DE102018103500A1 - Brennstoffzellensystem und Restwasserentleerungssteuerungsverfahren - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Restwasserentleerungssteuerungsverfahren Download PDF

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Tsuyoshi Maruo
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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle; einen Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus, der dafür ausgestaltet ist, der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen; einen Ausströmpfad, der dafür ausgestaltet ist, ein Abgas und Wasser, das von der Brennstoffzelle abgelassen wird, abzulassen; ein Ventil, das in dem Ausströmpfad angeordnet ist; eine Restwasserentleerungs-Steuereinheit, die dafür ausgestaltet ist, einen Restwasserentleerungsprozess der Brennstoffzelle unter Verwendung des Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus und des Ventils zu steuern; einen Heizungsabschnitt, der dafür ausgestaltet ist, das Ventil zu erwärmen; und einen Störungsdetektor, der dafür ausgestaltet ist, eine Störung des Heizungsabschnitts zu detektieren. Wenn eine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt die Restwasserentleerungs-Steuereinheit den Restwasserentleerungsprozess aus und erhöht eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess im Vergleich zu einer Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess, der ausgeführt wird, wenn keine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-55222 , eingereicht am 22. März 2017, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Restwasserentleerungsprozess für eine Brennstoffzelle.
  • STAND DER TECHNIK
  • Wasser, das während des Betriebes einer Brennstoffzelle entsteht, und Wasser, das verwendet wird, um ein Reaktionsgas zu befeuchten, sind im Inneren der Brennstoffzelle vorhanden. Wenn die Temperatur die Brennstoffzelle nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle auf unter null sinkt, so kann Wasser, das im Inneren der Brennstoffzelle zurückbleibt, zum Beispiel in den Poren einer Katalysatorschicht oder einer Gasdiffusionsschicht, die in jeder Zelleneinheit enthalten sind, gefrieren und beim nächsten Betriebstart die Brennstoffzelle das Strömen des Reaktionsgases oder eines Abgases behindern. Dementsprechend ist ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, um einen Restwasserentleerungsprozess nach einem Betriebstopp einer Brennstoffzelle auszuführen. Ein in JP 2016-91885A beschriebenes Brennstoffzellensystem schätzt die Temperatur eines Ventils, das in einem Ausströmpfad angeordnet ist, der dafür ausgestaltet ist, ein Abgas und Wasser in regelmäßigen Intervallen nach einem Betriebstopp einer Brennstoffzelle abzulassen, und führt einen Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die geschätzte Temperatur gleich oder unter 0 °C ist.
  • Das in JP 2016-91885A beschriebene Brennstoffzellensystem führt jedoch den Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die Temperatur des Ventils, das in dem Ausströmpfad angeordnet ist, gleich oder unter 0 °C ist. Dies macht es wahrscheinlich, dass das abgelassene Wasser in dem Ventil gefriert und das Öffnen und Schließen des Ventils behindert, oder macht es wahrscheinlich, dass der Ausströmpfad durch Eis blockiert wird, das sich auf dem Ventil bildet, so dass kein Wasser abgelassen werden kann. Dementsprechend besteht Bedarf an einer Technik, welche die Menge an Restwasser im Inneren einer Brennstoffzelle reduziert, während vermieden wird, dass Wasser, das aus der Brennstoffzelle abgelassen wird, in einem Ventil gefriert, das in einem Ausströmpfad angeordnet ist.
  • KURZDARSTELLUNG
    1. (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle; einen Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus, der dafür ausgestaltet ist, der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen; einen Ausströmpfad, der dafür ausgestaltet ist, ein Abgas und Wasser abzulassen, das aus die Brennstoffzelle abgelassen wird; ein Ventil, das in dem Ausströmpfad angeordnet ist; eine Restwasserentleerungs-Steuereinheit, die dafür ausgestaltet ist, zu Steuern eines Restwasserentleerungsprozesses die Brennstoffzelle unter Verwendung des Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus und des Ventils; einen Heizungsabschnitt, der dafür ausgestaltet ist, das Ventil zu erwärmen; und einen Störungsdetektor, der dafür ausgestaltet ist, eine Störung des Heizungsabschnitts zu detektieren. Wenn eine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt die Restwasserentleerungs-Steuereinheit den Restwasserentleerungsprozess aus und erhöht eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess im Vergleich zu einer Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess, der ausgeführt wird, wenn keine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts umfasst den Heizungsabschnitt, der dafür ausgestaltet ist, das Ventil zu erwärmen. Diese Ausgestaltung verhindert, dass das abgelassene Wasser in dem Ventil in dem Restwasserentleerungsprozess gefriert. Wenn eine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts den Restwasserentleerungsprozess vor einem Betriebstopp der Brennstoffzelle aus und erhöht die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess im Vergleich zur Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess, der ausgeführt wird, wenn keine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird. Diese Ausgestaltung reduziert die Menge an Restwasser in der Brennstoffzelle nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle und verhindert, dass Wasser in dem Ventil nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle gefriert.
    2. (2) In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann die Restwasserentleerungs-Steuereinheit einen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, der vor einem Betriebstopp der Brennstoffzelle ausgeführt werden kann, und kann einen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, der nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle ausgeführt werden kann, als den Restwasserentleerungsprozess steuern. Wenn eine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so kann die Restwasserentleerungs-Steuereinheit einen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess mit einer höheren Wasserauslassleistung im Vergleich zu einer Wasserauslassleistung im Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführen und führt keinen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Wenn keine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt die Restwasserentleerungs-Steuereinheit den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus und führt keinen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Wenn eine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts den Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess mit einer höheren Wasserauslassleistung aus als der Wasserauslassleistung im Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess und führt keinen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Diese Ausgestaltung reduziert die Menge an Restwasser in der Brennstoffzelle nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle und verhindert, dass das abgelassene Wasser in dem Ventil gefriert, im Gegensatz zu einer Ausgestaltung, die den Restwasserentleerungsprozess bei kalten Temperaturen nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle ausführt. Wenn keine Störung des Heizungsabschnitts detektiert wird, so führt das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus und führt keinen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Diese Ausgestaltung verwendet den Heizungsabschnitt, um zu verhindern, dass das abgelassene Wasser in dem Ventil gefriert, und reduziert den für den Restwasserentleerungsprozess erforderlichen Stromverbrauch im Vergleich zu einer Ausgestaltung, die sowohl den Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess als auch den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt.
    3. (3) Das Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann des Weiteren einen Temperaturerfasser umfassen, der dafür ausgestaltet ist, die Temperatur des Ventils zu erhalten. Die Restwasserentleerungs-Steuereinheit kann in regelmäßigen Intervallen nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle aktiviert werden, um die durch den Temperaturerfasser erhaltene Temperatur des Ventils zu überprüfen und den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess auszuführen, wenn die Temperatur höher als 0 °C ist, während der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt wird, wenn die Temperatur gleich oder unter 0 °C ist. Der Heizungsabschnitt kann das Ventil erwärmen, wenn die durch den Temperaturerfasser erhaltene Temperatur des Ventils gleich oder unter 0 °C ist. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts führt den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die erhaltene Temperatur des Ventils mindestens 0 °C beträgt, während der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt wird, wenn die erhaltene Temperatur des Ventils unter 0 °C liegt. Diese Ausgestaltung verhindert, dass das abgelassene Wasser in dem Ventil gefriert, und reduziert den für den Restwasserentleerungsprozess erforderlichen Stromverbrauch im Vergleich zu einer Ausgestaltung, die den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ungeachtet der Temperatur des Ventils ausführt. Wenn die Temperatur des Ventils unter 0 °C liegt, so dient der Heizungsabschnitt dazu, das Ventil zu erwärmen. Dies hebt die Temperatur des Ventils zu sein höheren als 0 °C.
    4. (4) In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann die Restwasserentleerungs-Steuereinheit das Ventil veranlassen, wiederholt ein Öffnen und Schließen in dem Restwasserentleerungsprozess auszuführen, und steuert eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern eines Zeitraums, wenn wiederholt ein Öffnen und Schließen des Ventils ausgeführt wird, und/oder eines Verhältnisses einer Offen-Zeit zu einer Schließ-Zeit in einem Öffnungs-Schließ-Zyklus des Ventils. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts steuert die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern des Zeitraums, wenn wiederholt ein Öffnen und Schließen des Ventils ausgeführt wird, und/oder des Verhältnisses einer Offen-Zeit zu der Schließ-Zeit in einem Öffnungs-Schließ-Zyklus des Ventils. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess mit hoher Genauigkeit zu steuern.
    5. (5) In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann der Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus eine Pumpe umfassen, die dafür ausgestaltet ist, die Brennstoffzelle einen Überschuss des in dem Abgas enthaltenen Reaktionsgases zuzuführen. Die Restwasserentleerungs-Steuereinheit kann die Pumpe in dem Restwasserentleerungsprozess antreiben und steuert eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern eines Zeitraums, wenn die Pumpe angetrieben wird, und/oder einer Drehzahl der Pumpe. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts steuert die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern des Zeitraum, wenn die Pumpe angetrieben wird, und/oder der Drehzahl der Pumpe. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess mit hoher Genauigkeit zu steuern.
  • Die vorliegende Offenbarung kann durch verschiedene Aspekte implementiert werden, zum Beispiel eine Steuerungsvorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, einen Restwasserentleerungsprozess einer Brennstoffzelle zu steuern, ein Restwasserentleerungs-Steuerungsverfahren zum Steuern eines Restwasserentleerungsprozesses einer Brennstoffzelle, ein Computerprogramm, das dafür ausgestaltet ist, ein solches Verfahren zu implementieren, und ein Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockschaubild, das die schematische Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentleerungsprozesses zeigt, der in dem Brennstoffzellensystem ausgeführt wird;
    • 3 ist ein Schaubild, das ein Zeitdiagramm vor und nach einem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess veranschaulicht;
    • 4 ist ein Schaubild, das ein Zeitdiagramm während eines verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses veranschaulicht; und
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentleerungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Erste Ausführungsform
  • A1. SystemAusgestaltung
  • 1 ist ein Blockschaubild, das die schematische Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 100 ist in einem Fahrzeug montiert, um als ein System zur Antriebskraftversorgung verwendet zu werden. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10, einen Brennstoffgaszufuhr-Auslassmechanismus 200, einen Oxidierungsgaszufuhr-Auslassmechanismus 300, einen Brennstoffzellenzirkulations-Kühlmechanismus 400, einen Heizungsabschnitt 500, eine Steuerungsvorrichtung 60 und eine Startsteuerungsvorrichtung 70.
  • Die Brennstoffzelle 10 umfasst mehrere Zelleneinheiten 11, die entlang einer Stapelrichtung SD gestapelt sind, und ein Paar Endplatten 12 und 13, die an jeweiligen Enden in der Stapelrichtung SD angeordnet sind. Jede der Zelleneinheiten 11 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und ist dafür ausgestaltet, elektrischen Strom durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidierungsgases zu generieren, die einer anodenseitigen Katalysatorelektrodenschicht bzw. einer katodenseitigen Katalysatorelektrodenschicht zugeführt werden, die über einer Festpolymerelektrolytmembran angeordnet sind. Gemäß der Ausführungsform ist das Brennstoffgas Wasserstoffgas, und das Oxidierungsgas ist Luft. Die Katalysatorelektrodenschicht ist dafür ausgestaltet, einen Elektrolyten und Kohlenstoffpartikel mit einem Katalysator, wie zum Beispiel Platin (Pt), die darauf angeordnet sind, zu umfassen. Die Zelleneinheit 11 umfasst außerdem Gasdiffusionsschichten, die außerhalb der Katalysatorelektrodenschichten auf den jeweiligen Elektrodenseiten angeordnet sind und die aus einem porenhaltigen Material bestehen. Das verwendete porenhaltige Material kann zum Beispiel ein porenhaltiger Kohlenstoffkörper sein, wie zum Beispiel Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffgewebe, oder ein porenhaltiger Metallkörper, wie zum Beispiel ein Metallnetz oder geschäumten Metall. Sammelleitungen (nicht gezeigt), in denen das Brennstoffgas, das Oxidierungsgas und ein Kühlmedium strömen, sind im Inneren der Brennstoffzelle 10 entlang der Stapelrichtung SD gebildet.
  • Das Paar Endplatten 12 und 13 dient dazu, einen dazwischen angeordneten geschichteten Körper der mehreren Zelleneinheiten 11 zu halten. Von dem Paar Endplatten 12 und 13 hat die Endplatte 12 eine Funktion des Zuführens des Brennstoffgases, des Oxidierungsgases und des Kühlmediums zu den Sammelleitungen, die im Inneren der Brennstoffzelle 10 ausgebildet sind, und eine Funktion des Bereitstellens von Strömungspfaden zum Ablassen dieser Gase und des Mediums. Die Endplatte 13 hingegen hat keine derartigen Funktionen. Sowohl die Endplatte 12 als auch die Endplatte 13 haben ungefähr plattenartige Außenformen, deren Dickenrichtungen mit der Stapelrichtung SD identisch sind.
  • Der Brennstoffgaszufuhr-Auslassmechanismus 200 ist dafür ausgestaltet, der Brennstoffzelle 10 das Brennstoffgas zuzuführen und ein Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 10 abzulassen. Der Brennstoffgaszufuhr-Auslassmechanismus 200 umfasst einen Wasserstofftank 20, ein Absperrventil 25, einen Injektor 26, einen Gas-Flüssigkeit-Separator 27, eine Wasserstoffpumpe 28, ein Entleerungsventil 29, einen Brennstoffgaszufuhrpfad 21, einen ersten Brennstoffgas-Ausströmpfad 23, einen Brennstoffgas-Zirkulationspfad 22 und einen zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24.
  • Der Wasserstofftank 20 ist dafür ausgestaltet, Hochdruckwasserstoff zu speichern und das Wasserstoffgas als das Brennstoffgas durch den Brennstoffgaszufuhrpfad 21 zu der Brennstoffzelle 10 zu leiten. Das Absperrventil 25 ist in der Nähe eines Brennstoffgaszufuhrport des Wasserstofftanks 20 angeordnet und dient dazu, die Zufuhr von Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 20 zwischen der Zufuhr und dem Stoppen der Zufuhr umzuschalten. Der Injektor 26 ist in dem Brennstoffgaszufuhrpfad 21 angeordnet und dient zum Regulieren der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 10 und des Drucks des Wasserstoffgases. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 27 dient zum Abscheiden von Wasser, das in dem Anodenabgas enthalten ist, das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassen wurde, und zum Ablassen des abgeschiedenen Wassers zu dem ersten Brennstoffgas-Ausströmpfad 23, und dient auch dem Ablassen des Gases nach dem Abscheiden von Wasser, d. h. des überschüssigen Brennstoffgases, zu dem Brennstoffgas-Zirkulationspfad 22. Gemäß der Ausführungsform wird der Gas-Flüssigkeit-Separator 27 durch einen Teil der Endplatte 12 und ein Element, das zum Abdecken dieses Teils bereitgestellt ist, gebildet. Die Wasserstoffpumpe 28 ist in dem Brennstoffgas-Zirkulationspfad 22 angeordnet und dient zum Zuführen des überschüssigen Brennstoffgases, das aus dem Gas-Flüssigkeit-Separator 27 abgelassen wird, durch den Brennstoffgaszufuhrpfad 21 zu der Brennstoffzelle 10.
  • Das Entleerungsventil 29 ist an einer Grenze zwischen dem ersten Brennstoffgas-Ausströmpfad 23 und dem zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 angeordnet. Das Entleerungsventil 29 wird geöffnet, um das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 27 abgeschiedene Wasser in die Atmosphäre freizusetzen. Wenn das Entleerungsventil 29 geöffnet wird, so wird ein Teil des von der Brennstoffzelle 10 abgelassenen Anodenabgases, d. h. des übrigen Gases, das nicht dem Brennstoffgas-Zirkulationspfad 22 zugeführt wird, freigesetzt, wie auch das Wasser. Gemäß der Ausführungsform wird das Entleerungsventil 29 in zuvor festgelegten Zeitintervallen während des Betriebes der Brennstoffzelle 10 geöffnet und geschlossen. Während eines später beschriebenen Restwasserentleerungsprozesses wird ein Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 zu Zeitpunkten und über einen Zeitraum ausgeführt, die in Reaktion auf eine Instruktion von der Steuerungsvorrichtung 60 bestimmt werden. Der oben beschriebene Gas-Flüssigkeit-Separator 27 kommuniziert mit der Brennstoffzelle 10 und kommuniziert auch mit der Atmosphäre über den zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24, wenn das Entleerungsventil 29 geöffnet wird. Der Innendruck der Brennstoffzelle 10 ist höher als der atmosphärische Druck. Wenn das Entleerungsventil 29 geöffnet wird, so wird Wasser, das sich in dem Gas-Flüssigkeit-Separator 27 angesammelt hat, durch einen Druckunterschied zwischen dem Innendruck der Brennstoffzelle 10 und dem atmosphärischen Druck zu dem zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 abgelassen.
  • Der Brennstoffgaszufuhrpfad 21 ist dafür ausgelegt, den Wasserstofftank 20 mit der Brennstoffzelle 10 zu verbinden und der Brennstoffzelle 10 das in dem Wasserstofftank 20 gespeicherte Wasserstoffgas und das durch die Wasserstoffpumpe 28 zugeführte überschüssige Wasserstoffgas zuzuführen. Der erste Brennstoffgas-Ausströmpfad 23 ist dafür ausgelegt, den Gas-Flüssigkeit-Separator 27 mit dem Entleerungsventil 29 zu verbinden und dem Entleerungsventil 29 das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 27 abgeschiedene Wasser und den Teil des Anodenabgases zuzuleiten. Der zweite Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 ist dafür ausgelegt, das Entleerungsventil 29 mit einem (später beschriebenen) Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 zu verbinden und dem Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 das Wasser und das dem Entleerungsventil 29 zugeleitete Anodenabgas zuzuführen. Der Brennstoffgas-Zirkulationspfad 22 ist dafür ausgelegt, den Gas-Flüssigkeit-Separator 27 mit dem Brennstoffgaszufuhrpfad 21 zu verbinden und dem Brennstoffgaszufuhrpfad 21 das von dem Gas-Flüssigkeit-Separator 27 abgelassene überschüssige Wasserstoffgas zuzuführen.
  • Der Oxidierungsgaszufuhr-Auslassmechanismus 300 ist dafür ausgestaltet, der Brennstoffzelle 10 das Oxidierungsgas zuzuführen und ein Katodenabgas aus der Brennstoffzelle 10 abzulassen. Der Oxidierungsgaszufuhr-Auslassmechanismus 300 umfasst einen Luftverdichter 30, einen Oxidierungsgaszuleitungspfad 31, einen Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32, ein Dreiwegventil 33, ein Rückstauventil 34 und einen Umgehungsströmungspfad 35.
  • Der Luftverdichter 30 ist dafür ausgestaltet, der Brennstoffzelle 10 die Luft als das Oxidierungsgas zuzuführen. Der Oxidierungsgaszuleitungspfad 31 ist dafür ausgelegt, den Luftverdichter 30 mit der Brennstoffzelle 10 zu verbinden und der Brennstoffzelle 10 die von dem Luftverdichter 30 abgelassene verdichtete Luft zuzuführen. Der Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 ist mit einem (nicht gezeigten) katodenseitigen Abgasverteilerrohr verbunden, das im Inneren der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, um das Katodenabgas und das Wasser, das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassen wurde, zur Atmosphäre abzulassen. Wie oben beschrieben, ist der Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 mit dem zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 verbunden, so dass das Anodenabgas und das Wasser, das von dem zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 abgelassen wurde, zusammen mit dem Katodenabgas und dem Wasser zur Atmosphäre geleitet werden. Das Dreiwegventil 33 ist in dem Oxidierungsgaszuleitungspfad 31 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, die Luftmenge, die dem Oxidierungsgaszuleitungspfad 31 zuzuführen ist, und die Luftmenge, die dem Umgehungsströmungspfad 35 zuzuführen ist, aus der Gesamtluftmenge, die den Luftverdichter 30 verlässt, zu regulieren. Das Rückstauventil 34 ist in der Nähe der Brennstoffzelle 10 in dem Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, einen Staudruck zu regulieren, der ein Druck auf einer Katodenauslassseite der Brennstoffzelle 10 ist, und dadurch einen katodenseitigen Druck in jeder der Zelleneinheiten 11 einzustellen. Der Umgehungsströmungspfad 35 hat ein Ende mit dem Dreiwegventil 33 verbunden und das andere Ende mit dem Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 verbunden, so dass das von dem Luftverdichter 30 über das Dreiwegventil 33 zugeführte Oxidierungsgas zu dem Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 geführt wird, ohne der Brennstoffzelle 10 zugeführt zu werden.
  • Der Brennstoffzellenzirkulations-Kühlmechanismus 400 ist dafür ausgestaltet, Kühlwasser durch die Brennstoffzelle 10 zirkulieren zu lassen und dadurch die Temperatur der Brennstoffzelle 10 (die im Weiteren als „Brennstoffzellentemperatur“ bezeichnet werden kann) zu regulieren. Gemäß der Ausführungsform wird eine Frostschutzflüssigkeit, wie zum Beispiel Ethylenglykol, als das Kühlwasser verwendet. Das Kühlmedium ist jedoch nicht auf die Frostschutzflüssigkeit beschränkt, sondern kann jedes beliebige wärmetauschfähige Medium sein, wie ein gasförmiges Medium, wie zum Beispiel Luft. Der Brennstoffzellenzirkulations-Kühlmechanismus 400 umfasst einen Kühlwasserausströmpfad 41, einen Kühlwasserzuströmpfad 42, einen Umgehungsströmungspfad 43, eine Kühlwasserpumpe 45, einen Kühler 40, ein Dreiwegventil 44 und einen Temperatursensor 46.
  • Der Kühlwasserausströmpfad 41 hat ein Ende mit der Brennstoffzelle 10 verbunden und das andere Ende mit dem Kühler 40 verbunden, so dass das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassene Kühlwasser dem Kühler 40 zugeleitet wird. Der Kühlwasserzuströmpfad 42 hat ein Ende mit dem Kühler 40 verbunden und das andere Ende mit der Brennstoffzelle 10 verbunden, so dass das von dem Kühler 40 abgelassene Kühlwasser der Brennstoffzelle 10 zugeleitet wird. Der Umgehungsströmungspfad 43 ist ein Strömungspfad, der dafür ausgelegt ist zu bewirken, dass das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassene Kühlwasser zu der Brennstoffzelle 10 zurückgeführt wird, ohne durch den Kühler 40 und den Heizungsabschnitt 500 zu fließen. Der Kühler 40 umfasst einen (nicht gezeigten) Lüfter und ist dafür ausgestaltet, einen Wärmetausch zwischen der Außenluft und dem aus der Brennstoffzelle 10 abgelassenen Kühlwasser und dem von dem Heizungsabschnitt 500 abgelassenen Kühlwasser auszuführen. Das Dreiwegventil 44 ist in der Mitte des Kühlwasserausströmpfades 41 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, die Menge des Kühlwassers, das dem Kühlwasserausströmpfad 41 zuzuführen ist, und die Menge des Kühlwassers, das dem Umgehungsströmungspfad 43 zuzuführen ist, aus der Gesamtmenge des aus der Brennstoffzelle 10 abgelassenen Kühlwassers einzustellen. Der Temperatursensor 46 ist in der Nähe der Brennstoffzelle 10 in dem Kühlwasserausströmpfad 41 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, die Temperatur des Kühlwasser in dem Kühlwasserausströmpfad 41 zu messen und an die Steuerungsvorrichtung 60 Informationen zu übermitteln, welche die gemessene Temperatur angeben. Gemäß der Ausführungsform wird die durch den Temperatursensor 46 gemessene Temperatur des Kühlwassers als die Brennstoffzellentemperatur verwendet.
  • Der Heizungsabschnitt 500 dient zum Erwärmen des Entleerungsventils 29. Gemäß der Ausführungsform wird der Heizungsabschnitt 500 durch Verwenden eines Teils einer Klimaanlage ausgestaltet, die in dem Fahrzeug verwendet wird, in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist. Der Heizungsabschnitt 500 umfasst einen Kühlwasserzulaufpfad 51, eine Heizung 50, einen Kühlwasserausströmpfad 52, einen Umgehungsströmungspfad 53, eine Kühlwasserpumpe 54 und ein Dreiwegventil 55.
  • Der Kühlwasserzulaufpfad 51 hat ein Ende mit dem Kühlwasserzuströmpfad 42 des oben beschriebenen Brennstoffzellenzirkulations-Kühlmechanismus 400 verbunden und das andere Ende mit der Heizung 50 verbunden, so dass das in dem Kühlwasserzuströmpfad 42 fließende Kühlwasser zu der Heizung 50 geleitet wird. Die Heizung 50 ist dafür ausgestaltet, das einströmende Kühlwasser zu erwärmen und das erwärmte Kühlwasser abzulassen. Die Heizung 50 leitet das erwärmte Kühlwasser zu einem Heizungskern zur Klimatisierung (nicht gezeigt), während sie das erwärmte Kühlwasser zu dem Kühlwasserausströmpfad 52 ablässt. Die Heizung 50 umfasst eine Heizeinheit und eine Steuereinheit, die dafür ausgestaltet ist, die Heizeinheit zu steuern. Der Kühlwasserausströmpfad 52 hat ein Ende mit der Heizung 50 verbunden und das andere Ende mit dem Kühlwasserzuströmpfad 42 verbunden, so dass das durch die Heizung 50 erwärmte Kühlwasser zu dem Kühlwasserzuströmpfad 42 zurückgeführt wird. Wie in 1 gezeigt, ist ein Teil des Kühlwasserausströmpfades 52 in der Nähe des Entleerungsventils 29 angeordnet. Dementsprechend wird das Entleerungsventil 29 durch den Fluss des erwärmten Kühlwassers in dem Kühlwasserausströmpfad 52 erwärmt. Die Kühlwasserpumpe 54 ist in dem Kühlwasserausströmpfad 52 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, die Strömungsrate des Kühlwassers zu regulieren, das in dem Heizungsabschnitt 500 fließt. Das Dreiwegventil 55 ist in der Mitte des Kühlwasserausströmpfades 52 angeordnet und ist dafür ausgestaltet, die Menge des Kühlwassers, das der Heizung 50 zuzuführen ist, und die Menge des Kühlwassers, das dem Umgehungsströmungspfad 53 zuzuführen ist, aus dem Kühlwasser, das von dem Kühlwasserausströmpfad 41 zu dem Kühlwasserzulaufpfad 51 fließt, einzustellen.
  • Die Steuerungsvorrichtung 60 ist dafür ausgestaltet, das gesamte Brennstoffzellensystem 100 zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung 60 umfasst eine CPU 61 und einen Speicher 68. Die CPU 61 führt ein Steuerungsprogramm aus, das im Voraus in dem Speicher 68 gespeichert wurde, um zum Beispiel als ein Störungsdetektor 62, ein Temperaturerfasser 63, eine Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 64, eine Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, eine Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 und eine Betriebssteuereinheit 67 zu dienen.
  • Der Störungsdetektor 62 detektiert eine Störung des Heizungsabschnitts 500. Zu erwarteten Störungen des Heizungsabschnitts 500 gehören zum Beispiel eine Störung der Heizung 50 und eine Störung der Kühlwasserpumpe 54. Der Störungsdetektor 62 fordert die Heizung 50 und die Kühlwasserpumpe 54 auf, Statusinformationen zu senden, und bestimmt das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen einer Störung des Heizungsabschnitts 500 anhand der Statusinformationen, die von der Heizung 50 und der Kühlwasserpumpe 54 in Reaktion auf die Aufforderung gesendet werden.
  • Der Temperaturerfasser 63 erhält die Temperatur des Entleerungsventils 29. Genauer gesagt, verwendet der Temperaturerfasser 63 die von dem Temperatursensor 46 gesendete Brennstoffzellentemperatur, um die Temperatur des Entleerungsventils 29 zu schätzen und zu erhalten. Die Temperatur des Entleerungsventils 29 kann zum Beispiel unter Bezug auf eine Tabelle geschätzt werden, die im Voraus experimentell ermittelt wurde und die eine Korrelation der Brennstoffzellentemperatur mit der Temperatur des Entleerungsventils 29 enthält.
  • Die Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 64 bestimmt, ob ein später noch beschriebener verstärkter Vor-Betriebsstopp- Restwasserentleerungsprozess vor einem Stopp des Betriebes der Brennstoffzelle 10, oder genauer gesagt: am Beginn eines Betriebstopp-Prozesses, ausgeführt werden soll oder nicht. Die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65 bestimmt, ob ein später noch beschriebener Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nach einem Stopp des Betriebes der Brennstoffzelle 10 ausgeführt werden soll oder nicht. Gemäß der Ausführungsform basiert die Bestimmung, ob der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt werden soll oder nicht, auf der Bestimmung, ob der Heizungsabschnitt 500 eine Störung hat. Genauer gesagt, bestimmt die Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 64, dass der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt werden soll, wenn der Heizungsabschnitt 500 eine Störung hat, während sie bestimmt, dass der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt werden soll, wenn der Heizungsabschnitt 500 keine Störung hat. Gemäß der Ausführungsform basiert die Bestimmung, ob der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt werden soll oder nicht, auf der Bestimmung, ob die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C. Genauer gesagt, bestimmt die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, dass der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt werden soll, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C, während sie bestimmt, dass der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt werden soll, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist. Der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess und der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess können gemeinsam als „Restwasserentleerungsprozess“ bezeichnet werden.
  • Die Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 steuert den Restwasserentleerungsprozess. Gemäß der Ausführungsform umfasst der Restwasserentleerungsprozess (d. h. der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess und der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess) einen katodenseitigen Entleerungsprozess und einen anodenseitigen Entleerungsprozess. In dem katodenseitigen Entleerungsprozess treibt die Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 den Luftverdichter 30 an, um das Oxidierungsgas zu der Brennstoffzelle 10 zu leiten und dadurch das Katodenabgas und das Wasser, das in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist, abzulassen. In dem anodenseitigen Entleerungsprozess treibt die Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 die Wasserstoffpumpe 28 an, um der Brennstoffzelle 10 das von dem Gas-Flüssigkeit-Separator 27 abgelassene Wasserstoffgas zuzuführen und dadurch das Anodenabgas und das Wasser, das in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist, abzulassen. Die Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 veranlasst das Entleerungsventil 29, sich zu öffnen, und veranlasst dadurch, dass das Anodenabgas und das Wasser, das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, durch den zweiten Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 und den Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 zur Atmosphäre abgelassen werden.
  • Die Betriebssteuereinheit 67 steuert die oben beschriebenen jeweiligen Funktionsabschnitte 62 bis 66 und steuert die Betätigung und das Stoppen der jeweiligen Komponenten, wie zum Beispiel der Luftverdichter 30 und die Wasserstoffpumpe 28, die elektrisch mit der Steuerungsvorrichtung 60 verbunden sind, um die Betriebsabläufe der Brennstoffzelle 10 und der Steuerungsvorrichtung 60 zu steuern.
  • Die Steuerungsvorrichtung 60 und die Zusatzmaschinen, einschließlich des Luftverdichters 30 und der Wasserstoffpumpe 28, werden durch die Stromversorgung von einer (nicht gezeigten) Sekundärbatterie angetrieben. Diese Sekundärbatterie speichert den elektrischen Strom, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle 10 generiert wird. Wenn die von der Brennstoffzelle 10 ausgegebene Leistung niedrig ist, so wird zusätzlich elektrischer Strom von dieser Sekundärbatterie ausgegeben.
  • Die Startsteuerungsvorrichtung 70 ist dafür ausgestaltet, die Stromversorgung zu der Steuerungsvorrichtung 60 zu steuern und dadurch die Stromversorgung der Steuerungsvorrichtung 60 zwischen ein und aus umzuschalten. Die Startsteuerungsvorrichtung 70 umfasst einen Timer 71. Die Startsteuerungsvorrichtung 70 beginnt die Stromversorgung zu der Steuerungsvorrichtung 60 bei einem Timer-Ablauf und schaltet dadurch den Zustand der Steuerungsvorrichtung 60 von dem Abschaltzustand zu dem Einschaltzustand an einem zuvor festgelegten Zeitpunkt. Der Timer 71 wird durch die Steuerungsvorrichtung 60 in dem später noch beschriebenen Restwasserentleerungsprozess gestartet. Gemäß der Ausführungsform wird die Startsteuerungsvorrichtung 70 durch einen ASIC (anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis) ausgestaltet. Wie die Steuerungsvorrichtung 60, kann aber auch die Startsteuerungsvorrichtung 70 von einer CPU und einem Speicher anstelle des ASIC ausgestaltet werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 100, das die oben beschriebene Ausgestaltung hat, führt den unten beschriebenen Restwasserentleerungsprozess aus. Dies reduziert die Menge an Restwasser in der Brennstoffzelle 10, während verhindert wird, dass das Wasser, das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, in dem Entleerungsventil 29 gefriert.
  • Der erste Brennstoffgas-Ausströmpfad 23 und der zweite Brennstoffgas-Ausströmpfad 24, die oben beschrieben wurden, entsprechen dem untergeordneten Konzept des in der Kurzdarstellung der Erfindung beschriebenen Ausströmpfades. Das Entleerungsventil 29 entspricht dem untergeordneten Konzept des in der Kurzdarstellung der Erfindung beschriebenen Ventils, und die Wasserstoffpumpe 28 entspricht dem untergeordneten Konzept der in der Kurzdarstellung der Erfindung beschriebenen Pumpe.
  • A2. Restwasserentleerungsprozess
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentleerungsprozesses zeigt, der in dem Brennstoffzellensystem 100 ausgeführt wird. Das Brennstoffzellensystem 100 führt den Restwasserentleerungsprozess aus, wenn ein Signal, das einen Wechsel einer Zündung von ein zu aus angibt, von einer ECU (elektronischen Steuereinheit) des Fahrzeugs gesendet und durch die Steuerungsvorrichtung 60 empfangen wird.
  • Der Störungsdetektor 62 bestimmt, ob der Heizungsabschnitt 500 eine Störung hat (Schritt S105). Wenn bestimmt wird, dass der Heizungsabschnitt 500 keine Störung hat (Schritt S105: NEIN), so stellt die Betriebssteuereinheit 67 einen Aufwach-Timer ein (Schritt S110). Wie später noch beschrieben wird, wird in dem Brennstoffzellensystem 100, nach einem Ausschalten der Steuerungsvorrichtung 60, die Steuerungsvorrichtung 60 in regelmäßigen Intervallen ein- und ausgeschaltet. Das Einstellen des Aufwach-Timers meint, dass ein Zeitraum von einem Ausschalten bis zu einem Einschalten der Steuerungsvorrichtung 60 durch den Timer 71 gezählt wird. Bei Schritt S110 wird das Zählen dieses Zeitraums gestartet. Gemäß der Ausführungsform wird eine Stunde als der Zeitraum ab einem Ausschalten bis zu einem Einschalten der Steuerungsvorrichtung 60 eingestellt. Dieser Zeitraum ist jedoch nicht auf eine Stunde beschränkt, sondern es kann jede beliebige Zeit als dieser Zeitraum eingestellt werden.
  • Die Betriebssteuereinheit 67 schaltet anschließend die Steuerungsvorrichtung 60 aus (Schritt S115). Die Betriebssteuereinheit 67 schaltet die Steuerungsobjektvorrichtungen, wie zum Beispiel den Luftverdichter 30 und die Wasserstoffpumpe 28, aus, bevor sie die Steuerungsvorrichtung 60 ausschaltet, obgleich dies nicht veranschaulicht ist. Die Startsteuerungsvorrichtung 70 wartet, bis der Aufwach-Timer abgelaufen ist (Schritt S120). Wenn der Aufwach-Timer abgelaufen ist (Schritt S120: JA), so beginnt die Startsteuerungsvorrichtung 70 die Stromversorgung zu der Steuerungsvorrichtung 60, um die Steuerungsvorrichtung 60 einzuschalten (Schritt S125). Die Stromversorgung wird ebenfalls zu den Funktionskomponenten gestartet, welche die Anodenseite entleeren, wie zum Beispiel der Temperatursensor 46, die Wasserstoffpumpe 28 und das Entleerungsventil 29, sowie zu den Funktionskomponenten, welche die Katodenseite entleeren, wie zum Beispiel der Luftverdichter 30.
  • Anschließend bestimmt die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, ob die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C (Schritt S130). Die Temperatur des Entleerungsventils 29 wird durch den Temperaturerfasser 63 erhalten. Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist (Schritt S130: NEIN), so bestimmt die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, dass der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht auszuführen ist. Die Betriebssteuereinheit 67 schaltet dann den Heizungsabschnitt 500 ein, oder genauer gesagt, schaltet die Heizung 50 und die Kühlwasserpumpe 54 ein (Schritt S135). Nach der Verarbeitung von Schritt S135 wird die Verarbeitung des oben beschriebenen Schrittes S130 erneut ausgeführt. Wenn der Heizungsabschnitt 500 eingeschaltet wird, so fließt das durch die Heizung 50 erwärmte Kühlwasser durch den Kühlwasserausströmpfad 52, um das Entleerungsventil 29 zu erwärmen und die Temperatur des Entleerungsventils 29 anzuheben. In diesem Prozess kann das Dreiwegventil 55 veranlasst werden, die Zirkulation des Kühlwassers zwischen dem Heizungsabschnitt 500 und dem Kühlwasserausströmpfad 41 zu stoppen.
  • Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C (Schritt S130: JA), so bestimmt die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, dass der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess auszuführen ist. Die Restwasserentleerungs-Steuereinheit 66 führt dann den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus (Schritt S140). Der detaillierte Ablauf des Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses ist mit dem detaillierten Ablauf des oben beschriebenen Restwasserentleerungsprozesses identisch und wird daher hier nicht beschrieben. Eine Wasserauslassleistung auf der Anodenseite in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ist kleiner als die Wasserauslassleistung auf der Anodenseite in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, wie später noch beschrieben wird. Gemäß der Ausführungsform bezeichnet die Wasserauslassleistung eine Leistung, die mit der Menge an Wasser korreliert ist, die pro Zeiteinheit abgelassen werden kann. Dementsprechend bedeutet eine größere Wasserauslassleistung eine größere Menge an Wasser, die pro Zeiteinheit abgelassen werden kann. Wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, so wird das Entleerungsventil 29 durch den Heizungsabschnitt 500 erwärmt. Wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 0 °C übersteigt, so wird der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt. Diese Ausgestaltung verhindert dementsprechend, dass das abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 gefriert.
  • Nach der Vollendung des Prozesses bei Schritt S140, wie oben beschrieben, kehrt der Restwasserentleerungsprozess zu Schritt S100 zurück und führt die Verarbeitung der Schritte S110 bis S140 aus. Dementsprechend wird der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess in regelmäßigen Intervallen ausgeführt.
  • 3 ist ein Schaubild, das ein Zeitdiagramm vor und nach dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess veranschaulicht. Die Abszisse von 3 zeigt die Zeit. Eine Zeit 0 bezeichnet eine Zeit, wo zuerst bei Schritt S130 bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, wie oben beschrieben.
  • Eine oberste Kurve von 3 zeigt eine Änderung der Temperatur des Entleerungsventils 29. Eine zweite, darunter liegende Kurve zeigt eine Änderung des Betriebszustands des Heizungsabschnitts 500. Eine dritte, nächstfolgende Kurve zeigt eine Änderung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28. Eine vierte, nächstfolgende Kurve zeigt eine Änderung des Betriebszustands des Entleerungsventils 29.
  • Wenn bei Schritt S130 bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, so wird der Heizungsabschnitt 500 eingeschaltet, wie in der zweiten Kurve gezeigt. Dadurch steigt allmählich die Temperatur des Entleerungsventils 29, wie in der obersten Kurve gezeigt. Bei einer Zeit T1, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 0 °C übersteigt, wird der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt. Dies schaltet die Wasserstoffpumpe 28 ein, um die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 zu erhöhen, und beginnt ein Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29. Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 steigt auf eine Drehzahl r1 und wird dann auf der Drehzahl r1 gehalten. Bei der Zeit T1 wird der Heizungsabschnitt 500 ausgeschaltet. Die Temperatur des Entleerungsventils 29 bleibt auf einem Wert geringfügig über 0 °C. Bei einer Zeit T2, nach dem Verstreichen eines zuvor festgelegten Zeitraums, wird die Wasserstoffpumpe 28 gestoppt, und das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 wird beendet.
  • Wir kehren zu 2 zurück. Wenn bestimmt wird, dass der Heizungsabschnitt 500 eine Störung hat (Schritt S105: JA), so bestimmt die Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 64, dass der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess auszuführen ist. Die Betriebssteuereinheit 67 führt dann den verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus (Schritt S145). Der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess bezeichnet einen Restwasserentleerungsprozess, der vor einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 ausgeführt wird und der das Restwasser in der Brennstoffzelle 10 mit einer höheren Wasserauslassleistung ablässt als die Wasserauslassleistung in dem oben beschriebenen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Gemäß der Ausführungsform wird die Wasserauslassleistung durch die folgenden Verfahren (i) bis (iv) verbessert:
    1. (i) Verlängern eines Zeitraums, in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils wiederholt ausgeführt wird;
    2. (ii) Vergrößern des Verhältnisses der Offen-Zeit innerhalb einer Öffnungs-Schließ-Zykluszeit des Entleerungsventils (im Weiteren als „Arbeitsverhältnis“ bezeichnet);
    3. (iii) Erhöhen der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28; und
    4. (iv) Verlängern eines Zeitraums, in dem die Wasserstoffpumpe 28 angetrieben wird.
  • Die oben beschriebenen Verfahren (i) und (ii) verlängern eine Gesamtzeit, in der das Entleerungsventil 29 offen ist, und ermöglichen das Ablassen einer entsprechend größeren Menge an Wasser. Die Verfahren (iii) und (iv) erhöhen die Menge an Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 10 pro Zeiteinheit zugeführt wird, und ermöglichen entsprechend, eine größere Menge an Wasser aus der Brennstoffzelle 10 durch die Kraft des Wasserstoffgases abzulassen.
  • 4 ist ein Schaubild, das ein Zeitdiagramm während des verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses veranschaulicht. Die Abszisse von 4 zeigt die Zeit. Eine Zeit 0 bezeichnet eine Anfangszeit des verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses. Eine oberste Kurve von 4 zeigt eine Änderung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28. Eine Kurve mit durchgezogener Linie zeigt eine Änderung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Als Referenz zeigt eine Kurve mit durchbrochener Linie eine Änderung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Als Referenz zeigt eine zweite, darunter liegende Kurve mit durchbrochener Linie von 4 eine Änderung des Betriebszustands des Entleerungsventils 29 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Eine dritte, nächstfolgende Kurve mit durchgezogener Linie von 4 zeigt eine Änderung des Betriebszustands des Entleerungsventils 29 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess.
  • Wie in 4 gezeigt, ist ein Zeitraum (T14), in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess wiederholt ausgeführt wird, länger als ein Zeitraum (T12), in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess wiederholt ausgeführt wird. Das Arbeitsverhältnis des Entleerungsventils 29 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ist höher als das Arbeitsverhältnis des Entleerungsventils 29 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Eine maximale Drehzahl r2 der Wasserstoffpumpe 28 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ist höher als die maximale Drehzahl r1 der Wasserstoffpumpe 28 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Außerdem ist ein Zeitraum (T13), in dem die Wasserstoffpumpe 28 in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess angetrieben wird, länger als ein Zeitraum (T11), in dem die Wasserstoffpumpe 28 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess angetrieben wird. Diese Unterschiede ermöglichen eine höhere Wasserauslassleistung in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess als eine Wasserauslassleistung in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Das Ausführen des verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses, der die höhere Wasserauslassleistung hat, lässt eine größere Menge an Wasser, das in der Brennstoffzelle 10 verblieben ist, aus.
  • Wir kehren zu 2 zurück. Nach der Vollendung des verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozesses schaltet die Betriebssteuereinheit 67 die Steuerungsvorrichtung 60 aus (Schritt S150). Die Verarbeitung von Schritt S150 ist mit der Verarbeitung des oben beschriebenen Schrittes S115 identisch, und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet. Nach der Vollendung der Verarbeitung von Schritt S150 wird der Restwasserentleerungsprozess beendet. Wenn also der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausgeführt wird, so wird der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt. Das liegt daran, dass der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess eine hohe Wasserauslassleistung hat, die das Restwasser in der Brennstoffzelle 10 ausreichend ablassen kann. Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit, Wasser nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 abzulassen.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform umfasst den Heizungsabschnitt 500, der dafür ausgestaltet ist, das Entleerungsventil 29 zu erwärmen, und verhindert entsprechend, dass das abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess gefriert. Im Fall des Detektierens einer Störung des Heizungsabschnitts 500 wird der Restwasserentleerungsprozess vor einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 (d. h. der verstärkte Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess) ausgeführt. Die Wasserauslassleistung in diesem Restwasserentleerungsprozess ist höher als die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess, der ausgeführt wird, falls keine Störung des Heizungsabschnitts 500 detektiert wird (d. h. der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess). Diese Ausgestaltung reduziert die Menge an Wasser, das in der Brennstoffzelle 10 nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 verbleibt, und verhindert dadurch, dass das Wasser in dem Entleerungsventil 29 nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 gefriert.
  • Falls eine Störung des Heizungsabschnitts 500 detektiert wird, so führt das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform den verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus, der eine höhere Wasserauslassleistung hat als die Wasserauslassleistung in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, und führt keinen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Diese Ausgestaltung reduziert die Menge an Wasser, das in der Brennstoffzelle 10 nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 verbleibt, und verhindert, dass das abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 gefriert, im Gegensatz zu einer Ausgestaltung, die den Restwasserentleerungsprozess bei kalten Temperaturen nach einem Betriebstopp einer Brennstoffzelle ausführt. Falls keine Störung des Heizungsabschnitts 500 detektiert wird, so führt das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus und führt keinen verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus. Diese Ausgestaltung verwendet den Heizungsabschnitt 500, um zu verhindern, dass das abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 gefriert, und reduziert den für den Restwasserentleerungsprozess erforderlichen Stromverbrauch im Vergleich zu einer Ausgestaltung, die sowohl den verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess als auch den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform führt keinen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, während es den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C. Diese Ausgestaltung verhindert, dass das abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 gefriert, und reduziert den für den Restwasserentleerungsprozess erforderlichen Stromverbrauch im Vergleich zu einer Ausgestaltung, die den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ungeachtet der Temperatur des Entleerungsventils 29 ausführt. Wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, so dient der Heizungsabschnitt 500 zum Erwärmen des Entleerungsventils 29. Dies hebt die Temperatur des Entleerungsventils 29 auf über 0 °C an.
  • Das Steuern des Zeitraums, in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 wiederholt ausgeführt wird, und des Arbeitsverhältnisses innerhalb einer Öffnungs-Schließ-Zykluszeit des Entleerungsventils 29, oder anders ausgedrückt: des Verhältnisses der Offen-Zeit zur Schließ-Zeit hat das Steuern der Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess zur Folge. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess mit hoher Genauigkeit zu steuern.
  • Das Steuern des Zeitraums, in dem die Pumpe angetrieben wird, und der Drehzahl der Pumpe hat das Steuern der Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess zur Folge. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess mit hoher Genauigkeit zu steuern.
  • Die Heizungsabschnitt 500 wird durch die Verwendung eines Teils einer Klimaanlage ausgestaltet, die in dem Fahrzeug verwendet wird, in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist. Diese Ausgestaltung reduziert die Herstellungskosten des Brennstoffzellensystems 100 im Vergleich zu einer Ausgestaltung, die einen Mechanismus ausschließlich zum Erwärmen des Entleerungsventils 29 umfasst.
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentleerungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform ist mit der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform identisch. Gleiche Komponenten werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
  • Der Restwasserentleerungsprozess der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Restwasserentleerungsprozess der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform durch die Verarbeitung der Schritte S210 bis S235, die anstelle der Verarbeitung der Schritte S145 und S150 ausgeführt werden. Ansonsten ist der Ablauf des Restwasserentleerungsprozesses der zweiten Ausführungsform mit dem Ablauf des Restwasserentleerungsprozesses der ersten Ausführungsform identisch. Gleiche Schritte sind mit gleichen Schrittzahlen bezeichnet, und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
  • Wenn bestimmt wird, dass der Heizungsabschnitt 500 eine Störung hat (Schritt S105: JA), so wird die Verarbeitung der Schritte S210 bis S225 ausgeführt. Die Verarbeitung von Schritt S210 ist mit der Verarbeitung des oben beschriebenen Schrittes S110 identisch. Die Verarbeitung von Schritt S215, die Verarbeitung von Schritt S220 und die Verarbeitung von Schritt S225 sind jeweils mit der Verarbeitung von Schritt S115, der Verarbeitung von Schritt S120 und der Verarbeitung von Schritt S125, die oben beschrieben wurden, identisch, und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
  • Nach der Vollendung der Verarbeitung bei Schritt S225, d. h. nachdem die Steuerungsvorrichtung 60 eingeschaltet wurde, bestimmt die Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungs-Bestimmungsvorrichtung 65, ob die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C und niedriger ist als 5 °C (Schritt S230). Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C und niedriger ist als 5 °C (Schritt S230: JA), so führt die Betriebssteuereinheit 67 einen abgeschwächten Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess aus (Schritt S235). Der abgeschwächte Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess bezeichnet einen Restwasserentleerungsprozess, der nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 ausgeführt wird und der eine geringere Wasserauslassleistung hat als die Wasserauslassleistung in dem oben beschriebenen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, um das Restwasser in der Brennstoffzelle 10 abzulassen. Gemäß der Ausführungsform wird die Wasserauslassleistung gesenkt, indem der Zeitraum verkürzt wird, in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 wiederholt ausgeführt wird, sowie der Zeitraum verkürzt wird, in dem die Wasserstoffpumpe 28 angetrieben wird. Die Wasserauslassleistung kann durch Verringern des Arbeitsverhältnisses und/oder der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 anstelle des Verkürzens oder zusätzlich zu dem Verkürzen des Zeitraums, in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 wiederholt ausgeführt wird, sowie des Zeitraum, in dem die Wasserstoffpumpe 28 angetrieben wird, gesenkt werden.
  • Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 nicht höher ist als 0 °C oder nicht niedriger ist als 5 °C, d. h. wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist oder mindestens beträgt 5 °C (Schritt S230: NEIN), so überspringt andererseits der Restwasserentleerungsprozess den Schritt S235 und kehrt zu Schritt S210 zurück. In diesem Fall wird der Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt.
  • Der abgeschwächte Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess wird ausgeführt, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C und niedriger ist als 5 °C. Diese Ausgestaltung verhindert, dass das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassene Wasser in dem Entleerungsventil 29 gefriert. Der abgeschwächte Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess hat aus folgendem Grund eine verringerte Wasserauslassleistung. Die Temperatur des Entleerungsventils 29 ist mit größerer Wahrscheinlichkeit höher als 0 °C und niedriger als 5 °C, so dass der Restwasserentleerungsprozess (der abgeschwächte Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess) mit größerer Wahrscheinlichkeit ausgeführt wird. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform verringert entsprechend die Wasserauslassleistung eines Restwasserentleerungsprozesses, wodurch der Stromverbrauch verringert wird, der für einen Restwasserentleerungsprozess erforderlich ist, und eine Erhöhung des Gesamtstromverbrauchs verringert wird, der für den Restwasserentleerungsprozess erforderlich ist. Das Ausführen des Restwasserentleerungsprozesses während eines Fahrzeughalts erzeugt ein Betriebsgeräusch und Vibrationen der Wasserstoffpumpe 28 und vermittelt dem Nutzer ein Gefühl der Verunsicherung. Da die Temperatur des Entleerungsventils 29 mit größerer Wahrscheinlichkeit höher als 0 °C und niedriger als 5 °C ist, kann dies dem Nutzer ein erhebliches Gefühl der Verunsicherung verursachen. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform verkürzt entsprechend den Zeitraum, in dem ein Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 29 wiederholt ausgeführt wird, sowie den Zeitraum, in dem die Wasserstoffpumpe 28 in jeden Restwasserentleerungsprozess angetrieben wird, um das Gefühl der Verunsicherung zu verringern, das dem Nutzer bereitet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform hat ähnliche vorteilhafte Auswirkungen wie die des Brennstoffzellensystems 100 der ersten Ausführungsform. Außerdem führt das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform im Fall einer Störung des Heizungsabschnitts 500 den Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C und niedriger ist als 5 °C, zum Beispiel, bevor die Temperatur des Entleerungsventils 29 auf 0 °C sinkt, während die Temperatur des Entleerungsventils 29 aufgrund eines Betriebstopps der Brennstoffzelle 10 allmählich sinkt. Diese Ausgestaltung verhindert, dass das Wasser, das aus der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, in dem Entleerungsventil 29 gefriert. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform führt nicht den Restwasserentleerungsprozess aus, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher als 5 °C ist. Diese Ausgestaltung verhindert, dass die Restwasserentleerungsverarbeitung häufig ausgeführt wird, wodurch eine Erhöhung des für den Restwasserentleerungsprozess erforderlichen Stromverbrauchs reduziert wird, während das Gefühl der Verunsicherung für den Nutzer vermieden wird.
  • Modifizierungen
  • C1. Modifizierung 1
  • Jede der obigen Ausführungsformen führt den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess bei im Wesentlichen regelmäßigen Intervallen aus, wenn der Heizungsabschnitt 500 keine Störung hat. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel braucht der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nur ein einziges Mal nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle 10 ausgeführt zu werden. Eine Modifizierung kann die Steuerungsvorrichtung 60 in regelmäßigen Intervallen, wie bei den obigen jeweiligen Ausführungsformen, starten und braucht den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht auszuführen, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C. Wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 gleich oder unter 0 °C ist, kann diese Modifizierung den Heizungsabschnitt 500 verwenden, um das Entleerungsventil 29 zu erwärmen, und kann anschließend den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführen. Diese modifizierte Ausgestaltung führt den Restwasserentleerungsprozess nicht aus, wenn die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C, wodurch der Stromverbrauch weiter reduziert wird.
  • C2. Modifizierung 2
  • Die erste Ausführungsform verwendet alle oben beschriebenen Verfahren (i) bis (iv) für den Zweck des Erhöhens der Wasserauslassleistung in dem verstärkten Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess. Mindestens eines dieser Verfahren kann weggelassen werden. Zum Beispiel kann eine Modifizierung mindestens eines der Verfahren ausführen zum: (i) Verlängern des Zeitraums, in dem das Öffnen und Schließen des Entleerungsventils wiederholt ausgeführt wird, und (ii) Vergrößern des Verhältnisses der Offen-Zeit innerhalb einer Öffnungs-Schließ-Zykluszeit des Entleerungsventils (im weiteren als „Arbeitsverhältnis“ bezeichnet), während die Verfahren (iii) und (v) weggelassen werden. Eine weitere Modifizierung kann mindestens eines der Verfahren ausführen zum: (iii) Erhöhen der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28, und (iv) Verlängern des Zeitraums, in dem die Wasserstoffpumpe 28 angetrieben wird, während die Verfahren (i) und (ii) weggelassen werden. Des Weiteren kann statt der obigen Verfahren (i) bis (iv) oder zusätzlich zu den obigen Verfahren (i) bis (iv) jeder Prozess zum Erhöhen der Wasserauslassleistung aus der Brennstoffzelle 10 ausgeführt werden.
  • C3. Modifizierung 3
  • In den jeweiligen Ausführungsformen wird der Heizungsabschnitt 500 durch die Verwendung eines Teils der Klimaanlage ausgestaltet, der in dem Fahrzeug verwendet wird, in dem das Brennstoffzellensystem 100 montiert ist. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel kann eine Heizung ausschließlich zum Erwärmen des Entleerungsventils 29 in der Nähe des Entleerungsventils 29 angeordnet werden.
  • C4. Modifizierung 4
  • Die zweite Ausführungsform bestimmt bei Schritt S230 in dem Restwasserentleerungsprozess, ob die Temperatur des Entleerungsventils 29 höher ist als 0 °C und niedriger ist als 5 °C. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Die Obergrenzentemperatur dieser Bestimmung ist nicht auf 5 °C beschränkt, sondern kann jede beliebige Temperatur nahe 0 °C sein. Eine Modifizierung kann die Temperatur des Entleerungsventils 29 mit einer nächsten Aufwach-Zeit schätzen und bestimmen, ob die geschätzte Temperatur innerhalb eines zuvor festgelegten Temperaturbereichs liegt, anstatt bei Schritt S230 zu bestimmen, ob die momentane Temperatur des Entleerungsventils 29 innerhalb eines zuvor festgelegten Temperaturbereichs liegt. Die Temperatur des Entleerungsventils 29 bei der nächsten Aufwach-Zeit kann zum Beispiel unter Verwendung mindestens einer Informationen unter einer Änderung der Temperatur des Entleerungsventils 29, der Umgebungstemperatur, einer Änderung der Umgebungstemperatur, der Brennstoffzellentemperatur und einer Änderung der Brennstoffzellentemperatur geschätzt werden.
  • C5. Modifizierung 5
  • In den jeweiligen Ausführungsformen ist der Temperaturerfasser 63 dafür ausgestaltet, die Temperatur des Entleerungsventils 29 unter Verwendung der Brennstoffzellentemperatur zu schätzen, die von dem Temperatursensor 46 gesendet wird. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel kann zusätzlich ein Temperatursensor angeordnet werden, der dafür ausgestaltet ist, die Temperatur des Entleerungsventils 29 direkt zu messen, und der Temperaturerfasser 63 kann Temperaturinformationen von diesem zusätzlichen Temperatursensor erhalten. Eine weitere Modifizierung kann eine andere Vorrichtung als die Steuerungsvorrichtung 60, zum Beispiel die ECU, die in dem Fahrzeug montiert ist, über die durch den Temperatursensor 46 gemessene Brennstoffzellentemperatur benachrichtigen und kann die Temperatur des Entleerungsventils 29 empfangen und erhalten, die durch die ECU anhand der empfangenen Brennstoffzellentemperatur geschätzt wird.
  • C6. Modifizierung 6
  • In den jeweiligen Ausführungsformen ist das Brennstoffzellensystem 100 in dem Fahrzeug montiert, um als das System der Antriebskraftversorgung verwendet zu werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Das Brennstoffzellensystem 100 kann anstelle des Kraftfahrzeugs auch in jedem anderen Bewegungskörper montiert und verwendet werden, der eine Antriebskraftversorgung erfordert, zum Beispiel ein Schiff oder ein Flugzeug. Das Brennstoffzellensystem 100 kann ebenfalls in geschlossenen Räumen oder im Freien auf einem Firmengelände oder in einem Privathaushalt angeordnet werden, um als eine stationäre Stromversorgung verwendet zu werden. Jede der Zelleneinheiten 11, die in der Brennstoffzelle 10 enthalten sind, ist die Zelleneinheit für die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in den oben beschriebenen Ausführungsformen, kann aber auch eine Zelleneinheit für jegliche von verschiedenen anderen Brennstoffzellen sein, zum Beispiel eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle, eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle.
  • C7. Modifizierung 7
  • Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 jeder Ausführungsform ist nur veranschaulichend und kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Zum Beispiel brauchen der Oxidierungsgas-Ausströmpfad 32 und der zweite Brennstoffgas-Ausströmpfad 24 nicht miteinander verbunden zu sein, sondern können dafür ausgestaltet sein, die jeweiligen Abgase unabhängig abzulassen. In einem weiteren Beispiel kann die Startsteuerungsvorrichtung 70 dafür ausgestaltet sein, die jeweiligen Funktionskomponenten 62 bis 67 anstelle der Steuerungsvorrichtung 60 zu umfassen.
  • C8. Modifizierung 8
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein Teil der durch Hardware implementierten Ausgestaltung durch eine Software-Ausgestaltung ersetzt werden, während ein Teil der Ausgestaltung, der durch Software implementiert ist, durch eine Hardware-Ausgestaltung ersetzt werden kann. Zum Beispiel kann mindestens eine Funktionskomponente unter den jeweiligen Funktionskomponenten 62 bis 67 durch einen integrierten Schaltkreis, einen diskreten Schaltkreis oder eine Kombination davon implementiert werden. Wenn ein Teil oder die Gesamtheit einer bestimmten Funktion in der vorliegenden Offenbarung durch eine Software-Ausgestaltung implementiert ist, so kann die Software (das Computerprogramm) in Form von Speicher auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium bereitgestellt werden. Der Begriff „computerlesbares Aufzeichnungsmedium“ ist nicht auf transportable Aufzeichnungsmedien beschränkt, wie zum Beispiel flexible Disks und CD-ROMs, sondern umfasst auch interne Speichervorrichtungen, wie zum Beispiel verschiedene RAMs und ROMs, die in dem Computer enthalten sind, sowie externe Speichervorrichtungen, wie zum Beispiel Festplatten, die fest in dem Computer verbaut sind. Dementsprechend wird der Begriff „computerlesbares Aufzeichnungsmedium“ in einem weiten Sinne verwendet, der jegliche Aufzeichnungsmedien umfasst, die in der Lage sind, Datenpakete in einer nicht-transitorischen Weise zu speichern.
  • Die Offenbarung ist nicht auf eine der Ausführungsformen und die oben beschriebenen Modifizierungen beschränkt, sondern kann durch eine Vielzahl verschiedener anderer Ausgestaltungen implementiert werden, ohne den Schutzumfang der Offenbarung zu verlassen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale beliebiger der Ausführungsformen und Modifizierungen, die den technischen Merkmalen eines jeden der Aspekte entsprechen, die in der Kurzdarstellung der Erfindung beschrieben sind, auf zweckmäßige Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der oben beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen zu erreichen. Jegliche der technischen Merkmale können nach Bedarf weggelassen werden, sofern das technische Merkmal in seiner Beschreibung nicht als wesentlich beschrieben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 201755222 [0001]
    • JP 2016091885 A [0003, 0004]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem(100), umfassend: eine Brennstoffzelle (10); einen Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus (200), der dafür ausgestaltet ist, der Brennstoffzelle (10) ein Reaktionsgas zuzuführen; einen Ausströmpfad (23, 24), der dafür ausgestaltet ist, ein Abgas und Wasser, das von der Brennstoffzelle (10) abgelassen wird, abzulassen; ein Ventil (29), das in dem Ausströmpfad (23, 24) angeordnet ist; eine Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66), die dafür ausgestaltet ist, einen Restwasserentleerungsprozess der Brennstoffzelle (10) unter Verwendung des Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus (200) und des Ventils (29) zu steuern; einen Heizungsabschnitt (500), der dafür ausgestaltet ist, das Ventil (29) zu erwärmen; und einen Störungsdetektor (52), der dafür ausgestaltet ist, eine Störung des Heizungsabschnitts (500) zu detektieren, wobei, wenn eine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird, die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) den Restwasserentleerungsprozess ausführt und eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess im Vergleich zu einer Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess erhöht, der ausgeführt wird, wenn keine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) einen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, der vor einem Betriebstopp der Brennstoffzelle (10) ausgeführt werden kann, und einen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, der nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle (10) ausgeführt werden kann, als den Restwasserentleerungsprozess steuert, wobei, wenn eine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird, die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) den Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess mit einer höheren Wasserauslassleistung ausführt als der Wasserauslassleistung in dem Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess, und keinen Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt, und wenn keine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird, die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt und keinen Vor-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess ausführt.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend: einen Temperaturerfasser, der dafür ausgestaltet ist, die Temperatur des Ventils (29) zu erhalten, wobei die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) in regelmäßigen Intervallen nach einem Betriebstopp der Brennstoffzelle (10) aktiviert wird, um die durch den Temperaturerfasser erhaltene Temperatur des Ventils (29) zu überprüfen und den Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess auszuführen, wenn die Temperatur höher ist als 0 °C, während der Nach-Betriebsstopp-Restwasserentleerungsprozess nicht ausgeführt wird, wenn die Temperatur gleich oder unter 0 °C ist, und der Heizungsabschnitt (500) das Ventil (29) erwärmt, wenn die durch den Temperaturerfasser erhaltene Temperatur des Ventils (29) gleich oder unter 0 °C ist.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) das Ventil (29) veranlasst, ein Öffnen und Schließen in dem Restwasserentleerungsprozess wiederholt auszuführen, und eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern eines Zeitraums, in dem ein Öffnen und Schließen des Ventils (29) wiederholt ausgeführt wird, und/oder eines Verhältnisses einer Offen-Zeit zu einer Schließ-Zeit in einem Öffnungs-Schließ-Zyklus des Ventils (29) steuert.
  5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus (200) eine Pumpe (28) umfasst, die dafür ausgestaltet ist, einen Überschuss des Reaktionsgases zuzuführen, das in dem Abgas der Brennstoffzelle (10) enthalten ist, wobei die Restwasserentleerungs-Steuereinheit (66) die Pumpe (28) in dem Restwasserentleerungsprozess antreibt und eine Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess durch Steuern eines Zeitraums, in dem die Pumpe (28) angetrieben wird, und/oder einer Drehzahl der Pumpe (28) steuert.
  6. Restwasserentleerungs-Steuerungsverfahren zum Steuern eines Restwasserentleerungsprozesses einer Brennstoffzelle (10), umfassend: Detektieren einer Störung eines Ventils (29), das in einem Ausströmpfad (23, 24) angeordnet ist, der dafür ausgestaltet ist, ein Abgas und Wasser, das von der Brennstoffzelle (10) abgelassen wird, abzulassen; Detektieren einer Störung eines Heizungsabschnitts (500), der dafür ausgestaltet ist, das Ventil (29) zu erwärmen; und Ausführen des Restwasserentleerungsprozesses unter Verwendung des Ventils (29) und eines Reaktionsgas-Zufuhrmechanismus (200), der dafür ausgestaltet ist, der Brennstoffzelle (10) ein Reaktionsgas zuzuführen, wenn eine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird, wobei das Ausführen des Restwasserentleerungsprozesses das Erhöhen einer Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess im Vergleich zu einer Wasserauslassleistung in dem Restwasserentleerungsprozess umfasst, der ausgeführt wird, wenn keine Störung des Heizungsabschnitts (500) detektiert wird.
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