DE102016113949B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:eine Brennstoffzelle;einen Zirkulationsdurchlass, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein von der Brennstoffzelle abgeführtes Abgas hin zu einem Zuführanschluss eines Brenngases bei der Brennstoffzelle zirkuliert;eine Gaspumpe, welche in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehen und derart konfiguriert ist, dass diese einen Rotationskörper aufweist und das von der Brennstoffzelle abgeführte Abgas durch eine Rotation des Rotationskörpers zu der Brennstoffzelle zurückführt;eine Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe steuert;eine Anforderungs-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Leistungserzeugungsanforderung für die Brennstoffzelle erhält; undeine Temperatur-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Temperatur der Brennstoffzelle zu einer Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle erhält,wobei die Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung derart konfiguriert ist, dass diese:eine Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine erste Drehzahl gemäß der Leistungserzeugungsanforderung steuert, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle höher als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist, die nicht höher als null Grad Celsius ist, unddie Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine zweite Drehzahl steuert, welche niedriger als die erste Drehzahl ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nicht höher als die Referenztemperatur ist.

Description

  • Hintergrund
  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Zugehöriger Stand der Technik
  • Eine in einem Brennstoffzellensystem enthaltene Brennstoffzelle ist derart konfiguriert, dass diese Zuführungen eines Brenngases (beispielsweise Wasserstoffgas) und eines sauerstoffhaltigen Gases (beispielsweise die Luft) aufnimmt und elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases erzeugt. Das Gas, welches bei der elektrochemischen Reaktion nicht verbraucht wird, wird von der Brennstoffzelle abgeführt. Das Abgas umfasst Wasser. Wenn sich ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüstetes Fahrzeug in einer Umgebung unterhalb des Gefrierpunkts befindet, ist es wahrscheinlich, dass eine elektrische Vorrichtung, beispielsweise ein durch einen Motor betätigtes Ventil oder ein Magnetventil, welches in einem Abgasdurchlass vorgesehen ist, um den Abgasdurchlass zu öffnen und zu schließen, einfriert. Ein Einfrieren eines solchen Ventils kann eine Fehlfunktion beim Zuführen des Gases in die Brennstoffzelle hervorrufen. Eine vorgeschlagene Steuerungstechnologie überprüft auf die Ermittlung hin, dass das Ventil durch ein Gefrieren wahrscheinlich klemmt, die Wahrscheinlichkeit, dass das Ventil eingefroren ist, treibt einen Ventilkörper an oder erwärmt diesen, um das Gefrieren oder den Klemmzustand zu lösen und nimmt anschließend die Brennstoffzelle in Betrieb (beispielsweise die JP 2005-285686 A ). Diese Steuerungstechnologie nimmt die Brennstoffzelle nach dem Auflösen eines Gefrierens bzw. Einfrierens des Ventils in vorteilhafter Art und Weise in Betrieb.
  • Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind aus den Veröffentlichungen DE 11 2006 003 112 T5 , US 2009/0 169 928 A1 und JP 2007 035 517 A bekannt. Eine Zuführvorrichtung für Flüssigkeiten ist aus der JP 2009 250 215 A bekannt.
  • Kurzfassung
  • Hinsichtlich einer Brenngaspumpe (nachfolgend einfach als „Gaspumpe“ bezeichnet), die in einem Zirkulationsdurchlass vorgesehen ist, wurde bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems ein weiteres Problem festgestellt. Ein Abführdurchlass ist mit einem Auslassanschluss des Brenngases bei der Brennstoffzelle verbunden. Das nicht verwendete Brenngas ist in dem hin zu dem Abführdurchlass abgegebenen Abgas enthalten. Die Gaspumpe ist entsprechend in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehen, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser den Abführdurchlass mit einem Brenngas-Zuführdurchlass verbindet, um das Abgas hin zu der Brennstoffzelle zurückzuführen. Die Gaspumpe weist im Allgemeinen einen Rotationskörper auf und ist derart konfiguriert, dass diese das Abgas durch eine Rotation des Rotationskörpers fördert. Wenn die Brennstoffzelle eine niedrige Temperatur aufweist, ist es wahrscheinlich, dass Wasser, welches in der Brennstoffzelle unterkühlt wurde (unterkühltes Wasser), in die Gaspumpe eingeführt wird. Die Gaspumpe ist im Allgemeinen derart konfiguriert, dass diese die Drehzahl gemäß den Betriebsbedingungen verändert. Dies kann zu einem Problem führen, dass das unterkühlte Wasser durch eine Rotation des Rotationskörpers beeinflusst wird, so dass dieses gefriert und ein Klemmen des Rotationskörpers hervorruft.
  • Zumindest ein Teil des vorstehend beschriebenen Problems, dass die in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehene Gaspumpe in dem Brennstoffzellensystem wahrscheinlich gefriert, wird durch das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 gelöst.
  • (1) Gemäß einem Aspekt ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, welche derart konfiguriert ist, dass diese elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion eines in einem Brenngas enthaltenen Brennstoffes mit Sauerstoff, welcher in einem sauerstoffhaltigen Gas enthalten ist, erzeugt; einen Brenngas-Zuführdurchlass, welcher mit einem Zuführanschluss des Brenngases bei der Brennstoffzelle verbunden ist; einen Abgas-Abführdurchlass, welcher mit einem Abführanschluss des Brenngases bei der Brennstoffzelle verbunden ist; einen Zirkulationsdurchlass, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser den Abgas-Abführdurchlass mit dem Brenngas-Zuführdurchlass verbindet; eine Gaspumpe, welche in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehen ist und derart konfiguriert ist, dass diese einen Rotationskörper aufweist und das von der Brennstoffzelle abgegebene Abgas durch eine Rotation des Rotationskörpers zu der Brennstoffzelle zirkuliert bzw. zurückführt; eine Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe steuert; und eine Temperatur-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Temperatur der Brennstoffzelle, bei welcher ein über den Zirkulationsdurchlass in die Gaspumpe eingeführtes Wasser erzeugt wird, zu einer Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle erhält. Die Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung ist derart konfiguriert, dass diese eine Leistungserzeugungsanforderung für die Brennstoffzelle erhält; eine Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine erste Drehzahl gemäß der Leistungserzeugungsanforderung steuert, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle höher als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist, die nicht höher als null Grad Celsius ist, und die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine zweite Drehzahl steuert, welche niedriger als die erste Drehzahl ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nicht höher als die Referenztemperatur ist. Die Referenztemperatur entspricht einer Temperatur, welche ermöglicht, dass das Wasser in einem unterkühlten Zustand in die Gaspumpe eingeführt wird. Die zweite Drehzahl entspricht einer Drehzahl in einem Niedrigdrehzahlbereich, welche ermöglicht, dass sich das in dem unterkühlten Zustand in die Gaspumpe eingeführte Wasser zwischen dem Rotationskörper und einer den Rotationskörper umgebenden Gehäusewand erstreckt bzw. ausbreitet bzw. verteilt bzw. ausgebreitet ist.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle, bei welcher ein in die Gaspumpe eingeführtes Wasser erzeugt wird (nachfolgend als „Brennstoffzellentemperatur“ bezeichnet), zu einer Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle nicht höher als die Referenztemperatur ist, die nicht höher als null Grad Celsius ist, steuert das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf die zweite Drehzahl. Die zweite Drehzahl ist niedriger als die erste Drehzahl, auf welche die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe gesteuert wird, wenn die Brennstoffzellentemperatur höher als diese Referenztemperatur ist. Die zweite Drehzahl entspricht der Drehzahl in dem Niedrigdrehzahlbereich, welche ermöglicht, dass das in die Gaspumpe eingeführte Wasser in dem unterkühlten Zustand zwischen dem Rotationskörper und einer den Rotationskörper umgebenden Gehäusewand erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt wird. Wenn die Brennstoffzellentemperatur nicht höher als die Referenztemperatur ist, die nicht höher als null Grad Celsius ist, ist es wahrscheinlich, dass das unterkühlte Wasser, welches in der Brennstoffzelle unterkühlt wird, in die Gaspumpe eingeführt wird. Die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe in diesem Zustand entspricht der niedrigen Drehzahl in dem Niedrigdrehzahlbereich (zweite Drehzahl), wie vorstehend beschrieben ist. Auch wenn das unterkühlte Wasser in die Gaspumpe eingeführt wird, bewirkt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts, dass das unterkühlte Wasser ausgebreitet bzw. verteilt ist, und dieses reduziert daher die Wahrscheinlichkeit eines Problems dahingehend, dass das unterkühlte Wasser durch eine Rotation des Rotationskörpers der Gaspumpe dahingehend beeinflusst wird, dass dieses gefriert und ein Klemmen des Rotationskörpers hervorruft. Auch wenn das unterkühlte Wasser gefriert, hat sich das eingefrorene unterkühlte Wasser zwischen dem Rotationskörper und der den Rotationskörper umgebenden Gehäusewand erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt. Der eingefrorene Teil kann daher durch den Rotationskörper abgetragen bzw. abgeschabt werden, welcher mit der zweiten Drehzahl rotiert wird, die der niedrigen Drehzahl entspricht. Folglich unterdrückt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts zu einer Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle wirkungsvoll ein Gefrieren der in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehenen Pumpe.
  • Wenn die Brennstoffzellentemperatur zu der Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle höher als die Referenztemperatur ist, bewirkt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts andererseits nicht, dass das unterkühlte Wasser in die Gaspumpe strömt. Dies stellt einen bestimmten Zirkulationsbetrag des Abgases durch die Rotation des Rotationskörpers der Gaspumpe mit der ersten Drehzahl gemäß der Leistungserzeugungsanforderung sicher.
  • (2) Das Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts kann ferner einen Gas-Flüssigkeits-Separator aufweisen, welcher in dem Zirkulationsdurchlass auf einer stromaufwärtigen Seite der Gaspumpe angeordnet ist. Wenn die Temperatur der Gaspumpe nicht höher als eine Temperatur ist, die sich einem Gefrierpunkt von Wasser annähert, das an dem Rotationskörper haftet, kann die Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung die Drehzahl des Rotationskörpers derart einstellt, dass diese niedriger ist als eine Drehzahl, welche bewirkt, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator gesammelte Wasser über den Zirkulationsdurchlass in die Gaspumpe eingesaugt wird. Diese Konfiguration bewirkt nicht, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator gesammelte Wasser in die Gaspumpe eingesaugt wird, und diese unterdrückt dadurch ein Gefrieren des an dem Rotationskörper der Gaspumpe haftenden Wassers. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nach der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle erhöht wird, wird das in der Brennstoffzelle erwärmte Abgas einer Gas-Flüssigkeits-Abtrennung durch den Gas-Flüssigkeits-Separator unterzogen und anschließend in die Gaspumpe eingesaugt. Entsprechend erhöht das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts die Temperatur der Gaspumpe und dieses unterdrückt ein Gefrieren oder bewirkt ein Schmelzen des gefrorenen Teils, sofern vorhanden.
  • Es können verschiedene Aspekte vorgesehen sein, welche von den vorstehend beschriebenen abweichen, beispielsweise ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems, ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüstetes Fahrzeug und ein Steuerungsverfahren des Fahrzeugs.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockdiagramm, welches die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt;
    • 2 ist eine schematische Abbildung, welche die Konfiguration einer Wasserstoffzirkulationspumpe darstellt;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, welches eine Inbetriebnahmevorgangsroutine eines Brennstoffzellensystems zeigt, welche durch eine Steuerungsvorrichtung durchgeführt wird;
    • 4 ist eine schematische Abbildung, welche einen Mechanismus zum Unterdrücken eines Klemmens eines Rotors, welches durch ein Gefrieren von Wasser bei dem Rotor hervorgerufen wird, darstellt;
    • 5 ist eine Abbildung, welche eine Zeitreihen-Pumpensteuerung mit Veränderungen der Brennstoffzellentemperatur und der Pumpentemperatur nach einer An-Betätigung eines Startschalters (STON) schematisch zeigt;
    • 6 ist ein Flussdiagramm, welches eine Inbetriebnahmevorgangsroutine des Brennstoffzellensystems zeigt, welche durch die Steuerungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform durchgeführt wird; und
    • 7 ist eine Abbildung, welche eine Zeitreihen-Pumpensteuerung gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt, welche derart konfiguriert ist, dass diese den Inbetriebnahmevorgang von 6 durchführt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 darstellt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 entspricht einem Vierradfahrzeug und dieses ist mit einem Brennstoffzellensystem 30 ausgerüstet, wie in 1 gezeigt ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 30 kann eine Brennstoffzelle 40, einen Wasserstoff-Zuführ-Abführmechanismus 50, einen Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60, einen Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 und eine Steuerungsvorrichtung 100 umfassen.
  • Die Brennstoffzelle 40 kann eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle sein, welche Zuführungen von Wasserstoffgas als ein Brenngas und der Luft als ein sauerstoffhaltiges Gas aufnimmt und elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Wie in 1 gezeigt ist, besitzt die Brennstoffzelle 40 durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 41 eine Stapelstruktur. Die Einheitszelle 41 umfasst eine Anode, eine Kathode, eine Elektrolytmembran und Separatoren. In der nachfolgenden Beschreibung können die Anoden der Mehrzahl von Einheitszellen 41 kollektiv als „Anode“ oder „Anodendurchlass“ bezeichnet sein. Die Kathoden der Mehrzahl von Einheitszellen 41 können kollektiv als „Kathode“ oder „Kathodendurchlass“ bezeichnet sein.
  • Der Wasserstoff-Zuführ-Abführmechanismus 50 ist derart konfiguriert, dass dieser das Wasserstoffgas hin zu der Brennstoffzelle 40 führt und von dieser abführt, und dieser kann einen Wasserstofftank 51, einen Regulator bzw. eine Regulierungsvorrichtung 52, einen Zuführdurchlass 53, einen Zirkulationsdurchlass 54, eine Wasserstoffzirkulationspumpe 55, ein Spülventil 56, einen Abführdurchlass 57 und einen Gas-Flüssigkeits-Separator 58 umfassen.
  • Der Wasserstofftank 51 ist derart konfiguriert, dass dieser das Wasserstoffgas speichert. Der Zuführdurchlass 53 entspricht einem Wasserstoffgas-Zuführdurchlass (Brenngas-Zuführdurchlass), welcher sich ausgehend von dem Wasserstofftank 51 erstreckt und mit einem Zuführanschluss auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 40 verbunden ist. Der in diesem Zuführdurchlass 53 vorgesehene Regulator 52 reguliert den Druck und den Zuführbetrag des in dem Wasserstofftank 51 gespeicherten Wasserstoffgases und führt das regulierte Wasserstoffgas über den Zuführdurchlass 53 hin zu der Brennstoffzelle 40, oder insbesondere hin zu der Anode der Einheitszellen 41. Der Druck und der Zuführbetrag des hin zu der Brennstoffzelle 40 zu führenden Wasserstoffgases werden durch eine Antriebssteuerung des Regulators 52 durch die Steuerungsvorrichtung 100 reguliert.
  • Der Zirkulationsdurchlass 54 ist derart konfiguriert, dass dieser die Brennstoffzelle 40 oder insbesondere einen Abgas-Abführdurchlassabschnitt der Brennstoffzelle 40, welcher mit einem Gasabgabeabschnitt auf der Anodenseite verbunden ist, mit dem Zuführdurchlass 53 verbindet und ein von der Anode abgeführtes Abgas bei dem Zuführdurchlass 53 einführt. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 58 und die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 sind der Reihe nach ausgehend von der stromaufwärtigen Seite in der Mitte des Zirkulationsdurchlasses 54 angeordnet. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 58 ist in einer hohlen Behälterform vorgesehen und bewirkt, dass das Abgas, welches von der Anode abgeführt wird und in den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 strömt, durch eine Trennplatte 58a einer Gas-Flüssigkeits-Abtrennung unterzogen wird, und dieser bewirkt, dass das Gas nach der Gas-Flüssigkeits-Abtrennung über den Zirkulationsdurchlass 54 hin zu der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 ausströmt. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 58 dient außerdem dazu, um das Wasser nach der Gas-Flüssigkeits-Abtrennung aufzunehmen und das gesammelte Wasser über den Abführdurchlass 57 abzuführen.
  • Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 ist als eine Gaspumpe zum Fördern des Wasserstoffgases konfiguriert, um das Abgas mit dem Wasserstoffgas in dem Zuführdurchlass 53 zu vermischen und das gemischte Gas zu zirkulieren und hin zu der Brennstoffzelle 40 zu führen. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 saugt insbesondere das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 abgetrennte Abgas an und führt das angesaugte Abgas hin zu der Anode der Einheitszellen 41 zurück (zirkuliert dieses und führt dieses zu). Das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 abgetrennte Abgas besteht hauptsächlich aus dem Wasserstoffgas, welches nicht verbraucht wird, sondern abgegeben wird. Die detaillierte Konfiguration der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 ist später beschrieben.
  • Der Abführdurchlass 57 erstreckt sich ausgehend von dem Gas-Flüssigkeits-Separator 58 hin zu einem Kathodengas-Abführdurchlass 66 (später beschrieben) des Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60. Das in der Mitte des Abführdurchlasses 57 angeordnete Spülventil 56 wird unter der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 100 geöffnet, um die durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 abgetrennte Flüssigkeit (Wasser) bei dem Kathodengas-Abführdurchlass 66 einzuführen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 abgetrennte Flüssigkeit direkt von dem Abführdurchlass 57 nach außen abgegeben werden.
  • Der Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 ist derart konfiguriert, dass dieser die Luft hin zu der Brennstoffzelle 40 führt und von dieser abführt, und dieser kann einen Kathodengas-Zuführdurchlass 61, ein erstes durch einen Motor betätigtes Ventil 11, ein zweites durch einen Motor betätigtes Ventil 12, einen Luftkompressor 62, einen Strömungsmesser 65, den Kathodengas-Abführdurchlass 66 und einen Bypass 69 umfassen. Das erste durch einen Motor betätigte Ventil 11 kann ein Strömungsteilerventil 63 und einen Strömungsteilerventilmotor 64 umfassen. Das zweite durch einen Motor betätigte Ventil 12 kann ein Druckregulierungsventil 67 und einen Druckregulierungsventilmotor 68 umfassen.
  • Der Kathodengas-Zuführdurchlass 61 und der Kathodengas-Abführdurchlass 66 sind als Strömungspfade vorgesehen, welche derart konfiguriert sind, dass diese die Brennstoffzelle 40 mit deren jeweiligen Luftöffnungsanschlüssen verbinden. Ein Luftfilter (nicht gezeigt) ist bei dem Luftöffnungsanschluss des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61 vorgesehen.
  • Der Luftkompressor 62 ist in der Mitte des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61 angeordnet, um die Luft von dem Luftöffnungsanschluss des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61 aufzunehmen und die eingeführte Luft zu verdichten. Der Luftkompressor 62 ist bei einer Position vorgesehen, welche näher an dem Luftöffnungsanschluss liegt als bei einer Verbindungsposition, bei welcher der Kathodengas-Zuführdurchlass 61 mit dem Bypass 69 verbunden ist. Der Strömungsmesser 65 dient dazu, um die Strömungsrate des durch den Luftkompressor 62 aufgenommenen Kathodengases (der Luft) zu messen.
  • Das Strömungsteilerventil 63 ist auf der stromabwärtigen Seite des Luftkompressors 62 in dem Kathodengas-Zuführdurchlass 61, oder mit anderen Worten, zwischen dem Luftkompressor 62 und der Brennstoffzelle 40 vorgesehen. Das Strömungsteilerventil 63 teilt die Strömung des Kathodengases von dem Luftkompressor 62 in die stromabwärtige Seite des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61 und den Bypass 69 auf. Dieses Strömungsteilerventil 63 ist ebenso als Dreiwegeventil bezeichnet.
  • Der Strömungsteilerventilmotor 64 ist mit dem Strömungsteilerventil 63 verbunden, um ein Drehmoment zum Regulieren der Öffnungsposition des Strömungsteilerventils 63 zu erzeugen. Der Strömungsteilerventilmotor 64 entspricht einem Schrittmotor.
  • Der Bypass 69 entspricht einem Strömungspfad, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser das Strömungsteilerventil 63 mit dem Kathodengas-Abführdurchlass 66 verbindet. In der Beschreibung dieser Ausführungsform bedeutet „schließen des Strömungsteilerventils 63“ ein Trennen eines stromaufwärtigen Abschnitts von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61 und ein Verbinden des Bypasses 69 mit dem stromaufwärtigen Abschnitt des Kathodengas-Zuführdurchlasses 61. Im Ansprechen auf einen Eingang eines Antriebsimpulses zum Schließen des Strömungsteilerventils 63 wird ein Ventilkörper des Strömungsteilerventils 63 durch eine stärkere Kraft als eine einfache Kontaktkraft gegen einen Ventilsitz davon gedrückt, so dass der Ventilkörper und der Ventilsitz des Strömungsteilerventils 63 abgedichtet sind.
  • Das Druckregulierungsventil 67 ist in dem Kathodengas-Abführdurchlass 66 vorgesehen. Das Druckregulierungsventil 67 reguliert den Strömungsdurchlassbereich des Kathodengas-Abführdurchlasses 66 gemäß der Öffnungsposition. Im Ansprechen auf einen Eingang eines Antriebsimpulses zum Schließen des Druckregulierungsventils 67 wird ein Ventilkörper des Druckregulierungsventils 67 durch eine stärkere Kraft als eine einfache Kontaktkraft in gleicher Art und Weise wie das Strömungsteilerventil 63 gegen einen Ventilsitz davon gedrückt, so dass der Ventilkörper und der Ventilsitz des Druckregulierungsventils 67 abgedichtet sind. Das Druckregulierungsventil 67 ist mit einem Pilotventil (nicht gezeigt) vorgesehen. Das Pilotventil entspricht einem Mechanismus, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Kathodengas-Abführdurchlasses 66 bei einer sich auf null befindlichen Öffnungsposition des Kathodengas-Abführdurchlasses 66 reduziert.
  • Der Druckregulierungsventilmotor 68 ist mit dem Druckregulierungsventil 67 verbunden, um ein Drehmoment zum Regulieren Öffnungsposition des Druckregulierungsventils 67 zu erzeugen. Der Druckregulierungsventilmotor 68 entspricht einem Schrittmotor.
  • Die Luft, welche das Druckregulierungsventil 67 durchläuft, strömt durch die Verbindungsposition mit dem Bypass 69 und wird von dem Luftöffnungsanschluss hin zu der Atmosphäre abgegeben.
  • Der Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 ist derart konfiguriert, dass diese die Brennstoffzelle 40 abkühlt und dieser kann einen Kühler 71 und eine Kühlwasserzirkulationspumpe 72 umfassen, welche in einem Kühlwasserzirkulationsdurchlass 73 vorgesehen sind. Der Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 zirkuliert das Kühlwasser zwischen den Einheitszellen 41 und dem Kühler 71, um die Betriebstemperatur der Einheitszellen 41 zu steuern. Eine solche Zirkulation des Kühlwassers absorbiert Wärme in den Einheitszellen 41 und gibt die Wärme in dem Kühler 71 frei. Der Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 kann außerdem einen Temperatursensor 74 umfassen, welcher in dem Kühlwasserzirkulationsdurchlass 73 vorgesehen ist, um die Temperatur des Kühlwassers zu erfassen und die erfasste Temperatur hin zu der Steuerungsvorrichtung 100 auszugeben. Die Steuerungsvorrichtung 100 verwendet die erfasste Temperatur des Temperatursensors 74 als die Temperatur der Brennstoffzelle 40, so dass diese einem Parameter von verschiedenen Steuerungen entspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur der Brennstoffzelle 40 direkt erfasst werden.
  • Die Steuerungsvorrichtung 100 ist insbesondere als eine ECU (elektronische Steuerungseinheit) vorgesehen. Die Steuerungsvorrichtung 100 führt verschiedene Steuerungen zum Steuern der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellensystem 30 im Ansprechen auf eine Leistungserzeugungsanforderung für die Brennstoffzelle 40 durch. Eine Anforderungs-Erlangungsvorrichtung 102, welche in der Steuerungsvorrichtung 100 vorgesehen ist, erhält die Leistungserzeugungsanforderungen basierend auf einem Sensorsignal von einem Gaspedalsensor 91 und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 92. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Leistungserzeugungsanforderung durch eine separate Schaltungsstruktur von der Steuerungsvorrichtung 100, beispielsweise einer weiteren ECU, ermittelt werden. Die Steuerungsvorrichtung 100 treibt den Regulator 52 in dem Zuführdurchlass 53 des Wasserstoff-Zuführ-Abführmechanismus 50 an und steuert diesen, treibt den Luftkompressor 62 und das erste durch einen Motor betätigte Ventil 11 in dem Kathodengas-Zuführdurchlass 61 des Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 an und steuert diesen, und diese treibt das zweite durch einen Motor betätigte Ventil 12 in dem Kathodengas-Abführdurchlass 66 des Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 an und steuert dieses, um den Zuführbetrag des Wasserstoffgases und den Zuführbetrag der Luft hin zu der Brennstoffzelle 40 zu regulieren und dadurch die Leistungserzeugungsanforderung durch eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 40 zu erfüllen. Die Steuerungsvorrichtung 100 treibt außerdem die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in dem Zirkulationsdurchlass 54 des Wasserstoff-Zuführ-Abführmechanismus 50 an und steuert diese, oder diese steuert insbesondere die Rotation eines ersten Rotors 83 und eines zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 (später beschrieben), um den Zirkulations-Zuführbetrag des Abgases durch den Zirkulationsdurchlass 54 zu regulieren. Die Steuerungsvorrichtung 100 dient entsprechend als eine Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung, um die Drehzahlen der Rotationskörper, das heißt, der Rotoren der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, zu regulieren. Die Steuerungsvorrichtung 100 gibt verschiedene Antriebssignale zu der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, dem Luftkompressor 62 und den vorstehend beschriebenen weiteren relevanten Komponenten aus, um solche Steuerungen zu erreichen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung separat zu der Steuerungsvorrichtung 100 vorgesehen sein, um die Drehzahlen der Rotoren der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zu regulieren.
  • 2 ist eine schematische Abbildung, welche die Konfiguration der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 darstellt. Die Abbildung von 2 auf der linken Seite stellt einen schematischen Abschnitt der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 entlang einer Schnittebene senkrecht zu einer Axialrichtung von Rotationsachsen RXa und RXb des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 dar. Die Abbildung von 2 auf der rechten Seite stellt einen schematischen Abschnitt der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 entlang einer Schnittebene einschließlich der Rotationsachsen RXa und RXb des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 dar. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 kann eine Rotorkammeranordnung 80 und ein Rotorstellglied 81 umfassen. Die Rotorkammeranordnung 80 ist als ein Gehäuse der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 vorgesehen und diese kann eine Pumpenkammer 82 aus einen geschlossenen Raum umfassen. Die beiden Rotoren, das heißt, der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84, sind innerhalb der Pumpenkammer 82 angeordnet. Der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 entsprechen dem untergeordneten Konzept des Rotationskörpers in den Ansprüchen. Der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 besitzen im Wesentlichen identische Konfigurationen und diese sind derart ausgebildet, dass diese eine Querschnittsgestalt durch Einschnüren eines mittleren Abschnitts einer annähernd elliptische Gestalt in einer Richtung einer Längsachse LX besitzen (so genannte Kokon-Querschnittsgestalt). Der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 besitzen eine doppelte Rotationssymmetrie. Eine innere Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82, in welcher die jeweiligen Rotoren 83 und 84 angeordnet sind, entspricht dem untergeordneten Konzept der den Rotationskörper umgebenden Gehäusewand in den Ansprüchen.
  • Eine Hauptdrehwelle 83x ist mit der Mitte des ersten Rotors 83 verbunden und eine angetriebene Drehwelle 84x ist mit der Mitte des zweiten Rotors 84 verbunden. Das Rotorstellglied 81 umfasst einen Motor (nicht gezeigt), welcher derart konfiguriert ist, dass dieser die Rotationsantriebskraft über die Hauptdrehwelle 83x auf den ersten Rotor 83 überträgt und dadurch den ersten Rotor 83 rotiert. Das Rotorstellglied 81 rotiert außerdem die angetriebene Drehwelle 84x, welche mit der Hauptdrehwelle 83x durch ein Zahnrad (nicht gezeigt) anzutreiben ist, und dieses rotiert dadurch den zweiten Rotor 84 zusammen mit dem ersten Rotor 83. Die Steuerungsvorrichtung 100 (in 1 gezeigt) steuert den Motor des Rotorstellglieds 81, um die Drehzahlen des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 zu regulieren.
  • Der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 weisen die folgende Positionsbeziehung in der Pumpenkammer 82 auf. In dem Zustand, bei welchem die Längsachse LX des ersten Rotors 83 senkrecht zu der Längsachse LX des zweiten Rotors 84 angeordnet ist, ist ein Ende 83t des ersten Rotors 83 in der Richtung der Längsachse LX bei einem Einschnürungsteil 84c, welcher bei dem mittleren Abschnitt des zweiten Rotors 84 in der Richtung der Längsachse LX ausgebildet ist, eingepasst. Alternativ kann ein Ende 84t des zweiten Rotors 84 in der Richtung der Längsachse LX in einem Einschnürungsteil 83c des ersten Rotors 83 eingepasst sein.
  • Die Pumpenkammer 82 ist in einer Querschnittsgestalt durch Verbinden eines Kreises C1 um die Hauptdrehwelle 83x mit einem Kreis C2 um die angetriebene Drehwelle 84x in einer teilweise überlappenden Art und Weise ausgebildet (wie durch die Abbildungen auf der linken Seite gezeigt). Ein Einlassanschluss 85 und ein Auslassanschluss 86 sind derart vorgesehen, dass diese in einem mittleren Überlappungsbereich der beiden Kreise C1 und C2 in der Pumpenkammer 82 einander gegenüberliegen.
  • Der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 werden in entgegengesetzten Richtungen, wie durch Pfeile gezeigt, mit der gleichen Drehzahl durch die Rotations-Antriebskraft des Rotorstellglieds 81 rotiert. Dies resultiert in einem sich wiederholenden Ansaugen von Gas durch den Ansauganschluss 85 und Abführen von verdichtetem Gas durch den Auslassanschluss 86. Der Einlassanschluss 85 ist mit dem in 1 gezeigten Gas-Flüssigkeits-Separator 58 verbunden und der Auslassanschluss 86 ist mit dem in 1 gezeigten Zuführdurchlass 53 verbunden. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration zirkuliert das von der Brennstoffzelle 40 abgeführte Abgas (Wasserstoffgas) durch die Rotationen des Rotorstellglieds 81 und des zweiten Rotors 84 hin zu dem Zuführdurchlass 53.
  • Ein Abstand Da zwischen der inneren Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 und dem Ende 83t oder 84t des ersten Rotors 83 oder des zweiten Rotors 84 in der Richtung der Längsachse LX (in der Abbildung auf der linken Seite gezeigt) kann beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 50 µm liegen. Ein Abstand Db zwischen Endflächen 83p und 84p des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 in der Richtung entlang der Rotationsachsen RXa und RXb des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 und der inneren Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82, welche den Endflächen 83p und 84p gegenüberliegt (in der Abbildung auf der rechten Seite gezeigt), kann beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 60 µm liegen. Der Abstand Db kann insbesondere in einem Bereich von 15 bis 25 µm liegen. Diese Konfiguration sieht wirkungsvoller einen Zustand vor, bei welchem sich das in der Pumpenkammer 82 verbleibende Restwasser oder das über den Zirkulationsdurchlass 84 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömende Wasser bei einer Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung, wie später beschrieben, entlang der inneren Wandoberfläche 82s erstreckt bzw. ausbreitet bzw. verteilt. Dies trägt zu einem Unterdrücken eines Klemmens der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in einer Niedrigtemperaturumgebung bei (später detailliert beschrieben).
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches eine Inbetriebnahmevorgangsroutine des Brennstoffzellensystems 30 zeigt, welche durch die Steuerungsvorrichtung 100 durchgeführt wird. Dieser Inbetriebnahmevorgang führt eine Vorrichtungssteuerung mit Bezug auf die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 durch und wird durch eine An-Betätigung eines Startschalters (nicht gezeigt) (STON) des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 gestartet und durch die Steuerungsvorrichtung 100 durchgeführt. Nach einer An-Betätigung des Startschalters (STON) liest die Steuerungsvorrichtung 100 zunächst die Temperatur Tf der Brennstoffzelle 40 (nachfolgend als Brennstoffzellentemperatur Tf bezeichnet) aus der Sensorausgabe des Temperatursensors 74 aus (Schritt S100). Entsprechend bilden der Temperatursensor 74 und die Steuerungsvorrichtung 100, welche beim Auslesen der Brennstoffzellentemperatur Tf involviert sind, eine Temperatur-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Temperatur der Brennstoffzelle 40 zu einer Inbetriebnahmezeit erhält. Diese Brennstoffzellentemperatur Tf entspricht einer Temperatur, welche die Temperatur von Wasser bestimmt, welches über den Zirkulationsdurchlass 84 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eingeführt wird. Die Temperatur von Wasser, welches in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eingeführt wird, kann auf diese Art und Weise direkt oder indirekt aus der Brennstoffzellentemperatur Tf ermittelt werden.
  • Die Steuerungsvorrichtung 100 vergleicht anschließend die Brennstoffzellentemperatur Tf mit einer Schwellentemperatur T0 (Schritt S110). Diese Schwellentemperatur T0 entspricht einer vorbestimmten Temperatur, welche nicht höher als null Grad Celsius ist und eine Temperatur bezeichnet (Referenztemperatur), bei welcher es wahrscheinlich ist, das das Restwasser, welches in der Brennstoffzelle 40 oder insbesondere in dem Anodendurchlass der Einheitszellen 41 zurückbleibt, mit Abnahmen der Umgebungstemperatur und der Brennstoffzellentemperatur Tf zu unterkühltem Wasser unterkühlt wird, und welches wahrscheinlich von der Brennstoffzelle 40 über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann die Schwellentemperatur T0 (beispielsweise -10 °C bis 0 °C), welche im Vorhinein durch ein Experiment oder eine Simulation unter Verwendung des tatsächlichen Brennstoffzellensystems 30 ermittelt werden kann, in einem vorbestimmten Speicherbereich speichern. Der Zustand, in welchem Wasser in dem Anodendurchlass der Einheitszellen 41 zurückbleibt, kann auftreten, wenn die Brennstoffzelle 40, die betrieben wird, um elektrische Leistung in einer Niedrigtemperaturumgebung zu erzeugen, gestoppt wird und dies führt dazu, dass Wasser, welches unmittelbar vor dem Stopp des Betriebs erzeugt wird, als das Restwasser zurückbleibt.
  • Im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S110 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf höher als die Schwellentemperatur T0 ist, startet die Steuerungsvorrichtung 100 eine herkömmliche Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S120) unter der Annahme, dass es unwahrscheinlich ist, dass unterkühltes Wasser in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt, und diese beendet anschließend diese Routine. Bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung führt die Steuerungsvorrichtung 100 das Wasserstoffgas und die Luft zu, um eine Leistungserzeugungsanforderung zu einer Systeminbetriebnahmezeit, beispielsweise eine Leerlauf-Leistungserzeugungsanforderung zum Aufwärmen oder eine Leistungserzeugungsanforderung gemäß der Gaspedalbetätigung und der Fahrzeuggeschwindigkeit, zu erfüllen, um die Brennstoffzelle 40 in Betrieb zu nehmen und zu betreiben. Die Steuerungsvorrichtung 100 treibt die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 an und steuert diese, um das Wasserstoffgas mit dem Zuführbetrag gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit einhergehend mit der durch den Regulator 52 in dem Zuführdurchlass 53 regulierten Strömungsrate zuzuführen. Die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 wird auf eine vorbestimmte Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit gesteuert. Diese vorbestimmte Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) entspricht dem untergeordneten Konzept der ersten Drehzahl in den Ansprüchen. Nach dem Start der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S120 beendet die Steuerungsvorrichtung 100 diese Inbetriebnahmevorgangsroutine und wechselt zu einer Leistungserzeugungsteuerung (nicht gezeigt), welche die Gase mit den Zuführbeträgen gemäß der Leistungserzeugungsanforderung entsprechend der Gaspedalbetätigung und dergleichen zuführt.
  • Im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S110 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf nicht höher als die Schwellentemperatur T0 ist, führt die Steuerungsvorrichtung 100 andererseits eine Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S140) unter der Annahme durch, dass es wahrscheinlich ist, dass unterkühltes Wasser in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt.
  • Bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140 führt die Steuerungsvorrichtung 100 das Wasserstoffgas durch Steuern des Regulators 52 zu, während das Abgas durch Steuern der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zirkuliert und zugeführt wird. Die Regulatorsteuerung steuert den Regulator 52 in der gleichen Art und Weise wie bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S120, um das Wasserstoffgas mit dem Zuführbetrag gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit zuzuführen. Die Pumpensteuerung treibt die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 mit der Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, welche bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahme unter Verwendung der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit und der Brennstoffzellentemperatur Tf eingestellt wird, an und steuert diese. Bei der Pumpensteuerung berechnet die Steuerungsvorrichtung 100 die Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit. Die Steuerungsvorrichtung 100 stellt anschließend die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahme (Gefrierauflösedrehzahl Rt) auf eine vorbestimmte Drehzahl (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) unter Verwendung der berechneten Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit und der Brennstoffzellentemperatur Tf ein. Diese vorbestimmte Drehzahl (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) entspricht dem untergeordneten Konzept der zweiten Drehzahl in den Ansprüchen. Die Steuerungsvorrichtung 100 steuert dann die Rotation des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 auf die eingestellte Gefrierauflösedrehzahl Rt für eine vorbestimmte Zeitphase (beispielsweise etwa 10 bis 15 Sekunden) (Schritt S140). Ausgehend von dem Start der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140 nimmt die Brennstoffzelle 40 die Zuführungen von Wasserstoffgas und der Luft auf und erzeugt elektrische Leistung. Die Drehzahl der Rotoren 83 und 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 ist jedoch auf die niedrige Drehzahl beschränkt, wie vorstehend beschrieben ist. Dies reduziert den zirkulierten und zugeführten Betrag und erzeugt dadurch den kleineren Betrag an elektrischer Leistung im Vergleich zu dem Betrag an elektrischer Leistung, welcher bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S120 erzeugt wird.
  • Die Gefrierauflösedrehzahl Rt des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140, wie vorstehend beschrieben, wird unter Verwendung der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit und der Brennstoffzellentemperatur Tf eingestellt, so dass die niedrigere Drehzahl in dem vorstehenden Drehzahlbereich bei der niedrigeren Brennstoffzellentemperatur Tf vorgesehen ist. Diese Gefrierauflösedrehzahl Rt (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) entspricht der Drehzahl, welche eingestellt ist, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf nicht höher als die Schwellentemperatur T0 ist. In dem Zustand der gleichen Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit im Vergleich zu dieser bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S120 ist diese Gefrierauflösedrehzahl Rt derart eingestellt, dass diese niedriger ist als die Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung, welche durchgeführt wird, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf höher als die Schwellentemperatur T0 ist. Die Gefrierauflösedrehzahl Rt (beispielsweise 550 bis 650 U/min), welche eingestellt ist, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf nicht höher als die Schwellentemperatur T0 ist, entspricht der Drehzahl in dem Niedrigdrehzahlbereich, welche ermöglicht, dass das unterkühlte Wasser, welches von der Brennstoffzelle 40 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt, zwischen der inneren Wandoberfläche 82s und sowohl dem ersten Rotor 83 als auch dem zweiten Rotor 84 erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt ist. Die Gefrierauflösedrehzahl Rt kann im Vorhinein durch ein Experiment oder eine Simulation unter Verwendung des tatsächlichen Brennstoffzellensystems 30 ermittelt werden und diese wird in der Steuerungsvorrichtung 100 gespeichert. Die Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S 140), welche die Rotation der Rotoren auf die Gefrierauflösedrehzahl Rt steuert, sieht wirkungsvoller den Zustand vor, bei welchem das Restwasser, welches in der Pumpenkammer 82 zurückbleibt, oder das Wasser, welches durch den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt, entlang der inneren Wandoberfläche 82s erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt ist. Dies unterdrückt entsprechend ein Klemmen des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, welches durch ein Gefrieren von Wasser hervorgerufen wird. Dieser Mechanismus ist nachstehend mit Bezug auf die Konfiguration der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 beschrieben.
  • 4 ist eine schematische Abbildung, welche den Mechanismus zum Unterdrücken eines Klemmens eines Rotors, welches durch ein Gefrieren von Wasser bei dem Rotor hervorgerufen wird, darstellt. Bei der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 ist es wahrscheinlich, dass Wasser auch nach einem Stopp des Betriebs der Brennstoffzelle 40 in der Pumpenkammer 82 zurückbleibt, und es ist wahrscheinlich, dass Wasser (unterkühltes Wasser) zusammen mit dem durch Steuern des Regulators 52 zugeführten Abgas ausgehend von der Brennstoffzelle 40 über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Pumpenkammer 82 strömt. Ein solches rotorinternes Wasser RL bzw. Wasser bei den Rotoren tritt wahrscheinlich zwischen den ersten Rotor 83 und die innere Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 und zwischen den zweiten Rotor 84 und die innere Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 ein. Wenn die Temperatur der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt entspricht, um das rotorinterne Wasser RL zu unterkühlen, bewirkt ein Antreiben der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, um den ersten Rotor 83 und den zweiten Rotor 84 mit der niedrigen Drehzahl anzutreiben, wie vorstehend beschrieben, dass sich das rotorinterne Wasser RL in einem Schichtzustand entlang der inneren Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 erstreckt bzw. ausbreitet bzw. verteilt.
  • Die innere Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 befindet sich auf der Außenseite des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84. In einer Niedrigtemperaturumgebung weist die Rotorkammeranordnung 80, welche der Außenluft mit niedriger Temperatur ausgesetzt ist, eine niedrige Temperatur auf und dies bewirkt, dass das rotorinterne Wasser RL auf der inneren Wandoberfläche 82s der Rotorkammeranordnung 80 unterkühlt wird. Wenn das rotorinterne Wasser RL in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 unterkühlt wird, übt eine Rotation des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einen Einfluss auf das unterkühlte rotorinterne Wasser RL in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 aus. Dieser Einfluss löst ein Gefrieren des rotorinternen Wassers RL in einem Schichtzustand auf der Seite der inneren Wandoberfläche 82s mit der niedrigeren Temperatur im Vergleich zu den Rotoren 83 und 84 aus. Dies führt entsprechend nicht dazu, dass das rotorinterne Wasser RL gefriert und eine Blockade zwischen der inneren Wandoberfläche 82s und den jeweiligen Rotoren 83 und 84 darstellt, und unterdrückt dadurch ein Klemmen des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 in dem mit der inneren Wandoberfläche 82s verbundenen Zustand durch das gefrorene rotorinterne Wasser RL. Der gefrorene Teil des rotorinternen Wassers RL auf der Seite der inneren Wandoberfläche 82s kann durch den ersten Rotor 83 und den zweiten Rotor 84 abgeschabt bzw. abgetragen werden, welche mit der niedrigen Drehzahl rotieren, wie vorstehend beschrieben ist. Dies hält den ersten Rotor 83 und den zweiten Rotor 84 entsprechend drehbar. Gemäß dieser Ausführungsform entspricht die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einer Roots-Pumpe bzw. Wälzkolbenpumpe und diese weist große Bereiche der Endflächen 83p und 84p der jeweiligen Rotoren 83 und 84 auf. Ein großer Betrag des rotorinternen Wassers RL kann daher zwischen den Endflächen 83p und 84p der Rotoren 83 und 84 und der inneren Wandoberfläche 82s vorliegen. Auch in diesem Fall kann die in der Niedrigtemperaturumgebung durchgeführte Pumpensteuerung bei Schritt S140 ein Klemmen des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 unterdrücken, welches durch ein Gefrieren des rotorinternen Wassers RL hervorgerufen wird.
  • Nachfolgend zu der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140, wie vorstehend beschrieben, liest die Steuerungsvorrichtung 100 die Brennstoffzellentemperatur Tf erneut aus (Schritt S150) und vergleicht die ausgelesene Brennstoffzellentemperatur Tf mit einer Referenztemperatur T1 (Schritt S160). Diese Referenztemperatur T1 ist höher als die Schwellentemperatur T0, welche bei Schritt S110 verwendet wird, und diese entspricht einer Temperatur, welche ermöglicht, dass der unterkühlte Zustand von Wasser in der Brennstoffzelle 40 aufgelöst wird. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann die Referenztemperatur T1 (beispielsweise 2 °C bis 5 °C), welche im Vorhinein durch ein Experiment oder eine Simulation unter Verwendung des tatsächlichen Brennstoffzellensystems 30 ermittelt werden kann, zusammen mit der Schwellentemperatur T0 in dem vorbestimmten Speicherbereich speichern.
  • Im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S160 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf niedriger als die Referenztemperatur T1 (> T0) ist, führt die Steuerungsvorrichtung 100 den Verarbeitungsablauf unter der Annahme, dass es nach wie vor wahrscheinlich ist, dass unterkühltes Wasser von der Brennstoffzelle 40 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt, zu Schritt S140 zurück. Im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S160 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf größer bzw. höher oder gleich der Referenztemperatur T1 (> T0) ist, ermittelt die Steuerungsvorrichtung 100 andererseits, dass die Einströmung von unterkühltem Wasser von der Brennstoffzelle 40 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 aufgelöst ist, und diese beendet diese Inbetriebnahmevorgangsroutine. Nach dem Beenden dieser Inbetriebnahmevorgangsroutine wechselt die Steuerungsvorrichtung 100 hin zu der Leistungserzeugungssteuerung, wie im Falle des auf Schritt S120 folgenden Ablaufs.
  • Das Brennstoffzellensystem 30 der vorstehenden Konfiguration, welches auf dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 gemäß der Ausführungsform montiert ist, führt die vorstehend beschriebene Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S140) durch, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf zu der Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle 40 nicht höher als die Schwellentemperatur T0 ist (negative Antwort bei Schritt S110 in 3), und dieses veranlasst, dass unterkühltes Wasser wahrscheinlich von der Brennstoffzelle 40 über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt. Dies sieht die nachfolgenden Vorteile vor. 5 ist eine Abbildung, welche eine Zeitreihen-Pumpensteuerung mit Veränderungen der Brennstoffzellentemperatur Tf und der Pumpentemperatur Tp nach einer An-Betätigung des Startschalters (STON) schematisch zeigt.
  • Wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf zu der Zeit der An-Betätigung des Startschalters (STON) niedriger als die Schwellentemperatur T0 (beispielsweise -10 °C bis 0 °C) ist, führt die niedrige Temperatur der Brennstoffzelle 40 dazu, dass es wahrscheinlich ist, dass das unterkühlte Wasser einhergehend mit der anschließenden Zuführung des Wasserstoffgases von der Brennstoffzelle 40 über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt. Wenn in dieser Situation keine Maßnahme ergriffen wird, werden der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit mit einer relativ hohen Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) rotiert. Das in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einströmende unterkühlte Wasser nimmt entsprechend eine Einwirkung von den jeweiligen Rotoren 83 und 84 auf und es ist wahrscheinlich, dass dieses an der Stelle, bei welcher die Einwirkung aufgenommen wird, lokal gefriert und ein Klemmen des Rotors hervorruft.
  • Wenn die Brennstoffzelle 40 eine niedrige Temperatur aufweist (Brennstoffzellentemperatur Tf < Schwellentemperatur T0 (beispielsweise -10 °C bis 0 °C)) und dadurch veranlasst, dass das unterkühlte Wasser wahrscheinlich von der Brennstoffzelle 40 über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 strömt, rotiert das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform den ersten Rotor 83 und den zweiten Rotor 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 mit der Gefrierauflösedrehzahl Rt (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min), welche der niedrigen Drehzahl entspricht, die unter Verwendung der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit und der Brennstoffzellentemperatur Tf eingestellt ist (Schritt S 140). Diese Gefrierauflösedrehzahl Rt (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) ist in dem Zustand der gleichen Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit wie diese bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S120) niedriger als die Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) bei der herkömmlichen Inbetriebnahmesteuerung, welche durchgeführt wird, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tf höher als die Schwellentemperatur T0 ist. Das in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einströmende unterkühlte Wasser (rotorinternes Wasser RL) wird entsprechend zwischen der inneren Wandoberfläche 82s und den jeweiligen Rotoren 83 und 84 durch die mit der Gefrierauflösedrehzahl Rt rotierenden Rotoren 83 und 84, die der niedrigen Drehzahl (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) entspricht, erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt (wie in 4 gezeigt).
  • Das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass der erste Rotor 83 und der zweite Rotor 84, welche mit einer hohen Geschwindigkeit rotieren, dem unterkühlten Wasser (rotorinternen Wasser RL) ausgesetzt sind. Das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform bewirkt, dass das unterkühlte Wasser (rotorinternes Wasser RL) erstreckt bzw. verteilt wird, und dieses reduziert oder verhindert dadurch den Zustand, bei welchem das unterkühlte Wasser (rotorinternes Wasser RL) lokal gefriert, und den Zustand, bei welchem das unterkühlte Wasser (rotorinternes Wasser RL) gefroren ist, um zwischen der inneren Wandoberfläche 82s und den jeweiligen Rotoren 83 und 84 eine Blockage vorzusehen. Zusätzlich ist das unterkühlte Wasser, auch wenn das in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einströmende unterkühlte Wasser gefriert, zwischen der inneren Wandoberfläche 82s und den jeweiligen Rotoren 83 und 84 erstreckt bzw. verteilt und dieses gefriert daher in einem Schichtzustand auf der Seite der inneren Wandoberfläche 82s. Der gefrorene Teil des unterkühlten Wassers (des rotorinternen Wassers RL) auf der Seite der inneren Wandoberfläche 82s kann daher durch den ersten Rotor 83 und den zweiten Rotor 84, welche mit der Gefrierauflösedrehzahl Rt rotieren, die der niedrigen Drehzahl (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) entspricht, abgeschabt bzw. abgetragen werden. Folglich unterdrückt das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform, dass die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zu der Brennstoffzellen-Inbetriebnahmezeit bei der Niedrigtemperaturumgebung gefriert.
  • Das Nachstehende beschreibt einen Inbetriebnahmevorgang gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Inbetriebnahmevorgang der weiteren Ausführungsform ist durch eine Ventilsteuerung bei dem Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 und eine Wasseransaugung in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in Kombination mit der Steuerung mit Bezug auf die Wasserstoffzirkulationspumpe 55, wie vorstehend beschrieben, charakterisiert. 6 ist ein Flussdiagramm, welches eine Inbetriebnahmevorgangsroutine gemäß der weiteren Ausführungsform zeigt, welche durch die Steuerungsvorrichtung 100 durchgeführt wird. Dieser Inbetriebnahmevorgang wird durch eine An-Betätigung eines Startschalters (nicht gezeigt) (STON) des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 gestartet und durch die Steuerungsvorrichtung 100 durchgeführt. In gleicher Art und Weise wie bei dem Inbetriebnahmevorgang der vorstehenden Ausführungsform liest die Steuerungsvorrichtung 100 die Brennstoffzellentemperatur Tf aus der Sensorausgabe des Temperatursensors 74 aus (Schritt S100) und vergleicht die Brennstoffzellentemperatur Tf mit der Schwellentemperatur T0 (Schritt S110).
  • Im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S110 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf höher als die Schwellentemperatur T0 ist, startet die Steuerungsvorrichtung 100 die herkömmliche Inbetriebnahmesteuerung, wie vorstehend beschrieben, (Schritt S120) unter der Annahme, dass das unterkühlte Wasser unwahrscheinlich in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 einströmt, und diese beendet anschließend diese Routine. Die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in diesem Zustand entspricht der vorbestimmten Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit, wie vorstehend beschrieben. Nach dem Beenden dieser Inbetriebnahmevorgangsroutine wechselt die Steuerungsvorrichtung 100 hin zu der Leistungserzeugungsteuerung (nicht gezeigt), welche die Gase mit den Zuführbeträgen gemäß der Leistungserzeugungsanforderung entsprechend der Gaspedalbetätigung und dergleichen zuführt.
  • Im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S110 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf nicht höher als die Schwellentemperatur T0 ist, führt die Steuerungsvorrichtung 100 andererseits einen Ventilgefrier-Auflösevorgang (Schritt S130) vor der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S140), wie vorstehend beschrieben, durch.
  • Der Ventilgefrier-Auflösevorgang bei Schritt S130 entspricht einem Vorgang, welcher für die Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S140) vorbereitet ist und durchgeführt wird, um den Gefrierzustand aufzulösen, welcher bei dem ersten durch einen Motor betätigten Ventil 11 und dem zweiten durch einen Motor betätigten Ventil 12 des Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 (in 1 gezeigt) erwartet wird. Die Steuerungsvorrichtung 100 führt insbesondere eine Vorwärts/Rückwärts-Rotationssteuerung des Strömungsteilerventilmotors 64, welcher in dem ersten durch einen Motor betätigten Ventil 11 enthalten ist, und des Druckregulierungsventilmotors 68, welche in dem zweiten durch einen Motor betätigten Ventil 12 enthalten ist, bei vorbestimmten Zeitintervallen (beispielsweise bei Zyklen von etwa 1 Sekunde) durch, um das erste durch einen Motor betätigte Ventil 11 und das zweite durch einen Motor betätigte Ventil 12 zu öffnen und zu schließen. Der Ventilgefrier-Auflösevorgang bei Schritt S130 wird für eine Zeitdauer (beispielsweise etwa 3 Sekunden) durchgeführt, welche durch ein Experiment oder eine Simulation unter Verwendung des tatsächlichen Brennstoffzellensystems 30 als eine Zeitdauer ermittelt werden kann, die erforderlich ist, um den Gefrierzustand der motorbetätigten Ventile 11 und 12 aufzulösen. Dies bricht das Eis bei dem gefrorenen Teil und löst dadurch den Gefrierzustand der motorbetätigten Ventile 11 und 12.
  • Nach dem Ventilgefrier-Auflösevorgang bei Schritt S130 führt die Steuerungsvorrichtung 100 die Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140 durch, liest bei Schritt S150 erneut die Brennstoffzellentemperatur Tf aus und ermittelt bei Schritt S160, ob der Gefrierzustand der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 aufgelöst ist, wie vorstehend beschrieben ist. Im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S160 dahingehend, dass die Brennstoffzellentemperatur Tf höher oder gleich der Referenztemperatur T1 (> T0) ist, schätzt die Steuerungsvorrichtung 100 eine Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 (Schritt S170) unter der Annahme ab, dass die Einströmung des unterkühlten Wassers von der Brennstoffzelle 40 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 aufgelöst ist. Zum Abschätzen der Pumpentemperatur Tp kann irgendeine von verschiedenen Technologien eingesetzt werden. Die Pumpentemperatur Tp kann beispielsweise basierend auf der Brennstoffzellentemperatur Tf der Brennstoffzelle 40 abgeschätzt werden, welche bei Schritt S150 erneut gelesen wird. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann insbesondere ein Kennfeld aufweisen, welches im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen vorgesehen wird und eine eindeutige Korrelation der Temperaturveränderung der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zu der Temperaturveränderung der Brennstoffzelle 40 nach dem Stopp des Betriebs angibt. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann auf dieses Kennfeld Bezug nehmen und einen Schätzwert der Temperatur der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 entsprechend der Brennstoffzellentemperatur Tf der Brennstoffzelle 40 erhalten. Anstelle dieses Verfahrens unter Verwendung des Kennfelds kann das nachfolgende Verfahren eingesetzt werden, um die Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 basierend auf der Brennstoffzellentemperatur Tf der Brennstoffzelle 40 abzuschätzen. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann den Messwert des Temperatursensors 74, welcher die Auslasstemperatur der Brennstoffzelle 40 angibt, als die Brennstoffzellentemperatur Tf der Brennstoffzelle 40 erhalten und die erhaltene Brennstoffzellentemperatur Tf mit einem vorbestimmten Koeffizienten multiplizieren, um einen Schätzwert eines ersten Wärmebetrags der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zu ermitteln. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann anschließend einen Schätzwert eines zweiten Wärmebetrags, welcher von der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 nach außen übertragen wird, basierend auf der Umgebungstemperatur erhalten. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann anschließend den abgeschätzten zweiten Wärmebetrag von dem abgeschätzten ersten Wärmebetrag subtrahieren, um einen Schätzwert eines Betrags einer Temperaturveränderung der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 zu erhalten und dadurch die aktuelle Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 abzuschätzen. Ein weiteres verfügbares Verfahren kann einen bei der Rotorkammeranordnung 80 als die äußere Hülle der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 montierten Temperatursensor verwenden und die Pumpentemperatur Tp direkt ermitteln.
  • Beispielsweise kann der bei Schritt S170 erhaltene Schätzwert der Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 die Temperatur des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 angeben oder dieser kann die Temperatur der inneren Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 angeben. Insbesondere kann der Schätzwert der Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 die Temperatur des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 angeben. Dies verbessert ferner die Beziehung zwischen dem Schätzwert der Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 und der Wahrscheinlichkeit eines Klemmens der jeweiligen Rotoren 83 und 84 in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55, welches durch ein Gefrieren des rotorinternen Wassers RL hervorgerufen wird. Der Schätzwert der Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 kann insbesondere die Temperatur der Pumpenkammer 82 in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 angeben. Dies ermöglicht, dass die Umgebungsbedingung, welche bewirkt, dass das rotorinterne Wasser RL in der Pumpenkammer 82 erstreckt bzw. ausgebreitet bzw. verteilt ist und entlang der inneren Wandoberfläche 82s der Pumpenkammer 82 gefriert, bei dem Schätzwert der Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 geeigneter reflektiert wird.
  • Im Anschluss an Schritt S170 vergleicht die Steuerungsvorrichtung 100 die abgeschätzte Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 mit einer Schwellentemperatur TPO (Schritt S180). Diese Schwellentemperatur TP0 bezeichnet eine Temperatur, bei welcher Wasser, welches in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eintritt und an dem ersten Rotor 83 oder dem zweiten Rotor 84 haftet (nachfolgend als „am Rotor haftendes Wasser“ bezeichnet), aufgrund der niedrigen Rotortemperatur (niedrige Pumpentemperatur Tp) bei der Anhaftungsposition gefriert. Die Schwellentemperatur TPO nähert sich einem Gefrierpunkt des am Rotor haftenden Wassers an. Die Steuerungsvorrichtung 100 kann die Schwellentemperatur TPO (beispielsweise -10 °C bis 0 °C), welche im Vorhinein durch ein Experiment oder eine Simulation unter Verwendung des tatsächlichen Brennstoffzellensystems 30 ermittelt wird, in einem vorbestimmten Speicherbereich speichern.
  • Im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S180 dahingehend, dass die Pumpentemperatur Tp höher als die Schwellentemperatur TPO ist, beendet die Steuerungsvorrichtung 100 diese Routine unter der Annahme, dass das am Rotor haftende Wasser, welches in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eintritt und an dem ersten Rotor 83 oder dem zweiten Rotor 84 haftet, unwahrscheinlich gefriert. Nach der Beendigung dieser Routine wechselt die Steuerungsvorrichtung 180 hin zu der Leistungserzeugungssteuerung, wie im Falle des auf Schritt S120 folgenden Ablaufs.
  • Im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S180 dahingehend, dass die Pumpentemperatur Tp nicht höher als die Schwellentemperatur TP0 ist, führt die Steuerungsvorrichtung 100 andererseits eine Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung (Schritt S190) unter der Annahme durch, dass das am Rotor haftende Wasser in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 wahrscheinlich gefriert.
  • Aufgrund des Einströmens von Wasser von der Brennstoffzelle 40 und dem Ansaugen von Wasser durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 ist es wahrscheinlich, dass sich Wasser in der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 sammelt. Die Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung bei Schritt S190 wird jedoch lediglich im Falle einer zustimmenden Antwort bei Schritt S160 durchgeführt (Tf ≥ T1, was die Auflösung der Einströmung von unterkühltem Wasser anzeigt). Daher ist es ausreichend, das Gefrieren von Wasser zu unterdrücken, welches sich aufgrund des Ansaugens von Wasser durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 sammelt. Die Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung bei Schritt S190 stellt entsprechend die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 derart ein, dass diese niedriger ist als eine spezifizierte Drehzahl, welche bewirkt, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 gesammelte Wasser über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gesaugt wird, und treibt die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 an. Bei der Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung steuert die Steuerungsvorrichtung 100 insbesondere die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 für eine vorbestimmte Zeitdauer (beispielsweise etwa 10 bis 20 Sekunden) auf eine Gefrierunterdrückungsdrehzahl Rr (beispielsweise etwa 1500 U/min), welche das Ansaugen von Wasser unterdrückt. Nach der Rotationssteuerung der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 für die vorbestimmte Zeitdauer beendet die Steuerungsvorrichtung 100 diese Routine. Nach dem Beenden dieser Routine wechselt die Steuerungsvorrichtung 180 hin zu der Leistungserzeugungssteuerung, wie im Falle des auf Schritt S120 folgenden Ablaufs. Gemäß einer Modifikation kann die Steuerungsvorrichtung 100 nach der Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung bei Schritt S190 die Pumpentemperatur Tp neu bzw. erneut abschätzen, die neu abgeschätzte Pumpentemperatur Tp mit der Schwellentemperatur TPO vergleichen und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs ermitteln, ob die Pumpengefrier-Unterdrückungssteuerung von Schritt S190 fortgesetzt werden soll oder ob die Routine beendet werden soll.
  • Das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform, welches derart konfiguriert ist, dass dieses den in 6 gezeigten Inbetriebnahmevorgang durchführt, weist die nachfolgenden Vorteile auf. 7 ist eine Abbildung, welche die Zeitreihen-Pumpensteuerung gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt, welche derart konfiguriert ist, dass diese den Inbetriebnahmevorgang von 6 durchführt.
  • Wenn die Brennstoffzelletemperatur Tf zu der Zeit der An-Betätigung des Startschalters (STON) nicht höher als die Schwellentemperatur T0 (beispielsweise -10 °C bis 0 °C) ist (im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S110), führt die Steuerungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform den Ventilgefrier-Auflösevorgang (Schritt S130) durch, welcher das Öffnen und Schließen des ersten durch einen Motor betätigten Ventils 11 und des zweiten durch einen Motor betätigten Ventils 12 in dem Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 (in 1 gezeigt) steuert. Wenn die Brennstoffzelletemperatur Tf niedriger als die Schwellentemperatur T0 (beispielsweise -10 °C bis 0 °C) ist, löst das Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform im Vorhinein ein Gefrieren dieser motorbetätigten Ventile 11 und 12, um für die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle bei der Niedrigtemperaturumgebung vorbereitet zu sein.
  • Der Inbetriebnahmevorgang dieser Ausführungsform führt den Ventilgefrier-Auflösevorgang (Schritt S130) vor der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung (Schritt S140) durch. Entsprechend kann ein Steuern der Drehzahl der Rotoren 83 und 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in dem Zustand durchgeführt werden, bei welchem die Luftzuführung bei dem Kathodengas-Zuführ-Abführmechanismus 60 zu der Systeminbetriebnahmezeit geeignet gesteuert wird. Diese Konfiguration erhöht die Wirksamkeit des Unterdrückens bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung bei Schritt S140 dahingehend, dass die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in der Niedrigtemperaturumgebung gefriert.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform ist der Gas-Flüssigkeits-Separator 58 auf der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 in dem Zirkulationsdurchlass 54 angeordnet. Bei dem Vorgang des Ansaugens des Gases (Abgases) durch die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 nach der Gas-Flüssigkeits-Abtrennung durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 stellt das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform, wenn die Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 nicht höher als die Schwellentemperatur TPO ist, welche veranlasst, dass das am Rotor haftende Wasser wahrscheinlich an der Anhaftungsposition gefriert (im Falle einer negativen Antwort bei Schritt S180), die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 auf die Gefrierunterdrückungsdrehzahl Rr (beispielsweise etwa 1500 U/min) ein, welche unterdrückt, dass das Wasser, welches durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 angesammelt ist, über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eingesaugt wird (Schritt S190). Das Brennstoffzellensystem 30 der Ausführungsform ermöglicht nicht, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 gesammelte Wasser in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gesaugt wird, wenn die Pumpentemperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 nicht höher als die Schwellentemperatur TP0 ist, wie vorstehend beschrieben. Dies unterdrückt ein Gefrieren von Wasser, welches an dem ersten Rotor 83 und dem zweiten Rotor 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 haftet. Die Temperatur der Brennstoffzelle 40 wird nach der Systeminbetriebnahme erhöht (Tf ≥ T1), bevor die Drehzahl der Rotoren 83 und 84 auf die Gefrierunterdrückungsdrehzahl Rr (beispielsweise etwa 1500 U/min) eingestellt ist. Entsprechend bewirkt das Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform, dass das in der Brennstoffzelle 40 erwärmte Abgas einer Gas-Flüssigkeits-Abtrennung durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 unterzogen wird und anschließend in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gesaugt wird. Dies erhöht die Temperatur der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 und unterdrückt ein Gefrieren oder schmilzt den gefrorenen Teil, falls vorhanden.
  • Wenn die Brennstoffzelletemperatur Tf während einer Wiederholung der Steuerung des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 auf die Gefrierauflösedrehzahl Rt (Schritte S140 und S150) die Referenztemperatur T1 (> T0) erreicht (Schritt S160), stoppt das Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform die Steuerung der Drehzahl der Rotoren 83 und 84. Das Brennstoffzellensystem 30 dieser Ausführungsform setzt entsprechend das Steuern der Rotoren 83 und 84 auf die Gefrierauflösedrehzahl Rt, welche der niedrigen Drehzahl entspricht, nicht unnötig fort.
  • Die vorstehend beschriebene Ausführungsform verwendet die Wasserstoffzirkulationspumpe 55, welche der Roots-Pumpe mit dem ersten Rotor 83 und dem zweiten Rotor 84 mit der Kokon-Querschnittsgestalt entspricht. Diese Konfiguration ist jedoch nicht beschränkend. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 kann beispielsweise eine Roots-Pumpe mit Dreiecksrotoren entsprechen oder diese kann einer Nicht-Roots-Pumpe entsprechen. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 kann irgendeiner Pumpe mit einem Rotationskörper entsprechen, und diese kann beispielsweise einer Schraubenspindelpumpe bzw. Schneckenpumpe entsprechen. Die vorbestimmte Drehzahl (beispielsweise etwa 800 bis 2000 U/min) gemäß der Leistungserzeugungsanforderung zu der Systeminbetriebnahmezeit und die Gefrierauflösedrehzahl Rt (beispielsweise etwa 550 bis 650 U/min) des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 bei der Gefrierzustands-Inbetriebnahmesteuerung können gemäß der Konfiguration der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 eingestellt sein. Die Gefrierauflösedrehzahl Rt kann beispielsweise in einem niedrigeren Drehzahlbereich eingestellt sein, beispielsweise etwa 200 bis 300 U/min. Die Gefrierunterdrückungsdrehzahl Rr, welche nicht ermöglicht, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 gesammelte Wasser über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gesaugt wird, kann ebenso auf einen Drehzahlbereich, beispielsweise etwa 1400 bis 1600 U/min, eingestellt sein.
  • Bei dem Inbetriebnahmevorgang der in 6 gezeigten Ausführungsform kann entweder auf den Ventilgefrier-Auflösevorgang bei Schritt S130 oder den Pumpengefner-Unterdrückungsvorgang der Schritte S170 bis S190 verzichtet werden.
  • Die Abfolge des Pumpengefrier-Unterdrückungsvorgangs der Schritte S170 bis S190 bei dem Inbetriebnahmevorgang der in 6 gezeigten Ausführungsform stellt die Drehzahl des ersten Rotors 83 und des zweiten Rotors 84 der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 derart ein, dass diese niedriger ist als die Drehzahl, welche ermöglicht, dass das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 58 gesammelte Wasser über den Zirkulationsdurchlass 54 in die Wasserstoffzirkulationspumpe 55 gesaugt wird, wenn die Temperatur Tp der Wasserstoffzirkulationspumpe 55 nicht höher als die Schwellentemperatur TPO ist, bei welcher es wahrscheinlich ist, dass das am Rotor haftende Wasser, das an dem ersten Rotor 83 oder dem zweiten Rotor 84 haftet, gefriert. Das Brennstoffzellensystem 30 kann lediglich diesen Pumpengefrier-Unterdrückungsvorgang durchführen.

Claims (1)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Zirkulationsdurchlass, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein von der Brennstoffzelle abgeführtes Abgas hin zu einem Zuführanschluss eines Brenngases bei der Brennstoffzelle zirkuliert; eine Gaspumpe, welche in dem Zirkulationsdurchlass vorgesehen und derart konfiguriert ist, dass diese einen Rotationskörper aufweist und das von der Brennstoffzelle abgeführte Abgas durch eine Rotation des Rotationskörpers zu der Brennstoffzelle zurückführt; eine Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe steuert; eine Anforderungs-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Leistungserzeugungsanforderung für die Brennstoffzelle erhält; und eine Temperatur-Erlangungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Temperatur der Brennstoffzelle zu einer Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle erhält, wobei die Gaspumpen-Steuerungsvorrichtung derart konfiguriert ist, dass diese: eine Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine erste Drehzahl gemäß der Leistungserzeugungsanforderung steuert, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle höher als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist, die nicht höher als null Grad Celsius ist, und die Drehzahl des Rotationskörpers der Gaspumpe auf eine zweite Drehzahl steuert, welche niedriger als die erste Drehzahl ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nicht höher als die Referenztemperatur ist.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6822293B2 (ja) * 2017-04-18 2021-01-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6783188B2 (ja) * 2017-05-25 2020-11-11 愛三工業株式会社 燃料電池システム
JP6596057B2 (ja) * 2017-11-27 2019-10-23 本田技研工業株式会社 流量調整構造体及び流量調整方法
JP6969321B2 (ja) * 2017-11-28 2021-11-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7062993B2 (ja) * 2018-02-13 2022-05-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の検査方法および検査システム
JP7024651B2 (ja) * 2018-07-27 2022-02-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP7115250B2 (ja) * 2018-11-27 2022-08-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP7290417B2 (ja) * 2018-12-27 2023-06-13 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
KR102195871B1 (ko) * 2019-04-29 2020-12-30 (주)모토닉 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법
FR3098576B1 (fr) * 2019-07-08 2022-04-29 Air Liquide Procédé et installation de production d’hydrogène liquide
JP7481168B2 (ja) 2020-06-04 2024-05-10 株式会社豊田自動織機 燃料電池用ポンプ
DE102021104830A1 (de) 2021-03-01 2022-09-01 ECO Holding 1 GmbH Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005285686A (ja) 2004-03-30 2005-10-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2007035517A (ja) 2005-07-28 2007-02-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び凍結防止方法
DE112006003112T5 (de) 2005-12-07 2008-10-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Pumpe eines Roots-Typs und Brennstoffzellensystem
US20090169928A1 (en) 2007-12-27 2009-07-02 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method thereof
JP2009250215A (ja) 2008-04-10 2009-10-29 Toyota Motor Corp 液体供給装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3724332B2 (ja) * 2000-05-23 2005-12-07 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3835357B2 (ja) 2002-06-12 2006-10-18 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP4179855B2 (ja) 2002-11-22 2008-11-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102004055728A1 (de) 2003-11-20 2005-07-28 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki, Kariya Brennstoffzellensystem
JP2005158426A (ja) 2003-11-25 2005-06-16 Toyota Industries Corp 凍結防止装置
JP2007024015A (ja) 2005-07-21 2007-02-01 Toyota Industries Corp 水素循環ポンプ及び該水素循環ポンプを用いた燃料電池システム
JP4978037B2 (ja) * 2006-03-30 2012-07-18 株式会社日立製作所 燃料電池システム
JP2008019727A (ja) 2006-07-11 2008-01-31 Toyota Motor Corp 燃料循環ポンプ
JP2008059977A (ja) 2006-09-01 2008-03-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5003073B2 (ja) 2006-09-21 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5003089B2 (ja) * 2006-10-06 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4830852B2 (ja) * 2006-12-28 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2009138713A (ja) 2007-12-10 2009-06-25 Toyota Motor Corp 水素ポンプ及びこれを備えた燃料電池システム
CN102473940B (zh) * 2009-07-21 2015-04-01 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
JP6377378B2 (ja) 2014-03-17 2018-08-22 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 磁気共鳴イメージング装置
JP6156331B2 (ja) * 2014-11-14 2017-07-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの制御方法、燃料電池システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005285686A (ja) 2004-03-30 2005-10-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2007035517A (ja) 2005-07-28 2007-02-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び凍結防止方法
DE112006003112T5 (de) 2005-12-07 2008-10-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Pumpe eines Roots-Typs und Brennstoffzellensystem
US20090169928A1 (en) 2007-12-27 2009-07-02 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method thereof
JP2009250215A (ja) 2008-04-10 2009-10-29 Toyota Motor Corp 液体供給装置

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Publication number Publication date
JP2017050210A (ja) 2017-03-09
CN106505230A (zh) 2017-03-15
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