeführt werden soll. Gemäß einer weiteren Modifikation, kann die Abschaltprozesssteuervorrichtung 15 jeweilige Ausführungszeitdauern des Schnellaufwärmbetriebs und des Standard-Aufwärmbetriebs basierend auf der Zelltemperaturinformation und der Nebenmaschinentemperaturinformation bestimmen, und kann nacheinander den Schnellaufwärmbetrieb und den Standard-Aufwärmbetrieb für die jeweiligen Ausführungszeitdauern durchführen.

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem (100), das aufweist: eine Brennstoffzelle (20); eine Reaktivgaszufuhrvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, der Brennstoffzelle (20) Reaktivgas zuzuführen; eine Gas strömende Nebenmaschine, die in einem Kanal geschaffen ist, durch den ein Abgas, das aus der Brennstoffzelle (20) ausgestoßen wird, hindurchströmt, und die dazu verwendet wird, um die Strömung des Abgases zu regeln; eine Abschaltprozesssteuervorrichtung (15), die dazu eingerichtet ist, die Ausführung eines Abschaltprozesses zu steuern, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle (20) gestoppt werden soll; eine Zelltemperaturerfassungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die Zelltemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Brennstoffzelle (20) zu erlangen; und eine Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, die Nebenmaschinentemperaturinformation, d.h. die Information hinsichtlich der Temperatur der Gas strömenden Nebenmaschine zu erlangen, wobei die Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu eingerichtet ist, um bei dem Abschaltprozess die folgenden Schritte durchzuführen: einen ersten Aufwärmprozess, der die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlasst, das Reaktivgas der Brennstoffzelle (20) zuzuführen und dabei die Brennstoffzelle (20) veranlasst, elektrische Energie zu erzeugen, um Wärme in der Brennstoffzelle (20) zu erzeugen; einen zweiten Aufwärmprozess, der eine Betriebsbedingung der Brennstoffzelle (20) steuert, so dass ein Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle (20) pro Zeiteinheit in dem zweiten Aufwärmprozess größer als ein Betrag des Temperaturanstiegs in dem ersten Aufwärmprozess ist; und einen Spülprozess, der die Reaktivgaszufuhrvorrichtung veranlasst, das Reaktivgas der Brennstoffzelle (20) als ein Spülgas zuzuführen, um zumindest die Brennstoffzelle (20) und die Gas strömende Nebenmaschine zu spülen, wobei der Abschaltprozess einen Prozess der Durchführung des zweiten Aufwärmprozesses enthält, der nachfolgend den ersten Aufwärmprozess und dann den Spülprozess basierend auf der Zelltemperaturinformation und der Nebenmaschinentemperaturinformation durchführt.
  2. Brennstoffzellensystem (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Zelltemperaturerfassungsvorrichtung (17) dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Brennstoffzelle (20) direkt oder indirekt zu messen und eine Zelltemperatur zu erlangen, die die Temperatur der Brennstoffzelle (20) als die Zelltemperaturinformation kennzeichnet, wobei die Nebenmaschinentemperaturerfassungsvorrichtung (18) dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Gas strömendem Nebenmaschine direkt oder indirekt zu messen und eine Nebenmaschinentemperatur zu erlangen, die die Temperatur der Gas strömendem Nebenmaschine als die Nebenmaschinentemperaturinformation kennzeichnet, und wobei die Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, von dem zweiten Aufwärmprozess zu dem ersten Aufwärmprozess zu wechseln, wenn die Zelltemperatur nach dem Start des zweiten Aufwärmprozesses höher als ein vorbestimmter erster Zelltemperaturreferenzwert wird und die Nebenmaschinentemperatur gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Nebenmaschinentemperaturreferenzwert ist, und wobei die Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, den Spülprozess durchzuführen, wenn die Zelltemperatur höher als ein vorbestimmter zweiter Zelltemperaturreferenzwert ist, der höher als der erste Zelltemperaturreferenzwert ist.
  3. Brennstoffzellensystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, um nach dem Wechseln von dem zweiten Aufwärmprozess zu dem ersten Aufwärmprozess und einem Start des ersten Aufwärmprozesses, wenn die Nebenmaschinentemperatur höher als der Nebenmaschinentemperaturreferenzwert wird, den zweiten Aufwärmprozess erneut in einem Zustand durchzuführen, bei dem die Zelltemperatur niedriger als der zweite Zelltemperaturreferenzwert ist.
  4. Brennstoffzellensystem (100) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abschaltprozesssteuervorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, eine Zufuhrmenge eines Oxidationsgases, das in dem Reaktivgas enthalten ist, relativ zu einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle (20) in dem zweiten Aufwärmprozess zu verringern, um geringer als eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases in dem ersten Aufwärmprozess zu sein, um den Betrag des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle (20) pro Zeiteinheit in dem zweiten Aufwärmprozess zu erhöhen.
DE102016110620.8A 2015-06-26 2016-06-09 Brennstoffzellensystem Active DE102016110620B4 (de)

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