DE102018108777A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Tomoyuki Kozuka
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Abstract

In einem Brennstoffzellensystem ist eine Umwälzpumpe, die in einem Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist, eine Zweikolben-Rootspumpe bzw. Zweikolben-Wälzkolbenpumpe, die derart ausgestaltet ist, dass zwei Rotoren bzw. Drehkolben in gegenläufige Richtungen drehen. Ein Entlüftungs-/Auslassabschnitt ist an einem Boden in einem Innenraum eines Gas-Flüssigkeits-Abscheiders ausgebildet, der in dem Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist, und ist ausgestaltet, um eine durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider abgeschiedene Flüssigkeit zu sammeln und die gesammelte Flüssigkeit über ein Auslassventil auszutragen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider hat eine Öffnung, die mit der Umwälzpumpe verbunden ist und derart konfiguriert ist, dass sie in eine Richtung des Entlüftungs-/Auslassabschnitts weist. Wenn zu einem Systemstoppzeitpunkt eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, veranlasst ein Controller, der ausgestaltet ist, um den Betrieb der Umwälzpumpe zu steuern, dass die Rotoren in bezüglich der Rotation zum Systembetriebszeitpunkt umgekehrte Richtungen drehen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 18. April 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2017-081705 , deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Die JP 2007-059 333 A und die JP 2007-005 289 A offenbaren Brennstoffzellensysteme, in denen eine Rootspumpe bzw. Wälzkolbenpumpe, die derart ausgestaltet ist, dass zwei Rotoren bzw. Wälz- oder Drehkolben in gegenläufige Richtungen drehen, als Wasserstoffpumpe verwendet wird, um einer Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuzuführen. Bei dem in der JP 2007-005 289 A beschriebenen Brennstoffzellensystem wird die Wasserstoffpumpe zum Zeitpunkt des Systemstopps bzw. zum Systemstoppzeitpunkt rückwärts gedreht, um das Wasserstoffgas in eine Richtung hin zu einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider zu fördern. Dies führt dazu, dass Wasser in einem die Wasserstoffpumpe und eine Leitung, die mit der Wasserstoffpumpe verbunden ist, umfassenden Strömungspfad über den Gas-Flüssigkeits-Abscheider und ein Entlüftungs-/Auslassventil ausgetragen wird, und dadurch das Austragen von Wasser nach außen beschleunigt wird. Bei dem in der JP 2007-059 333 A beschriebenen Brennstoffzellensystem werden die Rotoren bzw. Wälz- oder Drehkolben zum Zeitpunkt des Systemstopps bzw. zum Systemstoppzeitpunkt hin und her bewegt, um den an den Rotoren haftenden Wassergehalt zu entfernen und dadurch zu vermeiden, dass die Wasserstoffpumpe einfriert.
  • Das Brennstoffzellensystem in der beschriebene JP 2007-005 289 A mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider hat jedoch das folgende Problem: Das Entlüftungs-/Auslassventil ist für einen effizienten Wasseraustrag mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider an einer Stelle verbunden, die sich im Wesentlichen in einem Boden eines Innenraums des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders befindet (nachfolgend als „Entlüftungs-/Auslassabschnitt“ bezeichnet). Flüssiges Wasser verbleibt somit beispielsweise im Entlüftungs-/Auslassabschnitt, wenn das vollständige Ablassen von flüssigem Wasser beim Wasseraustrag fehlschlägt oder wenn es im Innenraum bei abnehmender Temperatur zu einer Taukondensation kommt. Wenn dieses verbleibende Wasser bzw. Restwasser gefriert, kann das Wasser im die Wasserstoffpumpe umfassenden Strömungspfad nicht nach außen ausgetragen werden. Somit ist es wahrscheinlich, dass das Brennstoffzellensystem funktionsunfähig wird.
  • Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, kann die Erfindung in den nachstehend beschriebenen Aspekten verwirklicht werden.
  • KURZFASSUNG
  • (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem hat: eine Brennstoffzelle; einen Zufuhrströmungspfad, der ausgestaltet ist, um einem Zufuhranschluss einer Anode der Brennstoffzelle Brenngas zuzuführen; einen Zirkulationsströmungspfad, der ausgestaltet ist, um Abgas, das von einem Auslassanschluss der Anode ausgetragen wird, dem Zufuhranschluss erneut als Brenngas zuzuführen; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider, der im Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist und ausgestaltet ist, um das Abgas in Gas und Flüssigkeit aufzuteilen; eine Umwälzpumpe, die in dem Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist und ausgestaltet ist, um das durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider abgeschiedene Gas dem Zufuhrströmungspfad zuzuführen; ein Auslassventil, das mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider verbunden ist und ausgestaltet ist, um die durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider abgeschiedene Flüssigkeit auszutragen; und einen Controller, der ausgestaltet ist, um den Betrieb der Umwälzpumpe zu steuern. Die Umwälzpumpe ist eine Zweikolben-Rootspumpe bzw. Zweikolben-Wälzkolbenpumpe, die derart ausgestaltet ist, dass zwei Rotoren in gegenläufige Richtungen drehen. Ein Entlüftungs-/Auslassabschnitt ist an einem Boden in einem Innenraum des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders ausgebildet und ist ausgestaltet, um die abgeschiedene Flüssigkeit zu sammeln und die gesammelte Flüssigkeit über das Auslassventil auszutragen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider hat eine Öffnung, die mit der Umwälzpumpe verbunden ist und derart konfiguriert ist, dass sie in eine Richtung des Entlüftungs-/Auslassabschnitts weist. Wenn zu einem Systemstoppzeitpunkt eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, veranlasst der Controller die Rotoren bzw. Wälz- oder Drehkolben der Umwälzpumpe, dass diese in bezüglich der Rotation zum Systembetriebszeitpunkt umgekehrte Richtungen drehen.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt kann das verbleibende Wasser bzw. Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt durch die Rotation der Rotoren bzw. Wälz- oder Drehkolben der Umwälzpumpe zum Zeitpunkt des Systemstopps bzw. zum Systemstoppzeitpunkt ausgeblasen werden. Diese Konfiguration verringert das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt. Somit verringert diese Konfiguration die Wahrscheinlichkeit, dass das System aufgrund des Gefrierens des Restwassers funktionsunfähig wird.
  • (2) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Öffnung des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitts in vertikale Richtung angeordnet sein und ausgestaltet sein, dass sie in vertikale Richtung nach unten weist.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt kann das verbleibende Wasser bzw. Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitts wirksam ausgeblasen werden.
  • (3) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Gas-Flüssigkeits-Abscheider eine Flüssigkeitsaufnahmefläche umfassen, die über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt im Innenraum ausgebildet ist. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche kann durch eine horizontale Fläche oder eine Fläche gebildet werden, die eine geneigte Fläche umfasst, die an einer Außenumfangsseite weiter nach unten geneigt ist.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt wird das ausgeblasene flüssige Wasser von der Flüssigkeitsaufnahmefläche aufgenommen und gehalten. Diese Konfiguration verhindert, dass das ausgeblasene flüssige Wasser in den Entlüftungs-/Auslassabschnitt hinabfließt.
  • (4) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Controller das Auslassventil öffnen, wenn die Rotoren in umgekehrte Richtung gedreht werden.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt wird das Restwasser über das Auslassventil ausgetragen, während das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt ausgeblasen wird. Diese Konfiguration lässt eine noch effizientere Verringerung des Restwassers zu.
  • (5) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Controller die Rotoren in umgekehrte Richtung drehen, wenn zum Systemstoppzeitpunkt eine gemessene Temperatur niedriger als ein Gefrierreferenzwert ist.
  • Wenn ein Gefrieren des Restwassers wahrscheinlich ist, bläst das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Aspekt das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt aus, um das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt zu verringern. Diese Konfiguration verringert effektiv die Wahrscheinlichkeit, dass das System aufgrund des Gefrierens des Restwassers funktionsunfähig wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann anhand verschiedener anderer Aspekte als dem vorstehend beschriebenen Aspekt des Brennstoffzellensystems realisiert werden, beispielsweise vermittels eines Entlüftungs-/Auslassmechanismus für das Brennstoffzellensystem und einem Entlüftungs-/Auslasssteuerverfahren für das Brennstoffzellensystem.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Darstellung, die den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Wasserstoffpumpe, einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider und einem Auslasssperrventil zeigt;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentfernungsprozesses zeigt, der zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird;
    • 4 ist eine Darstellung, die den Zustand des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders während der Umkehrrotation der Wasserstoffpumpe zeigt;
    • 5 ist eine schematische Darstellung, die eine Wasseraufnahmefläche gemäß einer Abwandlung zeigt;
    • 6 ist eine schematische Darstellung, die eine Wasseraufnahmefläche gemäß einer weiteren Abwandlung zeigt;
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentfernungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, der zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird;
    • 8 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Restwasserentfernungsprozesses gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, der zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird; und
    • 9 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe, einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider und dem Auslasssperrventil gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine Darstellung, die den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise an einem Fahrzeug montiert, um als Stromquelle elektrische Leistung ansprechend auf die Anforderung durch einen Fahrer auszugeben. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 20 mit mehreren Zellen, einen Wasserstoff-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 50, einen Luft-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 30, einen Kühlwasserumwälzmechanismus 80 sowie einen Controller 90. Das Brennstoffzellensystem 10 wird ansprechend auf eine AN-Betätigung eines Hauptschalters (nicht dargestellt) gestartet und ansprechend auf eine AUS-Betätigung des Hauptschalters gestoppt. Der Hauptschalter entspricht einem Zündschalter eines maschinenbetriebenen Fahrzeugs und dient als Eingabeschnittstelle, um zwischen dem Stoppzustand und dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 zu wechseln.
  • Der Wasserstoff-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 50 wird vom Controller 90 gesteuert, um einer Anode der Brennstoffzelle 20 Wasserstoff (Brenngas) zuzuführen, und Gas, das nicht reagierten Wasserstoff enthält, von der Anode auszutragen. Der Wasserstoff-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 50 umfasst einen Wasserstofftank 40, ein Sperrventil 41, einen Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60, eine Regler 51, einen Injektor 54, einen Wasserstoffzirkulationsströmungspfad 61, eine Wasserstoffumpumpe 55, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56, ein Auslasssperrventil 57 sowie einen Auslassströmungspfad 58.
  • Der Wasserstofftank 40 ist ausgestaltet, um Wasserstoff zu speichern. Hochdruckwasserstoffgas mit mehreren 10 MPa wird im Wasserstofftank 40 gespeichert. Der Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60 ist eine Leitung, die angeordnet ist, um den Wasserstofftank 40 mit einem Zufuhranschluss 28 der Anode der Brennstoffzelle 20 zu verbinden. Das Sperrventil 41 dient als Ventil zum Unterbrechen der Zufuhr von Wasserstoff vom Wasserstofftank 40 zum Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60 und wird auch als Hauptsperrventil bezeichnet. Der Sperrventil 41 wird durch den Controller 90 derart gesteuert, dass es öffnet und schließt. Wenn das Sperrventil 41 durch den Controller 90 gesteuert wird, dass es öffnet, wird Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 40 durch den Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60 zum Zufuhranschluss 28 der Anode der Brennstoffzelle 20 geliefert. Wenn das Sperrventil 41 durch den Controller 90 gesteuert wird, dass es schließt, wird die Zufuhr von Wasserstoffgas zum Zufuhranschluss 28 der Anode unterbrochen.
  • Der Regler 51 wird durch den Controller 90 derart gesteuert, dass er den Druck des Wasserstoffs, der im Wasserstofftank 40 gespeichert ist, regelt. Der Injektor 54 wird durch den Controller 90 gesteuert, um Wasserstoff mit dem durch den Regler 51 geregelten Druck zur Anode einzuspritzen.
  • Der Wasserstoffzirkulationsströmungspfad 61 ist eine Leitung, die mit dem Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60 an einer Stelle des Injektors 54 auf der Seite der Brennstoffzelle 20 verbunden ist. Der Wasserstoffzirkulationsströmungspfad 61 und der Wasserstoffzufuhrströmungspfad 60 verbinden einen Auslassanschluss 29 der Anode der Brennstoffzelle 20 mit dem Zufuhranschluss 28 der Anode. Der Wasserstoffzirkulationsströmungspfad 61 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 und der Wasserstoffpumpe 55 ausgestaltet. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 dient dazu, um vom Auslassanschluss 29 der Anode ausgetragenes Gas in Gas und Flüssigkeit zu trennen. Die Wasserstoffpumpe 55 ist ausgestaltet, um das vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 abgeschiedene Gas der Brennstoffzelle 20 erneut zuzuführen. Das vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 abgeschiedene Gas umfasst hauptsächlich Wasserstoff, der nicht verbraucht wurde aber von der Anode ausgetragen wurde, Stickstoff, der von einer Kathodenseite durch einen Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelle übertragen und von der Anode ausgetragen wurde, sowie Feuchtigkeit, die nicht vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 abgeschieden wurde. Der Auslassströmungspfad 58 ist eine Leitung, die derart angeordnet ist, dass sie den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 mit einem (später beschriebenen) Luftauslassströmungspfad 39 verbindet, der im Luft-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 30 enthalten ist. Das Auslasssperrventil 57 ist im Auslassströmungspfad 58 angeordnet. Das Auslasssperrventil 57 wird geöffnet, um die durch den Gas-Flüssigkeit-Abscheider 56 abgeschiedene Flüssigkeit sowie Stickstoff und dergleichen auszutragen. Der Injektor 54 und das Auslasssperrventil 57 werden gesteuert, um die Zufuhrmenge von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 20 zu regeln. Die Wasserstoffpumpe 55 ist eine sogenannte „Umwälzpumpe“. Das Auslasssperrventil 57 ist ein sogenanntes „Auslassventil“. Das Sperrventil 41, der Regler 51, der Injektor 54, die Wasserstoffpumpe 55 und das Auslasssperrventil 57 werden durch den Controller 90 gesteuert.
  • Der Luft-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 30 wird vom Controller 90 gesteuert, um einer Kathode der Brennstoffzelle 20 Luft zuzuführen und von dieser auszutragen. Der Luft-Zufuhr-und-Austrag-Mechanismus 30 umfasst einen Kompressor 31, einen Luftzufuhrströmungspfad 32, ein Strömungsaufteilventil 33, einen Druckregler 36, einen Umgehungs- bzw. Bypassströmungspfad 38 sowie einen Luftaustragströmungspfad 39.
  • Der Luftzufuhrströmungspfad 32 ist eine Leitung, die mit einem Zufuhranschluss der Kathode der Brennstoffzelle 20 verbunden ist. Der Luftaustragsströmungspfad 39 ist eine Leitung, die mit einem Auslassanschluss der Kathode der Brennstoffzelle 20 verbunden ist. Der Bypassströmungspfad 38 ist eine Leitung, die vom Luftzufuhrströmungspfad 32 an einer Stelle auf einer stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 20 abzweigt und mit dem Luftaustragsströmungspfad 39 verbunden ist. Der Kompressor 31 ist in der Mitte des Luftzufuhrströmungspfads 32 angeordnet, um Luft von einem offenen Luftanschluss des Luftzufuhrströmungspfads 32 anzusaugen und verdichtet die angesaugte Luft. Der Kompressor 31 ist an einer Stelle angeordnet, die sich näher am offenen Luftanschluss befindet als eine Verbindungsstelle des Luftzufuhrströmungspfads 32 mit dem Bypassströmungspfad 38.
  • Das Strömungsaufteilventil 33 ist im Luftzufuhrströmungspfad 32 an einer stromabwärtigen Seite des Kompressors 31 angeordnet, genauer gesagt zwischen dem Kompressor 31 und der Brennstoffzelle 20, sodass es an der Verbindungsstelle des Luftzufuhrströmungspfades 32 mit dem Bypassströmungspfads 38 angeordnet ist. Das Strömungsaufteilventil 33 dient dazu, um die Strömungsrichtung der vom Kompressor 31 zwischen der Seite der Brennstoffzelle 20 und der Seite des Bypassströmungspfads 38 strömenden Luft zu verändern. Dieses Strömungsaufteilventil 33 ist ein sogenanntes Drei-Wege-Ventil. Der Bypassströmungspfad 38 ist eine Leitung, die derart angeordnet ist, um das Strömungsaufteilventil 33 mit dem Luftaustragsströmungspfad 39 zu verbinden. Der Druckregler 36 ist derart im Luftaustragsströmungspfad 39 angeordnet, dass er sich an einer Stelle auf der Seite der Brennstoffzelle 20 einer Verbindungsstelle des Luftaustragsströmungspfads 39 mit dem Bypassströmungspfads 38 befindet. Der Druckregler 36 dient zum Regeln eines Strömungsquerschnittsbereichs des Luftaustragsströmungspfads 39 entsprechend seiner Öffnungsposition. Luft die durch den Druckregler 36 strömt, gelangt durch die Verbindungsstelle des Luftaustragsströmungspfades 39 mit dem Bypassströmungspfad 38 und wird von einem offenen Luftanschluss an die offene Luft ausgegeben. Der Kompressor 31, das Strömungsaufteilventil 33 und der Druckregler 36 werden durch den Controller 90 gesteuert.
  • Der Kühlwasserumwälzmechanismus 80 wird vom Controller 90 gesteuert, um die Brennstoffzelle 20 zu kühlen. Der Kühlwasserumwälzmechanismus 80 umfasst einen Radiator 81, eine Kühlwasserpumpe 82, einen Kühlwasseraustragsströmungspfad 83 sowie einen Kühlwasserzufuhrströmungspfad 84.
  • Der Kühlwasserzufuhrströmungspfad 84 ist ein Strömungspfad, der derart angeordnet ist, dass er den Radiator 81 mit der Brennstoffzelle 20 verbindet, und ist eine Leitung, die vorgesehen ist, um der Brennstoffzelle 20 Kühlwasser zuzuführen. Der Kühlwasseraustragsströmungspfad 83 ist ein Strömungspfad, der derart angeordnet ist, dass er die Brennstoffzelle 20 mit dem Radiator 81 verbindet, und ist eine Leitung, die vorgesehen ist, um Kühlwasser aus der Brennstoffzelle 20 auszutragen. Die Kühlwasserpumpe 82 ist im Kühlwasserzufuhrströmungspfad 84 zwischen dem Radiator 81 und der Brennstoffzelle 20 angeordnet und dient zum Zirkulieren bzw. Umwälzen von Kühlwasser. Der Betrieb des Radiators 81 und der Kühlwasserpumpe 82 werden durch den Controller 90 entsprechend der Temperaturen, die von Thermometern 85 und 86 gemessen werden, die im Kühlwasseraustragsströmungspfad 83 und im Kühlwasserzufuhrströmungspfad 84 angeordnet sind, gesteuert.
  • Der Controller 90 ist als Mikrocomputer mit einer CPU, einem RAM und einem ROM ausgestaltet, und ist insbesondere als ECU (elektronische Steuereinheit) ausgestaltet. Der Controller 90 gibt Signale aus, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zu steuern. Ansprechend auf eine Stromerzeugungsanforderung steuert der Controller 90 die entsprechenden Teile des Brennstoffzellensystems 10, um die Brennstoffzelle 20 zu veranlassen, elektrische Leistung bzw. Strom zu erzeugen. Der Controller 90 führt beim Stopp des Systems auch einen sogenannten Entlüftungs-/Auslassprozess durch, der später beschrieben wird.
  • Das am Fahrzeug montierte Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner eine Sekundärbatterie sowie eine DC/DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler, der ausgestaltet ist, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 zu steuern, und das Laden und Entladen der Sekundärbatterie zu steuern, obgleich diese hier nicht dargestellt oder beschrieben sind. Die Sekundärbatterie ist ausgestaltet, um elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 ausgegeben wird, sowie regenerative Leistung zu speichern und dient zusammen mit der Brennstoffzelle 20 als Stromquelle.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 und dem Auslasssperrventil 57 zeigt. 2 zeigt die Wasserstoffpumpe 55 und den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 in einer perspektivischen Darstellung, um das Innere derselben darzustellen, wobei die jeweiligen Gehäuse 551 und 561 schraffiert sind. Eine Richtung Dv bezeichnet eine vertikale Richtung, und eine Richtung Dh bezeichnet eine horizontale Richtung.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 umfasst einen Innenraum 562, in den ausgetragenes Gas von der Brennstoffzelle 20 strömt. Der Innenraum 562 umfasst einen annähernd kamin- bzw. trichterartigen Teil. Ein Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 ist am Boden in der Mitte des annähernd trichterartigen Teils ausgebildet. Eine Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 ist derart an einer Außenumfangsseite des Entlüftungs-/Auslassabschnitts 563 angeordnet, dass diese über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 liegt. Der Auslasssperrventil 57 ist mit dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 über einen Verbindungspfad 564 verbunden, der an einer Seitenwand des Entlüftungs-/Auslassabschnitts 563 ausgebildet ist. Die von dem ausgetragenen Gas, das durch den Auslassanschluss 29 der Anode ausgetragen wird, abgeschiedene Flüssigkeit (d.h. flüssiges Wasser) wird im Innenraum 562 gesammelt. Der Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 ist derart ausgestaltet, dass er das flüssige Wasser, das im Innenraum 562 gesammelt wurde, sammelt, und das flüssige Wasser über den Verbindungspfad 564 und das Auslasssperrventil 57 austrägt. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 dient dazu, flüssiges Wasser, das durch aufspritzendes Gas aufgewirbelt bzw. ausgeblasen wird, aufzunehmen und zu halten, wie später beschrieben wird.
  • Die Wasserstoffpumpe 55 befindet sich an einer oberen Fläche des Gehäuses 561 des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56. Eine Öffnung 565 ist im Gehäuse 561 des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 derart angeordnet, dass diese in einem Bereich liegt, wo die Wasserstoffpumpe 55 angeordnet ist. Genauer gesagt befindet sich die Öffnung 565 an einer Stelle über dem Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 in vertikale Richtung Dv, so dass sie dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 gegenüber liegt. Die Öffnung 565 ist mit einem Einlassanschluss 554 der Wasserstoffpumpe 55 verbunden. Die Öffnung 565 ist als „mit der Umwälzpumpe verbundene Öffnung“ bezeichnet.
  • Die Wasserstoffpumpe 55 ist eine Zweikolben-Wälzkolbenpumpe bzw. Zweikolben-Rootspumpe mit zwei Rotoren bzw. Wälz- oder Drehkolben 552a und 552b im Gehäuse 551. Die Wälzkolbenpumpe ist eine Pumpe, die ausgestaltet ist, um die beiden Rotoren 552a, 552b in gegenläufige Richtung simultan mit der Rotation eines Motors (nicht dargestellt) zu drehen, um dadurch entsprechend der Richtung der Rotationen eine Gasströmung zu verursachen. Rotierende Wellen der beiden Rotoren 552a, 552b sind entlang einer horizontalen Richtung angeordnet, die senkrecht zur horizontalen Richtung Dh ist, die in 2 gezeigt ist (d.h. die Richtung senkrecht zur Blattfläche). Die durch die Rotation der Rotoren 552a, 552b erzeugte Gasströmung fließt hauptsächlich in eine Richtung entlang der vertikalen Richtung Dv.
  • Zu einem Systembetriebszeitpunkt, wenn der Stromerzeugungsbetrieb ausgeführt wird, trägt die Wasserstoffpumpe 55 das Gas, das am Einlassanschluss 554 eingebracht wurde, über einen Auslassanschluss 556 aus, der in vertikale Richtung Dv über dem Einlassanschluss 554 angeordnet ist. Zum Systembetriebszeitpunkt dreht die Wasserstoffpumpe 55 die beiden Rotoren 552a, 552b derart, dass eine Gasströmung vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 zur Wasserstoffpumpe 55 erzeugt wird. Die jeweiligen Rotationsrichtungen sind durch Pfeile mit strichpunktierten Linien in 2 dargestellt. Die Rotation der beiden Rotoren 552a, 552b der Wasserstoffpumpe 55 in diesem Zustand wird als „HP-Normalrotation“ bezeichnet, und die durch diese Rotation erzeugte Gasströmung wird als „Gasströmung in Normalrichtung“ bezeichnet. Das ausgetragene Gas, das vom Auslassanschluss 29 der Anode der Brennstoffzelle 20 ausgetragen wird, fließt entsprechend in den Innenraum 562 des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 und wird in Gas und Flüssigkeit (flüssiges Wasser) aufgeteilt bzw. getrennt. Das abgeschiedene Gas wird durch die Öffnung 565 und den Einlassanschluss 554 von der Wasserstoffpumpe 55 aufgenommen und vom Auslassanschluss 556 ausgetragen, um der Brennstoffzelle 20 erneut zugeführt zu werden. Pfeile mit durchgezogener Linien in 2 zeigen die Grundzüge der Strömung im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 und der Wasserstoffpumpe 55.
  • Die Wasserstoffpumpe 55 ist ferner derart konfiguriert, dass die beiden Rotoren 552a, 552b durch eine umgekehrte Rotation des (nicht dargestellten) Motors in umgekehrte Richtung relativ zur Rotation beim Systembetriebszeitpunkt gedreht werden, um eine nach unten gerichtet Gasströmung von der Wasserstoffpumpe 55 zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 zu erzeugen. Die Rotation der beiden Rotoren 552a, 552b der Wasserstoffpumpe 55 in diesem Zustand wird als „HP-Umkehrrotation“ bezeichnet, und die Gasströmung, die durch diese Rotation erzeugt wird, wird als „Gasströmung in umgekehrte Richtung“ bezeichnet. Ein Betrieb der umgekehrten Rotation der Wasserstoffpumpe 55 zum Erzeugen der Gasströmung in umgekehrte Richtung wird bei einem Restwasserentfernungsprozess zu einem Systemstoppzeitpunkt ausgeführt, wie später beschrieben wird.
  • Ein Ablauf zum Beenden des Systembetriebs zum Stoppen des Systems führt zunächst einen Spülvorgang aus. Während des Spülvorgangs werden die Rotoren 552a, 552b ab dem Systembetriebszeitpunkt kontinuierlich in HP-Normalrichtung gedreht. Dies führt dazu, dass der Wassergehalt, der in der Brennstoffzelle 20 und den Strömungspfaden gesammelt wurde, entfernt wird. Nach dem Spülvorgang wird das Auslasssperrventil 57 geöffnet, um das flüssige Wasser, das im Innenraum 562 angesammelt wurde, auszutragen. Danach wird die Rotation der Wasserstoffpumpe 55 gestoppt, das Auslasssperrventil 57 wird geschlossen und der Betrieb des Systems endet. Zum Systemstoppzeitpunkt wird auch ein später beschriebener Restwasserentfernungsprozess ausgeführt.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Restwasserentfernungsprozesses zeigt, der zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird. Der Restwasserentfernungsprozess wird durch den Controller 90 zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt. Im Restwasserentfernungsprozess wird die Wasserstoffpumpe 55 beim Stopp gestartet, dass diese bei einer vorgegebenen Drehzahl (Rotationsgeschwindigkeit) umgekehrt bzw. rückwärts dreht (Schritt S110). Nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne stoppt der Controller 90 die Rückwärts- bzw. Umkehrrotation der Wasserstoffpumpe 55 (Schritt S120) und beendet diesen Prozess.
  • 4 ist eine Darstellung, die einen Zustand des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 während der Umkehrrotation der Wasserstoffpumpe 55 zeigt. Wenn die Wasserstoffpumpe 55 in eine Richtung, die in 4 durch Pfeile mit einer doppelpunktiert-gestrichelten Linie dargestellt ist, rückwärts gedreht wird (HP-Umkehrrotation), wird ein Gasstrom in umgekehrte Richtung von der Öffnung 565 in Richtung zum Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 erzeugt, der unter der Öffnung 565 in vertikale Richtung Dv liegt, wie durch die Pfeile mit gestrichelten Linien in 4 dargestellt. In der Wasserstoffpumpe 55 gesammeltes flüssiges Wasser wird von der Wasserstoffpumpe 55 durch diese Gasströmung in umgekehrte Richtung und die Schwerkraft zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 563 ausgetragen. Das Gas von der Öffnung 565 wird an das von der Wasserstoffpumpe 55 ausgetragene flüssige Wasser und das im Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 gesammelte Wasser gespritzt, um das Restwasser entlang der trichterförmig geneigten Fläche vom Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 auszublasen, wie durch Pfeile mit durchgezogener Linie dargestellt ist.
  • Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 ist ausgestaltet, um ausgeblasenes flüssiges Wasser aufzunehmen und zu halten, und ist derart an der Außenumfangsseite des Entlüftung-/Auslassabschnitts 563 angeordnet, dass diese wie vorstehend beschrieben über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 liegt. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 ist eine horizontale Ebene (horizontale Fläche) entlang der horizontalen Richtung Dh. Es ist somit unwahrscheinlich, dass ausgeblasenes flüssiges Wasser (Flüssigkeitstropfen) in Richtung zum Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 hinabströmen, nachdem diese an der Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 angehaftet sind. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 der Ausführungsform ermöglicht somit, dass ausgeblasenes flüssiges Wasser durch die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 aufgenommen und gehalten wird.
  • Die Drehzahl und Zeitdauer der HP-Umkehrrotation kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben eingestellt werden. Die Drehzahl ist derart eingestellt, dass sie gleich oder höher als eine Drehzahl ist, welche die Erzeugung einer Gasströmung zulässt, die zumindest erlaubt, dass Gas von der Öffnung 565 in Richtung zum Restwasser, das im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 gesammelt ist, gespritzt wird, um dadurch das Restwasser aufzuwirbeln bzw. auszublasen. Die Rotationsgeschwindigkeit und Zeitdauer der HP-Umkehrrotation sind ferner derart eingestellt, dass das Auslasssperrventil 57 nicht funktionsunfähig wird, selbst wenn Wasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 verbleibt und gefriert. Wenn beispielsweise Wasser im Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 auf einem Wasserstand verbleibt, der nicht dazu führt, dass flüssiges Wasser in den Verbindungspfad 564 gelangt, kann die Maximalmenge an Wasser anhand des Volumens des Entlüftung-/Auslassabschnitts 563, der unter dem Verbindungspfad 564 angeordnet ist, bestimmt werden. Die Menge an Wasser nach dem Ausblasen des Gases durch die HP-Umkehrrotation kann somit auf ein Niveau eingestellt werden, welches nicht dazu führt, dass das Auslasssperrventil 57 funktionsunfähig wird, selbst wenn das Wasser gefriert. Eine Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Zeitdauer der Wasserstoffpumpe 55 (d.h. eine Kombination der Rotationsgeschwindigkeit und der Zeitdauer) kann vorab bestimmt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der HP-Umkehrrotation (S110 und S120 in 3) wird entsprechend der bestimmten Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und Zeitdauer dargestellt.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Wasserstoffpumpe 55 und der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 dieser Ausführungsform derart konfiguriert, dass die Wasserstoffpumpe 55 umgekehrt bzw. rückwärts gedreht wird, um eine Gasströmung in umgekehrte Richtung zu erzeugen, und dadurch das Restwasser im Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 auszublasen, und dass das ausgeblasene Restwasser durch die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 aufgenommen und gehalten wird. Diese Konfiguration verhindert, dass das Auslasssperrventil 57 aufgrund des Gefrierens des Restwassers im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 funktionsunfähig wird, und verhindert somit, dass das Brennstoffzellensystem 10 funktionsunfähig wird.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Restwasserentfernungsprozess aus 3 zum Systembetriebszeitpunkt ausgeführt, und dessen Startzeitpunkt ist nicht bestimmt. Der Startzeitpunkt des Restwasserentfernungsprozesses kann jedoch als ein Zeitpunkt bestimmt werden, wenn eine vorgegebene Bedingung, beispielsweise eine der nachstehenden Bedingungen, erfüllt ist:
    • Bedingung 1: Das System stoppt den Betrieb. In diesem Fall wird der Restwasserentfernungsprozess kontinuierlich nach dem Stopp des Betriebs des Systems ausgeführt;
    • Bedingung 2: Eine verstrichene Zeit oder eine Systemtemperatur überschreiten einen entsprechenden Referenzwert nach dem Stopp des Betriebs des Systems. In diesem Fall wird der Restwasserentfernungsprozess einige Zeit nach dem Stopp des Betriebs des Systems ausgeführt. Beispielsweise kühlt das System nach dem Stopp des Betriebs des Systems auf natürliche Weise von der hohen Temperatur während des Betriebs ab. Der Restwasserentfernungsprozess kann zu einem Zeitpunkt ausgeführt werden, nachdem Feuchtigkeitsdampf aufgrund von Taukondensation zu flüssigem Wasser geworden ist.
  • Der Restwasserentfernungsprozess kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgeführt werden, nachdem beispielsweise gewartet wurde, bis eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder die Temperatur des Systems niedriger als eine vorgegebene Temperatur geworden ist.
  • Die Temperatur des Systems kann eine von verschiedenen Umgebungstemperaturen sein, beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers im Kühlwasseraustragsströmungspfad 83, die vom Thermometer 85 gemessen wird, die Temperatur des Kühlwassers im Kühlwasserzufuhrpfad 84, die vom Thermometer 86 gemessen wird, die Temperatur der Brennstoffzelle 20, die Temperatur der Wasserstoffpumpe 55, die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 oder die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems 10.
  • Die vorgegebene Bedingung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt sondern kann jede Bedingung sein, welche den Startzeitpunkt des Restwasserentfernungsprozesses, der vorstehend beschrieben wurde, bestimmt, um das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 zum Systemstoppzeitpunkt zu entfernen.
  • Die 5 und 6 sind schematische Darstellungen, welche jeweils die Konfiguration einer Flüssigkeitsaufnahmefläche 566a und einer Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b gemäß Abwandlungen zeigen. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566, die vorstehend beschrieben wurde, ist eine ebene Fläche entlang der horizontalen Richtung Dh. Diese Konfiguration ist jedoch nicht beschränkend.
  • Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566a von 5 wird durch eine Fläche gebildet, die eine geneigte Fläche umfasst, die in Richtung zur Außenumfangsseite weiter nach unten geneigt ist, sodass sie in vertikale Richtung Dv an der Außenumfangsseite tiefer liegt. Diese Konfiguration der Flüssigkeitsaufnahmefläche 566a führt dazu, dass das an der Außenumfangsseite gesammelte flüssige Wasser zusammengetragen wird, und macht es unwahrscheinlich, dass sich das flüssige Wasser zum Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 bewegt. Die geneigte Fläche ist hierbei nicht unbedingt eine ebene Fläche sondern kann eine nach außen geneigte gekrümmte Fläche sein.
  • Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b aus 6 ist derart ausgestaltet, dass sie einen konkaven Abschnitt umfasst, der an der Mitte in horizontale Richtung angeordnet ist und in vertikale Richtung Dv nach unten geneigt ist. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b ist dementsprechend ausgestaltet, dass das flüssige Wasser in dem konkaven Abschnitt gesammelt wird. Die Neigung des konkaven Abschnitts kann in einem Bereich von 0° bis 90° relativ zur horizontalen Richtung gewählt sein. Die Position des konkaven Abschnitts ist dabei nicht auf die Mitte in horizontale Richtung der Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b beschränkt, sondern kann irgendeine Stelle der Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b sein. Die Flüssigkeitsaufnahmefläche 566b kann derart gestaltet sein, dass sie vollständig vertieft ist. Somit kann die Flüssigkeitsaufnahmefläche jede Konfiguration haben, die zulässt, dass ausgeblasenes flüssiges Wasser aufgenommen und gehalten wird.
  • zweite Ausführungsform
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Restwasserentfernungsprozesses zeigt, der gemäß einer zweiten Ausführungsform zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird. Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems, das den Restwasserentfernungsprozess der zweiten Ausführungsform ausführt, ist identisch zur Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform (siehe 1).
  • Wenn der Restwasserentfernungsprozess ausgelöst wird, startet der Controller 90 wie beim Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform (siehe 3) die umgekehrte Rotation der Wasserstoffpumpe 55 (Schritt S110) und öffnet das Auslasssperrventil 57, um Gas zu entlüften und Wasser auszutragen (Schritt S115). Nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne schließt der Controller 90 das Auslasssperrventil 57, um das Entlüften von Gas und das Austragen von Wasser zu stoppen (Schritt S116). Dies führt dazu, dass flüssiges Wasser, das von der Wasserstoffpumpe 55 ausgetragen wird, und Restwasser, das in Entlüftung-/Auslassabschnitt 563 gesammelt ist, nach außen ausgetragen wird. Der Prozess von Schritt S110 und der Prozess von Schritt S115 können gleichzeitig gestartet werden oder sie können in umgekehrter Reihenfolge zu der in 7 gezeigten Reihenfolge gestartet werden. Die umgekehrte Rotation der Wasserstoffpumpe 55 wird bei der geschlossenen Stellung des Auslasssperrventils 57 fortgesetzt (d.h. der Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform gemäß 3 wird ausgeführt). Nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne stoppt der Controller 90 die umgekehrte Rotation der Wasserstoffpumpe 55 (Schritt S120) und beendet diesen Prozess. Dies führt dazu, dass flüssiges Wasser, das im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 verblieben ist, nachdem das Gas entlüftet und das Wasser nach außen abgelassen wurden (Schritt S116), vom Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 ausgeblasen wird.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, öffnet die Konfiguration der zweiten Ausführungsform das Auslasssperrventil 57 während der HP-Umkehrrotation, um das von der Wasserstoffpumpe 55 ausgetragene flüssige Wasser und das im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 gesammelte Restwasser nach außen auszutragen, und um zusätzlich das im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 verbleibende flüssige Wasser auszublasen. Diese Konfiguration verhindert im Vergleich zur Konfiguration der ersten Ausführungsform effektiver, dass flüssiges Wasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 verbleibt. Die Konfiguration der zweiten Ausführungsform verhindert effektiver, dass das Auslasssperrventil 57 aufgrund des Gefrierens von Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 funktionsunfähig wird, und verhindert somit noch effizienter, dass das Brennstoffzellensystem funktionsunfähig wird.
  • Der Startzeitpunkt des Restwasserentfernungsprozesses gemäß der ersten Ausführungsform kann in ähnlicher Weise auf den Restwasserentfernungsprozess der zweiten Ausführungsform Anwendung finden.
  • Dritte Ausführungsform
  • 8 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Restwasserentfernungsprozesses zeigt, der gemäß einer dritten Ausführungsform zum Systemstoppzeitpunkt ausgeführt wird. Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems, das den Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform ausführt, ist identisch zur Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform (siehe 1).
  • Der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform umfasst zusätzlich einen Prozess, bei welchem gewartet wird, bis eine Temperatur Tm, die gemessen wird, um die Wahrscheinlichkeit eines Gefrierens zu bestimmen (gemessene Temperatur Tm), niedriger als ein Gefrierreferenzwert Th wird (Schritt S105), bevor die HP-Umkehrrotation (Schritt S110) beim Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform (siehe 3) gestartet wird. Dieser Prozess kann als ein Prozess betrachtet werden, bei dem bestimmt wird, ob eine der vorgegebenen Bedingungen erfüllt wird, um den Startzeitpunkt für den Restwasserentfernungsprozess zu erfassen.
  • Der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform umfasst zusätzlich den Prozess aus Schritt S105. Wenn das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 gefrieren kann, veranlasst der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform, dass das in der Wasserstoffpumpe 55 gesammelte Restwasser von der Wasserstoffpumpe 55 ausgetragen wird, und bläst das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 aus. Wenn ein Gefrieren des Restwassers im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 unwahrscheinlich ist, bläst der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform dagegen das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 nicht aus. Solange das Restwasser nicht gefriert, wird das Auslasssperrventil 57 nicht funktionsunfähig, und das Brennstoffzellensystem 10 wird nicht funktionsunfähig. Es ist dementsprechend nicht notwendig den Restwasserentfernungsprozess auszuführen. Wenn ein Gefrieren des Restwassers wahrscheinlich ist, wird dagegen das Restwasser entfernt, um zu verhindern, dass das Auslasssperrventil 57 funktionsunfähig wird.
  • Die Temperatur Tm, die gemessen wird, um die Wahrscheinlichkeit eines Gefrierens zu bestimmen, kann eine von verschiedenen Umgebungstemperaturen des Brennstoffzellensystems sein, beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers im Kühlwasseraustragsströmungspfad 83, die durch das Thermometer 85 gemessen wird, die Temperatur des Kühlwassers im Kühlwasserzufuhrpfad 84, die durch das Thermometer 86 gemessen wird (siehe 1), die Temperatur der Brennstoffzelle 20, die Temperatur der Wasserstoffpumpe 55, die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56 oder die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems 10. Der Gefrierreferenzwert Th kann als eine Temperatur eingestellt sein, unter der ein Gefrieren von Wasser wahrscheinlich ist, und ist beispielsweise auf eine Temperatur in einem Bereich von 0°C bis 10°C eingestellt.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, bläst die Konfiguration der dritten Ausführungsform das flüssige Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 aus, wenn das Restwasser im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 gefrieren kann. Diese Konfiguration verhindert effektiv, dass Flüssigkeit im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 verbleibt. Diese Konfiguration kann noch effektiver verhindern, dass das Auslasssperrventil 57 aufgrund des Gefrierens des Restwassers im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 funktionsunfähig wird, und somit noch effektiver verhindern, dass das Brennstoffzellensystem funktionsunfähig wird. Wenn ein Gefrieren des Restwassers unwahrscheinlich ist, verhindert diese Konfiguration dagegen eine unnötige Ausführung des Restwasserentfernungsprozesses.
  • Vorstehend wird beschrieben, dass der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform (siehe 8) im Vergleich zum Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform zusätzlich den Prozess umfasst, bei dem gewartet wird, bis ein Gefrieren des Restwassers wahrscheinlich ist (Schritt S105). Der Prozess, bei dem gewartet wird, bis ein Gefrieren des Restwassers wahrscheinlich ist, kann in ähnlicher Weise auf den Restwasserentfernungsprozess der zweiten Ausführungsform angewandt werden (siehe 7).
  • Vorstehend wird beschrieben, dass der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform (siehe 8) anstelle des Restwasserentfernungsprozesses der ersten Ausführungsform (3) oder des Restwasserentfernungsprozesses der zweiten Ausführungsform (siehe 7) ausgeführt wird. Der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform (siehe 8) kann jedoch zusammen mit dem Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform und/oder dem Restwasserentfernungsprozess der zweiten Ausführungsform ausgeführt werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • 9. zeigt eine schematische Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56B und dem Auslasssperrventil 57 gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt. Die Darstellung von 9 entspricht der schematischen Darstellung (2), welche die Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 und dem Auslasssperrventil 57 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Ein Brennstoffzellensystem der vierten Ausführungsform hat, abgesehen von der Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56B und dem Auslasssperrventil 57, die in 9 dargestellt ist, einen ähnlichen Aufbau wie das Brennstoffzellensystem 10 der ersten Ausführungsform (siehe 1).
  • Die Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56B und dem Auslasssperrventil 57 gemäß der vierten Ausführungsform ist, abgesehen von den nachfolgend beschriebenen Unterschieden 1 und 2, ähnlich zur Positionsbeziehung zwischen der Wasserstoffpumpe 55, dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 und dem Auslasssperrventil 57 der ersten Ausführungsform.
  • Unterschied 1: Beim Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56 der ersten Ausführungsform siehe (2) ist die Öffnung 565 über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 in vertikale Richtung Dv angeordnet. Bei der vierten Ausführungsform dagegen ist eine Öffnung 565B des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56B an einer Stelle angeordnet, die entlang der horizontalen Richtung Dh von einer Position über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 in vertikale Richtung Dv abweicht.
  • Unterschied 2: Bei der vierten Ausführungsform ist die Öffnung 565B des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 56B derart ausgestaltet, dass während der HP-Umkehrrotation eine Gasströmung von der Öffnung 565B, die mit dem Einlassanschluss 554 der Wasserstoffpumpe 55 verbunden ist, in Richtung zum Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 erzeugt wird, der an einer Position angeordnet ist, die sich von einer Position vertikal unter der Öffnung 565B unterscheidet. In anderen Worten: die Öffnung 565B ist derart ausgestaltet, dass sie in eine Richtung des Entlüftungs-/Auslassabschnitts 563 weist.
  • Wenn bei der vorstehenden Konfiguration die Wasserstoffpumpe 55 in umgekehrte Richtung gedreht wird (HP-Umkehrrotation), in Richtungen welche durch die Pfeile mit einer doppelpunktiert-gestrichelten Linie in 9 dargestellt sind, wird die Gasströmung in die umgekehrte Richtung von der Öffnung 565B in Richtung zum Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 erzeugt wie durch Pfeile mit der gestrichelten Linie in 9 angedeutet ist. In der Wasserstoffpumpe 55 angesammeltes flüssiges Wasser wird aus der Wasserstoffpumpe 55 durch diese Gasströmungen in umgekehrte Richtung und die Schwerkraft zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 56B ausgetragen. Das von der Öffnung 565B kommende Gas wird gegen das von der Wasserstoffpumpe 55 ausgetragene flüssige Wasser und das im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 gesammelte Restwasser gespritzt, um das Restwasser vom Entlüftungs-/Auslassabschnitt 653 wie durch Pfeile mit der durchgezogenen Linien angedeutet, auszublasen. Diese Konfiguration verhindert, dass das Auslasssperrventil 57 aufgrund des Gefrierens des Restwassers im Entlüftungs-/Auslassabschnitt 563 funktionsunfähig wird, und verhindert somit, dass das Brennstoffzellensystem funktionsunfähig wird.
  • Die modifizierte Konfiguration der Flüssigkeitsaufnahmefläche 566 gemäß der ersten Ausführungsform (in den 5 und 6 gezeigt) kann auch bei der vierten Ausführungsform Anwendung finden. Die jeweiligen Restwasserentfernungsprozesse der ersten bis dritten Ausführungsformen (siehe 3, 7 und 8) sowie deren Abwandlungen können bei der vierten Ausführungsform Anwendung finden.
  • Abwandlungen
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehen beschriebenen Ausführungsformen und deren Abwandlungen begrenzt sondern kann anhand verschiedener anderer Aspekte ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Denkbare Abwandlungen werden nachfolgen beschrieben.
  • E1. Abwandlung 1
  • Die erste Ausführungsform und die vierte Ausführungsform beschreiben Konfigurationen, welche die Flüssigkeitsaufnahmefläche umfassen, die flüssiges Wasser aufnimmt und hält, das in den Innenraum des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders ausgeblasen wird. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann jedoch ohne eine derartige Flüssigkeitsaufnahmefläche ausgebildet sein. Wenn das ausgeblasene flüssige Wasser nur von geringer Masse ist, erlaubt diese abgewandelte Konfiguration dennoch, dass das ausgeblasene flüssige Wasser an der Wandfläche des Innenraums anhaftet und dort gehalten wird, und erzielt den Effekt zum Entfernen von Restwasser aus dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt.
  • E2. Abwandlung 2
  • In der vorstehenden Beschreibung werden die Restwasserentfernungsprozesse der ersten bis dritten Ausführungsformen unabhängig ausgeführt. Beispielsweise kann der Restwasserentfernungsprozess der ersten Ausführungsform in Kombination mit dem Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform ausgeführt werden. Der Restwasserentfernungsprozess der zweiten Ausführungsform kann in Kombination mit dem Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform ausgeführt werden. Alle Restwasserentfernungsprozesse der ersten bis dritten Ausführungsformen können kombiniert miteinander ausgeführt werden. Beispielsweise kann, nach dem Stopp des Systems, der Prozess der ersten Ausführungsform ausgeführt werden, sobald eine erste Bedingung erfüllt ist, und der Prozess der zweiten Ausführungsform kann ausgeführt werden, sobald eine zweite Bedingung erfüllt ist. Anschließend kann, wenn das Gefrieren von flüssigem Wasser gemäß wahrscheinlich ist, der Restwasserentfernungsprozess der dritten Ausführungsform ausgeführt werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und deren Abwandlungen beschränkt sondern kann auf vielerlei Art und Weise ausgestaltet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsformen und der Abwandlungen, welche den technischen Merkmalen eines jeden der in der Kurzfassung beschriebenen Aspekts entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen. Jedes der technischen Merkmale kann in geeigneter Weise weggelassen werden, sofern das technische Merkmal hier nicht als Wesentlich beschrieben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 2007059333 A [0003]
    • JP 2007005289 A [0003, 0004]

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); einen Zufuhrströmungspfad (60), der ausgestaltet ist, um einem Zufuhranschluss (28) einer Anode der Brennstoffzelle (20) Brenngas zuzuführen; einen Zirkulationsströmungspfad (61), der ausgestaltet ist, um Abgas, das von einem Auslassanschluss (29) der Anode ausgetragen wird, dem Zufuhranschluss (28) erneut als Brenngas zuzuführen; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56), der in dem Zirkulationsströmungspfad (61) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um das Abgas in Gas und Flüssigkeit aufzuteilen; eine Umwälzpumpe (55), die in dem Zirkulationsströmungspfad (61) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um das durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56) abgeschiedene Gas dem Zufuhrströmungspfad (60) zuzuführen; ein Auslassventil (57), das mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56) verbunden ist und ausgestaltet ist, um die durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56) abgeschiedene Flüssigkeit auszutragen; und einen Controller (90), der ausgestaltet ist, um den Betrieb der Umwälzpumpe (55) zu steuern, wobei die Umwälzpumpe (55) eine Zweikolben-Wälzkolbenpumpe ist, die derart ausgestaltet ist, dass zwei Rotoren (552a, 552b) in gegenläufige Richtungen drehen, ein Entlüftungs-/Auslassabschnitt (563) an einem Boden in einem Innenraum des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders (56) ausgebildet ist und ausgestaltet ist, um die abgeschiedene Flüssigkeit zu sammeln und die gesammelte Flüssigkeit über das Auslassventil (57) auszutragen, der Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56) eine Öffnung (565) hat, die mit der Umwälzpumpe (55) verbunden ist und derart konfiguriert ist, dass sie in eine Richtung des Entlüftungs-/Auslassabschnitts (563) weist, und der Controller (90), wenn zu einem Systemstoppzeitpunkt eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die Rotoren (552a, 552b) der Umwälzpumpe (55) veranlasst, dass diese in bezüglich der Rotation zum Systembetriebszeitpunkt umgekehrte Richtungen drehen.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (565) des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders (56) über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitts (563) in vertikale Richtung angeordnet ist und ausgestaltet ist, dass sie in vertikale Richtung nach unten weist.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gas-Flüssigkeits-Abscheider (56) eine Flüssigkeitsaufnahmefläche (566; 566a; 566b) umfasst, die über dem Entlüftungs-/Auslassabschnitt (563) im Innenraum ausgebildet ist, wobei die Flüssigkeitsaufnahmefläche (566; 566a; 566b) durch eine horizontale Fläche oder eine Fläche gebildet wird, die eine geneigte Fläche umfasst, die an einer Außenumfangsseite weiter nach unten geneigt ist.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Controller (90) das Auslassventil (57) öffnet, wenn die Rotoren (552a, 552b) in umgekehrte Richtung gedreht werden.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Controller (90) die Rotoren (552a, 552b) in umgekehrte Richtung dreht, wenn zum Systemstoppzeitpunkt eine gemessene Temperatur niedriger als ein Gefrierreferenzwert ist.
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