DE102019104874A1

DE102019104874A1 - Brennstoffzellensystem, bewegliches Objekt mit einem Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Ableiten der Windgeschwindigkeit in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102019104874A1
Application number: DE102019104874.5A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Watanabe; Satoshi Shiokawa; Shuhei Nakamura; Norihiro FUKAYA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2019-09-05
Also published as: JP6992601B2; US20190273273A1; US10930952B2; JP2019153445A; CN110224159B; CN110224159A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (100) umfasst: einen Strömungssensor (95), der konfiguriert ist, um eine Ist-Luftdurchflussmenge zu messen, die über einen Verdichter (33) in einen Oxidationsgaszufuhrkanal (31) eingeleitet wird, wenn eine Brennstoffzelle (20) elektrische Leistung erzeugt; und eine Windgeschwindigkeitsableitungseinheit (80), die konfiguriert ist, um eine vom Strömungssensor gemessene Luftdurchflussmenge in einem Zustand zu erfassen, in dem Luft von dem Oxidationsgaszufuhrkanal (31) zu einem Oxidationsgasauslasskanal (41) über den Verdichter (33) und einen Bypass-Strömungskanal (37) strömt, und um eine Ist-Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, wenn der Verdichter (33) stoppt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein bewegliches Objekt mit einem Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Ableiten der Windgeschwindigkeit in einem Brennstoffzellensystem.
Beschreibung des Standes der Technik
Als Steuerung, die in einem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird, ist eine Steuerung bekannt, um zu bestimmen, ob ein Frostschutzvorgang in einem Zielrohr, das ein in einem Brennstoffzellensystem enthaltenes Rohr ist, durchgeführt werden soll, indem eine Temperatur des Zielrohres oder eine Außenlufttemperatur gemessen wird und die gemessene Temperatur mit einem Schwellenwert verglichen wird (siehe z.B. die japanische Patentanmeldung JP 2007 - 157 432 A ).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer solchen Steuerung kann, wenn eine Temperatur eines Zielrohres direkt gemessen wird, ein Einfluss der Temperaturänderung des Rohres aufgrund von Wind auf die Steuerung eingedämmt werden. Da jedoch für jedes Zielrohr ein Temperatursensor vorgesehen werden muss, ist es schwierig, eine derartige Konfiguration einzusetzen, da die Anzahl der Komponenten und die Kosten steigen. Andererseits muss, wenn eine Außenlufttemperatur gemessen wird, um eine Temperatur eines Zielrohres zu erfassen, ein Temperatursensor nicht separat im Rohr vorgesehen werden, aber da sich die Temperatur des Rohres aufgrund von Windeinflüssen ändern kann, ist es wahrscheinlich, dass die Erfassungsgenauigkeit der Temperatur des Rohres unzureichend ist. Das Problem mit einer Abnahme der Temperaturerfassungsgenauigkeit aufgrund von Wind kann durch die Messung einer Windgeschwindigkeit gelöst werden, die schwierig zu handhaben ist, da die Installation eines Windmessers zu einer Komplikation der Struktur des Brennstoffzellensystems und zu einem Anstieg der Kosten führen kann. Dementsprechend besteht Bedarf an einer Technik, die in der Lage ist, eine Windgeschwindigkeit des Windes zu erfassen, der von einem Brennstoffzellensystem empfangen wird, ohne eine Komplikation einer Struktur zu verursachen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das umfasst: eine Brennstoffzelle; einen Oxidationsgaszufuhrkanal, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist und in dem Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, strömt; einen Oxidationsgasauslasskanal, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist und in dem ein aus der Brennstoffzelle abgegebenes oxidierendes Abgas bzw. Oxidationsgas-Abgas strömt; einen Kompressor bzw. Verdichter, der in dem Oxidationsgaszufuhrkanal angeordnet ist und konfiguriert ist, um Luft an die Brennstoffzelle abzugeben, wobei ein stromaufwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals und ein stromabwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals über den Verdichter miteinander verbunden sind, wenn der Verdichter stoppt, wobei der stromaufwärtige Abschnitt stromaufwärts des Verdichters liegt und der stromabwärtige Abschnitt stromabwärts des Verdichters liegt; einen Bypass-Strömungskanal, der einen Abschnitt stromabwärts von einer Position, an der der Verdichter im Oxidationsgaszufuhrkanal angeordnet ist, mit dem Oxidationsgasauslasskanal verbindet; einen Strömungssensor, der konfiguriert ist, um einen tatsächlichen Luftdurchsatz bzw. eine Ist-Luftdurchflussmenge zu messen, der/die über den Verdichter in den Oxidationsgaszufuhrkanal eingeleitet wird, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt; und eine Windgeschwindigkeitsableitungseinheit, die konfiguriert ist, um die gemessene Ist-Luftdurchflussmenge in einem Zustand zu erfassen, in dem Luft von dem Oxidationsgaszufuhrkanal zu dem Oxidationsgasauslasskanal über den Verdichter und den Bypass-Strömungskanal strömt, und um eine tatsächliche Windgeschwindigkeit bzw. Ist-Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, wenn der Verdichter stoppt. Mit dem Brennstoffzellensystem nach diesem Aspekt ist es möglich, eine Ist-Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, indem eine gemessene Ist-Luftdurchflussmenge erfasst wird, die vom Oxidationsgaszufuhrkanal zum Oxidationsgasauslasskanal über den Verdichter und den Bypass-Strömungskanal bei Stillstand des Verdichters fließt. Dementsprechend ist es möglich, eine Ist-Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, die vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, ohne die Struktur durch einen separaten Windgeschwindigkeitssensor zu verkomplizieren.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt kann ferner eine Speichereinheit beinhalten, die im Voraus eine Beziehung zwischen einer Luftdurchflussmenge, die vom Oxidationsgaszufuhrkanal zum Oxidationsgasauslasskanal über den Verdichter und dem Bypass-Strömungskanal strömt, wenn der Verdichter stoppt, und einer Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, speichert. Die Windgeschwindigkeitsableitungseinheit kann konfiguriert sein, um die Ist-Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, unter Verwendung des erfassten gemessenen Ist-Luftdurchflussmenge und der gespeicherten Beziehung abzuleiten. Mit dem Brennstoffzellensystem mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Genauigkeit zur Ableitung einer tatsächlichen Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, weiter zu erhöhen.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt kann ferner beinhalten: eine Temperaturableitungseinheit, die konfiguriert ist, um eine Temperatur einer Komponenteneinheit des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der abgeleiteten Ist-Windgeschwindigkeit abzuleiten; und eine Zurückhalteunterdrückungseinheit, die konfiguriert ist, um einen Prozess zum Unterdrücken einer Zurückhaltung von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit unter Verwendung der abgeleiteten Temperatur der Komponenteneinheit durchzuführen. Mit dieser Konfiguration des Brennstoffzellensystems ist es möglich, eine Temperatur einer Komponenteneinheit genau abzuleiten und einen Prozess zur Unterdrückung der Zurückhaltung bzw. Speicherung von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit durchzuführen, ohne die Struktur zu komplizieren.
Im Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt kann der Verdichter ein Turboverdichter sein. Mit dieser Konfiguration des Brennstoffzellensystems ist es möglich, einen stromaufwärtigen Abschnitt und einen stromabwärtigen Abschnitt des mit dem Verdichter verbundenen Oxidationsgaszufuhrkanals einfach über den Verdichter miteinander zu verbinden, wenn der Verdichter stoppt.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt kann ferner beinhalten: ein Bypassventil, das im Bypass-Strömungskanal angeordnet ist; ein Absperrventil, das im Oxidationsgaszufuhrkanal an einer Position stromabwärts von einem Verbindungsteil angeordnet ist, an dem der Bypass-Strömungskanal mit dem Oxidationsgaszufuhrkanal verbunden ist und in der Lage ist, einen Luftstrom in die Brennstoffzelle zu unterbrechen; und eine Strömungskanalsteuereinheit, die konfiguriert ist, um das Absperrventil zu schließen, um den Luftstrom in die Brennstoffzelle zu unterbrechen, und das Bypassventil zu öffnen, sodass die Luft in den Bypass-Strömungskanal strömt, wenn die Windgeschwindigkeitsableitungseinheit die Ist-Windgeschwindigkeit ableitet. Mit dem Brennstoffzellensystem mit dieser Konfiguration ist es möglich, den Einfluss eines Druckverlustes in einem Strömungskanal eines Oxidationsgases in der Brennstoffzelle zu dämpfen und eine Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, die beim Anhalten des Verdichters vom Brennstoffzellensystem empfangen wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein bewegliches Objekt vorgesehen, das das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt beinhaltet. Das bewegliche Objekt kann ein Brennstoffzellenfahrzeug sein. Das Brennstoffzellensystem kann in einem Frontabteil des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ableiten der Windgeschwindigkeit bzw. Windgeschwindigkeitsableitungsverfahren in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren zum Ableiten der Windgeschwindigkeit umfasst: Veranlassen, dass zumindest ein Teil der in einem Verdichter strömenden Luft die Brennstoffzelle umgeht und Messen einer Ist-Luftdurchflussmenge, die in dem Verdichter strömt, wenn der Verdichter, der der Brennstoffzelle Luft als Oxidationsgas zuführt, stoppt; und Ableiten einer Ist-Windgeschwindigkeit des Windes, der von dem Brennstoffzellensystem empfangen wird, unter Verwendung einer im Voraus in einer Speichereinheit gespeicherten Beziehung zwischen einer Luftdurchflussmenge, die in dem Verdichter strömt, wenn der Verdichter stoppt, und einer Windgeschwindigkeit, die von dem Brennstoffzellensystem empfangen wird, sowie der gemessenen Ist-Luftdurchflussmenge.
Die Erfindung kann in verschiedenen anderen Formen als den vorstehend beschriebenen ausgeführt werden und kann beispielsweise in Form eines Verfahrens zum Ableiten einer Temperatur einer Komponenteneinheit eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartig Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems darstellt;
2 eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Konfiguration eines Luftverdichters darstellt;
3 ein Flussdiagramm, das einen Systemstopp-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf veranschaulicht;
4 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem erfassten Wert von einem Luftmassenmesser und einer Windgeschwindigkeit veranschaulicht;
5 ein Flussdiagramm, das einen Systemstart-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf veranschaulicht; und
6 ein Flussdiagramm, das einen Flüssigwasser-Zurückhalteunterdrückungsprozessablauf veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Konfiguration des Brennstoffzellensystems
1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 nach dieser Ausführungsform ist in einem Elektrofahrzeug montiert und dient als Stromquelle. Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet eine Brennstoffzelle 20, ein Brenngassystem 50, ein Oxidationsgassystem 30, ein Kühlsystem 70 und eine Steuereinheit 80 (in der Zeichnung wird Brennstoffzelle bei Bedarf als FC abgekürzt dargestellt).
Die Brennstoffzelle 20 weist eine Stapelstruktur auf, in der eine Mehrzahl von Einzelzellen gestapelt ist und elektrische Leistung unter Zufuhr eines wasserstoffhaltigen Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases erzeugen. Die Brennstoffzelle 20 gemäß dieser Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle vom Festpolymer-Typ. In jeder einzelnen Zelle, die die Brennstoffzelle 20 bilden, ist ein Strömungskanal (ein anodenseitiger Strömungskanal), in dem ein Brenngas strömt auf einer Anodenseite gebildet, und ein Strömungskanal (ein kathodenseitiger Strömungskanal), in dem ein Oxidationsgas strömt, ist auf einer Kathodenseite gebildet, wobei eine Elektrolytmembran dazwischen angeordnet ist. Ein Kühlmittelkanal, in dem ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 20 strömt, ist in der Brennstoffzelle 20 ausgebildet. Die Brennstoffzelle 20 ist nicht auf eine Festpolymer-Brennstoffzelle beschränkt, und andere Brennstoffzellen, wie beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle, können verwendet werden.
Das Brenngassystem 50 umfasst einen Wasserstofftank 52, einen Brenngaszufuhrkanal 51, einen Brenngasauslasskanal 61, einen Brenngaszirkulationskanal 63, ein Hauptabsperrventil 53, ein variables Druckregelventil 54, einen Injektor 55, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 und eine Brenngaspumpe 64. Der Wasserstofftank 52 ist eine Speichervorrichtung, in der Wasserstoffgas als Brenngas gespeichert wird. Das im Wasserstofftank 52 gespeicherte Wasserstoffgas gelangt durch das Hauptabsperrventil 53, wird dann durch das variable Druckregelventil 54 dekomprimiert und dem Brenngaszufuhrkanal 51, der mit einem Zellenbrenngaskanal der Brennstoffzelle 20 verbunden ist, über den Injektor 55 zugeführt. Der Brenngaszufuhrkanal 51, der Brenngasauslasskanal 61 und der Brenngaszirkulationskanal 63 werden zusammenfassend als Brenngaskanal bezeichnet.
Der Brenngasauslasskanal 61 ist ein Strömungskanal, in dem ein von der Brennstoffzelle 20 ausgegebenes Brenngas strömt. Der Brenngaszirkulationskanal 63 ist mit dem Brenngasauslasskanal 61 und einem Teil stromabwärts vom Injektor 55 im Brenngaszufuhrkanal 51 verbunden und führt das Brenngas zum Brenngaszufuhrkanal 51 zurück. Das heißt, das von der Brennstoffzelle 20 in den Brenngasauslasskanal 61 ausgegebene Brenngas wird über den Brenngaszirkulationskanal 63 wieder in den Brenngaszufuhrkanal 51 geleitet. Dementsprechend zirkuliert im Brennstoffzellensystem 100 ein Brenngas in dem Brenngasauslasskanal 61, dem Brenngaszirkulationskanal 63, einem Teil des Brenngaszufuhrkanals 51 und einem in der Brennstoffzelle 20 gebildeten Brenngaskanal, während Wasserstoff darin bei der Erzeugung von elektrischer Leistung verbraucht wird. Eine Brenngaspumpe 64, die eine Antriebskraft erzeugt, um das Einströmen des Brenngases in den Brenngaszufuhrkanal 51 zu bewirken, ist im Brenngaszirkulationskanal 63 vorgesehen.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 ist in einem Verbindungsteil zwischen dem Brenngasauslasskanal 61 und dem Brenngaszirkulationskanal 63 angeordnet. Das Brenngasabgas enthält Verunreinigungen wie Stickstoff oder Wasserdampf sowie Wasserstoff, der bei der Stromerzeugung nicht verbraucht wurde. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 trennt Wasser vom Brenngasabgas, das Gase wie Wasserstoff und Stickstoff enthält. Ein Brenngasabgabekanal 65 mit einem Spülventil 66 ist mit dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 verbunden, und Wasser und Gas werden aus dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 durch Öffnen des Spülventils 66 abgeleitet.
Das Oxidationsgassystem 30 umfasst einen Luftfilter 32, einen Luftverdichter 33, einen Ladeluftkühler 34, einen Oxidationsgaszufuhrkanal 31, einen Oxidationsgasauslasskanal 41, einen Bypass-Strömungskanal 37, einen Außenlufttemperatursensor 36, einen Luftmassenmesser 95, einen Drucksensor 96, ein EIN-AUS-Ventil 44, ein Steuerventil 43, ein Bypassventil 35 und einen Schalldämpfer 46. Das Brennstoffzellensystem 100 dieser Ausführungsform verwendet Luft als Oxidationsgas.
Im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 sind der Luftfilter 32, der Luftverdichter 33, der Ladeluftkühler 34, der Drucksensor 96 und das EIN-AUS-Ventil 44 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Stelle angeordnet. Der Luftfilter 32 entfernt Fremdstoffe wie Staub aus der im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 aufgenommenen Luft in der Nähe einer Ansaugöffnung des Oxidationsgaszufuhrkanals 31. Der Luftmassenmesser 95, der eine Luftdurchflussmenge durch den Luftfilter 32 misst, und der Außenlufttemperatursensor 36 sind in der Nähe des Luftfilters 32 angeordnet. Der Luftmassenmesser 95 wird verwendet, um eine Luftmenge zu messen, die tatsächlich der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, wenn zum Zeitpunkt der normalen Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 eine Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung zum Zuführen einer Luftmenge zur Brennstoffzelle 20 durchgeführt wird, die einer benötigten Menge an elektrischer Leistung entspricht. Der Luftverdichter 33 ist eine Vorrichtung, die Luft verdichtet bzw. komprimiert und Luft über den Oxidationsgaszufuhrkanal 31 in den kathodenseitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle 20 ausstößt. Der Ladeluftkühler 34 bewirkt, dass die Temperatur der Luft, die durch die Verdichtung durch den Luftverdichter 33 gestiegen ist, sinkt. Der Drucksensor 96 erfasst einen Druck der Luft, die im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 strömt. Das EIN-AUS-Ventil 44 ist ein Ventil, das die Zufuhr eines Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 20 im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 unterbrechen kann. Das EIN-AUS-Ventil 44 wird auch als Absperrventil bezeichnet.
Der Oxidationsgasauslasskanal 41 ist ein Strömungskanal, der das von der Brennstoffzelle 20 ausgegebene Oxidationsgasabgas aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen führt. Das Steuerventil 43 und der Schalldämpfer 46 sind in dieser Reihenfolge von einer stromaufwärtigen Stelle im Oxidationsgasauslasskanal 41 vorgesehen. Ein Druck (ein Gegendruck) und eine Durchflussmenge eines Oxidationsgases in der Brennstoffzelle 20 können durch Einstellen eines Öffnungsgrades des Steuerventils 43 verändert werden. Der Brenngasabgabekanal 65 ist mit einer Position verbunden, die stromab des Steuerventils 43 im Oxidationsgasauslasskanal 41 liegt. Beim Öffnen des Spülventils 66 werden Wasser und Gas, die vom Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 ausgegeben werden, im Oxidationsgasauslasskanal 41 mit dem Oxidationsgasabgas verdünnt und aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen abgegeben.
Der Bypass-Strömungskanal 37 ist ein Strömungskanal, der den Oxidationsgasauslasskanal 41 mit einer Position verbindet, die stromaufwärts vom EIN-AUS-Ventil 44 im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 liegt. Das Bypassventil 35 ist im Bypass-Strömungskanal 37 vorgesehen, und ein Oxidationsgas kann durch den Bypass-Strömungskanal 37 strömen, wenn das Bypassventil 35 geöffnet wird. Das Bypassventil 35 kann geschlossen sein, wenn die Brennstoffzelle 20 elektrische Leistung erzeugt. Alternativ kann das Bypassventil 35 als Durchflussmengeneinstellventil konfiguriert sein, das die Änderung einer Durchflussmenge in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad ermöglicht, und ein Teil der vom Luftverdichter 33 angesaugten Luft kann in den Bypass-Strömungskanal 37 strömen, wenn die Brennstoffzelle 20 elektrische Leistung erzeugt. In dieser Ausführungsform wird das Bypassventil 35 vorübergehend geschlossen, wenn die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 stoppt.
Das Kühlsystem 70 umfasst einen Kühler 72, eine Kühlmittelpumpe 74 und einen Kühlmittelströmungskanal 71. Der Kühlmittelströmungskanal 71 ist ein Strömungskanal, der den Kühler 72 mit einem Kühlmittelströmungskanal in der Brennstoffzelle 20 verbindet und ein Kühlmittel zwischen dem Kühler 72 und der Brennstoffzelle 20 zirkuliert. Der Kühler 72 umfasst ein Kühlergebläse 73 und kühlt ein im Kühlmittelströmungskanal 71 strömendes Kühlmittel. Die Kühlmittelpumpe 74 erzeugt eine Antriebskraft, um ein Kühlmittel im Kühlmittelströmungskanal 71 fließen zu lassen.
Die Steuereinheit 80 besteht aus einem Mikrocomputer und beinhaltet eine CPU, ein ROM, ein RAM sowie Ein- und Ausgänge. Die Steuereinheit 80 steuert die Stromerzeugung bzw. Erzeugung von elektrischer Leistung im Brennstoffzellensystem 100 und steuert das Brennstoffzellenfahrzeug als Ganzes. Die Steuereinheit 80 erfasst Ausgangssignale von Sensoren, die in Komponenteneinheiten des Brennstoffzellenfahrzeugs vorgesehen sind (dazu gehören Sensoren, die in den Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen sind, ein Gaspedalbetätigungssensor, ein Bremspedalsensor, ein Schaltstellungssensor und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor). Die Steuereinheit 80 gibt Steuersignale an die Einheiten aus, die der Erzeugung von elektrischer Leistung, dem Fahren und dergleichen im Brennstoffzellenfahrzeug zugeordnet sind. In dieser Ausführungsform dient die Steuereinheit 80 als „Strömungskanalsteuereinheit“, als „Windgeschwindigkeitsableitungseinheit“, als „Temperaturableitungseinheit“, als „Zurückhalteunterdrückungseinheit“ und als „Temperaturanstiegssteuereinheit“. Die Steuereinheit 80, die die oben genannten Funktionen erfüllt, muss nicht als eine einzige Steuereinheit ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Steuereinheit 80 aus einer Mehrzahl von Steuereinheiten bestehen, wie beispielsweise einer Steuereinheit, die dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zugeordnet ist, einer Steuereinheit, die dem Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs zugeordnet ist, und einer Steuereinheit, die Hilfsmaschinen des Fahrzeugs steuert, die nicht dem Fahren zugeordnet sind, und erforderlichen Informationen können zwischen der Mehrzahl von Steuereinheiten ausgetauscht werden.
In dieser Ausführungsform sind die meisten Komponenteneinheiten bzw. Bestandteile des Brennstoffzellensystems 100 in einem Frontabteil im Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet. Ein Frontabteil ist ein Raum, der vor einem Fahrgastraum und einem Armaturenbrett in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen ist. Insbesondere sind der größte Teil des Brenngassystems 50 mit Ausnahme des Wasserstofftanks 52, der größte Teil des Oxidationsgassystems 30 mit Ausnahme der stromabwärtigen Seite im Oxidationsgasauslasskanal 41, wie beispielsweise der Schalldämpfer 46, und das Kühlsystem 70 im Frontabteil angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 100 ist von einer Außenverkleidung auf der Vorderseite des Fahrzeugs umgeben und befindet sich unterhalb der Haube des Fahrzeugs.
Das Brennstoffzellenfahrzeug, in dem das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform montiert ist, umfasst zusätzlich eine Sekundärbatterie (die nicht dargestellt ist) als Antriebsleistungsquelle. Das Brennstoffzellenfahrzeug kann unter Verwendung der Brennstoffzelle 20 und der Sekundärbatterie als Antriebsleistungsquelle fahren, und kann auch nur unter Verwendung von einem von der Brennstoffzellen 20 und der Sekundärbatterie als Antriebsleistungsquelle fahren.
Konfiguration des Luftverdichters
Im Brennstoffzellensystem 100 wird gemäß dieser Ausführungsform eine Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, unter Verwendung des Luftverdichters 33 erfasst. Die Konfiguration des Luftverdichters 33 wird im Folgenden beschrieben, bevor die Funktionsweise zur Erfassung einer Windgeschwindigkeit beschrieben wird.
2 ist eine Schnittdarstellung, die die Konfiguration des Luftverdichters 33 schematisch veranschaulicht. Der Luftverdichter 33 umfasst eine Welle 120, ein Rotationselement 160, das an der Welle 120 befestigt ist, einen Rotationselementaufnahmeabschnitt 170, der das Rotationselement 160 aufnimmt, einen Motor 190, der das Rotationselement 160 antreibt, und einen Motoraufnahmeabschnitt 150, der den Motor 190 aufnimmt. In dieser Ausführungsform wird ein Flügelrad als rotierendes Element 160 verwendet, wobei jedoch auch eine andere Konfiguration verwendet werden kann. Der Motor 190 beinhaltet einen Solenoid 110, einen Rotor 130 und einen Magneten 140.
Der Motoraufnahmeabschnitt 150 ist teilweise mit einem Öl 155 gefüllt. Das Öl 155 zirkuliert im Motoraufnahmeabschnitt 150 mittels einer Pumpe, die nicht dargestellt ist. Der Luftverdichter 33 umfasst eine Gleitringdichtung 180 mit einem festen Ring 182, der am Motoraufnahmeabschnitt 150 befestigt ist, und einem Drehring 184, der an der Welle 120 befestigt ist, um zu verhindern, dass das Öl 155 vom Motoraufnahmeabschnitt 150 in den Rotationselementaufnahmeabschnitt 170 eindringt. Der Luftverdichter 33 ist ein Turboverdichter und zeichnet sich durch eine gutes Ansprechverhalten aufgrund seines relativ kleinen Trägheitsmoments, einen geringeren Stromverbrauch beim Start der Aktivierung im Vergleich zu anderen Typen von Luftverdichtern und eine hohe Reaktion beim Ändern der Drehzahl aus. Wenn der Luftverdichter 33 stoppt, werden ein stromaufwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals 31, der mit dem Rotationselementaufnahmeabschnitt 170 verbunden ist, und ein stromabwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals 31, der mit dem Rotationselementaufnahmeabschnitt 170 verbunden ist, durch den Rotationselementaufnahmeabschnitt 170 miteinander verbunden.
Ableitung der Windgeschwindigkeit wenn das Brennstoffzellenfahrzeug stoppt
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Systemstopp-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf veranschaulicht, der von der CPU der Steuereinheit 80 durchgeführt wird, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform in einem nicht gestarteten Zustand (Stoppzustand) befinden. Diese Routine wird als Aufwachprozess durchgeführt, der durchgeführt wird, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im Stoppzustand befinden. Das heißt, in der Steuereinheit 80 dieser Ausführungsform wird ein Aufwachtimer eingestellt, wenn ein Zündschalter zur Eingabe eines Befehls für EIN und AUS eines Startzustandes des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgeschaltet wird und das Brennstoffzellensystem 100 in den Stoppzustand versetzt wird. Basierend auf der gemessenen Zeit des Aufwachtimers wird die CPU der Steuereinheit 80 gestartet und führt wiederholt den in 3 dargestellten Systemstopp-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf in Intervallen mit einer vorgegebenen Referenzzeit durch. Bei der Durchführung des Aufwachprozesses ist die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestoppt und damit wird die für die Steuereinheit 80 o.ä. benötigte elektrische Leistung von der Sekundärbatterie zugeführt.
Beim Start dieser Routine gibt die CPU der Steuereinheit 80 ein Antriebssignal an das Bypassventil 35 aus und öffnet das Bypassventil 35 (Schritt S 110). Der Öffnungsgrad des Bypassventils 35 in Schritt S110 kann auf einen vorgegebenen Festwert eingestellt werden und es bevorzugt, dass das Bypassventil 35 hinsichtlich der Vermeidung eines Durchgangswiderstands im Bypass-Strömungskanal 37 vollständig geöffnet wird. Der Oxidationsgaszufuhrkanal 31 und der Oxidationsgasauslasskanal 41 kommunizieren über den Bypass-Strömungskanal 37 durch das Öffnen des Bypassventils 35 miteinander. Wie vorstehend beschrieben ist, kommunizieren ein stromaufwärtiger Abschnitt und ein stromabwärtiger Abschnitt im Oxidationsgaszufuhrkanal 31 über den Rotationselementaufnahmeabschnitt 170 des Luftverdichters 33 im Luftverdichter 33. Dementsprechend strömt, wenn das Brennstoffzellensystem 100 nach Durchführung von Schritt S110 Wind empfängt, Luft mit einer der Windgeschwindigkeit des empfangenen Windes entsprechenden Durchflussmenge in den Luftverdichter 33 und strömt durch den Oxidationsgaszufuhrkanal 31, den Bypass-Strömungskanal 37 und den Oxidationsgasauslasskanal 41. Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Luftverdichter 33 in dieser Ausführungsform im Frontabteil des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet. Wenn Wind in einer Einsatzumgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs weht, strömt der Wind von der Vorderseite in Fahrtrichtung des Fahrzeugs hauptsächlich in das Frontabteil. Dementsprechend empfangen die im Frontabteil angeordneten Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 hauptsächlich Wind von der Vorderseite in Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Durch das Öffnen des Bypassventils 35 in Schritt S110 wird der Luftstrom durch Wind von der Vorderseite in Fahrtrichtung des Fahrzeugs hauptsächlich über den Luftverdichter 33 erzeugt.
In Schritt S110 in dieser Ausführungsform schließt die CPU der Steuereinheit 80 das EIN-AUS-Ventil 44. Dementsprechend strömt die vom Luftverdichter 33 strömende Luft nur in den Bypass-Strömungskanal 37, ohne das Innere der Brennstoffzelle 20 zu durchqueren.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Luftverdichter 33 in dieser Ausführungsform im Frontabteil des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet. Dementsprechend wird in Schritt S 110 dieser Ausführungsform zusätzlich ein Vorgang zum Erhöhen des Öffnungsgrades eines nicht dargestellten Kühlergrillverschlusses (nachfolgend den Wechsel von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand umfassend) durchgeführt. Ein Kühlergrillverschluss ist eine Struktur zum Ändern einer Windmenge, die in das Frontabteil strömt (z.B. Fahrtwind), und ist unterhalb einer vorderen Stoßstange einer Fahrzeugkarosserie angeordnet. Durch die Erhöhung des Öffnungsgrades des Kühlergrillverschlusses ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge des in das Frontabteil strömenden Windes zu erhöhen. Durch die Erhöhung des Öffnungsgrades des Kühlergrillverschlusses und die Erhöhung der Windmenge, die in das Frontabteil strömt, kann die Luft leichter in den Luftverdichter 33 strömen.
Nach Schritt S110 misst die CPU der Steuereinheit 80 eine Luftdurchflussmenge, die über den Luftverdichter 33 zum Oxidationsgaszufuhrkanal 31 strömt, indem sie ein Erfassungssignal vom Luftmassenmesser 95 erfasst (Schritt S 120). In dieser Ausführungsform wird der dem Luftverdichter 33 vorgeschaltete Luftmassenmesser 95 verwendet, um eine Luftdurchflussmenge zu messen, die über den Luftverdichter 33 strömt, wobei auch eine andere Konfiguration verwendet werden kann. Wenn beispielsweise ein Strömungssensor im Bypass-Strömungskanal 37 oder im Oxidationsgasauslasskanal 41 vorgesehen ist, kann der Strömungssensor verwendet werden. Wenn ein Strömungssensor zum Zeitpunkt der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 20 eine Luftdurchflussmenge messen kann, die über den Luftverdichter 33 in den Oxidationsgaszufuhrkanal 31 strömt, kann der Strömungssensor wie der Luftmassenmesser 95 verwendet werden. Nach Schritt S120 erfasst die CPU der Steuereinheit 80 eine Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, unter Verwendung der in Schritt S120 (Schritt S130) gemessenen Luftmenge, und beendet dann diese Routine.
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem erfassten Wert (einem Sensorwert) des Luftmassenmessers 95 und einer Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 im Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dieser Ausführungsform empfangen wird, veranschaulicht. In dieser Ausführungsform wird der Sensorwert experimentell im Voraus durch Festlegen von Bedingungen des Brennstoffzellenfahrzeugs (z.B. einschließlich eines Öffnungsgrades des Bypassventils 35 und eines Öffnungsgrades des Kühlergrillverschlusses) und Aussetzen des Brennstoffzellenfahrzeugs an die Luft bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten erfasst. Eine Annäherungskurve (mit einer Näherungsgeraden) AL, die eine Beziehung zwischen dem Sensorwert und der Windgeschwindigkeit anzeigt, wird basierend auf den erfassten Messergebnissen erstellt und in einem Speicher (auch als Speichereinheit bezeichnet) der Steuereinheit 80 gespeichert. In 4 werden aufgetragene Messwerte der Sensorwerte in Bezug auf die Windgeschwindigkeiten und ein Beispiel für eine Näherungsgeraden dargestellt, die den Zusammenhang zwischen den Sensorwerten und den Windgeschwindigkeiten anzeigt. In Schritt S130 wird die Windgeschwindigkeit des vom Brennstoffzellensystem 100 empfangenen Windes basierend auf den in Schritt S120 gemessenen Sensorwerten Bezug nehmend auf die Annäherungskurve (einschließlich der Näherungsgeraden) AL erfasst bzw. ermittelt oder bestimmt. Wie in 4 dargestellt ist, wird bei der Ermittlung des Verhältnisses zwischen den Windgeschwindigkeiten und den Sensorwerten die Windgeschwindigkeit im Frontabteil, in dem das Brennstoffzellensystem 100 installiert ist, vorzugsweise als die Windgeschwindigkeit anstelle der Windgeschwindigkeit des auf das Brennstoffzellenfahrzeug aufgebrachten Windes verwendet. In diesem Fall kann für die Erfassung der Beziehung ein Windmesser im Frontabteil installiert werden.
In dieser Ausführungsform kehrt die CPU der Steuereinheit 80 in einen Stoppzustand zurück, nachdem sie die Windgeschwindigkeit in Schritt S130 erfasst und diese Routine beendet hat, wird wieder gestartet, wenn eine vom Aufwachtimer gemessene verstrichene Zeit danach eine vorgegebene Referenzzeit erreicht und führt den Systemstopp-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf erneut aus.
Bei dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform mit der oben genannten Konfiguration kann die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, erfasst werden, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im nicht gestarteten Zustand befinden, indem eine Luftdurchflussmenge erfasst wird, die vom Oxidationsgaszufuhrkanal 31 zum Oxidationsgasauslasskanal 41 über den Luftverdichter 33 und den Bypass-Strömungskanal 37 strömt, wenn der Luftverdichter 33 stoppt. Dementsprechend ist es möglich, die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, zu erfassen, ohne die Struktur durch einen separaten Windgeschwindigkeitssensor zu verkomplizieren. Insbesondere ist es mit dieser Ausführungsform möglich, da der Luftmassenmesser 95 zum Messen einer Luftdurchflussmenge zum Zeitpunkt der Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 zum Messen einer Luftdurchflussmenge zum Zeitpunkt des Stillstands des Luftverdichters 33 verwendet wird, eine Verkomplizierung der Struktur durch die Messung einer Luftdurchflussmenge zu unterdrücken.
In Schritt S110 dieser Ausführungsform wird das Bypassventil 35 geöffnet und das EIN-AUS-Ventil 44 geschlossen, aber das EIN-AUS-Ventil 44 braucht nicht geschlossen werden. Bei Erfassung einer Windgeschwindigkeit kann ein Teil der über den Luftverdichter 33 strömenden Luft durch Öffnen des EIN-AUS-Ventils 44 zum kathodenseitigen Strömungskanal in der Brennstoffzelle 20 geleitet werden. Hier kann, wenn flüssiges Wasser oder dergleichen im kathodenseitigen Strömungskanal in der Brennstoffzelle 20 verbleibt, ein Druckverlust bei Luftströmungen im kathodenseitigen Strömungskanal ansteigen, und die Durchflussmenge der über den Luftverdichter 33 strömenden Luft kann sich ändern. Hinsichtlich der Verbesserung der Genauigkeit zur Erfassung einer Windgeschwindigkeit ist es daher vorzuziehen, dass das EIN-AUS-Ventil 44 in Schritt S110 geschlossen wird.
Ableitung der Windgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Fahrens
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Systemstart-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf veranschaulicht, der von der CPU der Steuereinheit 80 durchgeführt wird, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform in einem gestarteten Zustand befinden. Diese Routine wird wiederholt ausgeführt, nachdem ein Zündschalter zur Eingabe eines Befehls für EIN und AUS eines Startzustands des Brennstoffzellenfahrzeugs eingeschaltet wurde.
Beim Start dieser Routine bestimmt die CPU der Steuereinheit 80, ob die Brennstoffzelle 20 die Stromerzeugung bzw. Erzeugung von elektrischer Leistung stoppt (Schritt S 100). Ob die Brennstoffzelle 20 die Erzeugung von elektrischer Leistung stoppt, kann beispielsweise anhand eines Erfassungssignals eines Stromsensors oder eines Spannungssensors bestimmt werden, der in einem Kabel zur Verbindung der Brennstoffzelle 20 mit einem Antriebsmotor (nicht dargestellt) oder der Sekundärbatterie im Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet ist. Beispiele für den Fall, in dem die Brennstoffzelle 20 die Erzeugung von elektrischer Leistung stoppt, umfassen einen Fall, in dem das Brennstoffzellenfahrzeug vorübergehend stoppt, und einen Fall, in dem das Brennstoffzellenfahrzeug nur mit der im Brennstoffzellenfahrzeug montierten Sekundärbatterie als Antriebsleistungsquelle fährt.
Wenn die Brennstoffzelle 20 elektrische Leistung erzeugt (NEIN in Schritt S100), bestimmt die CPU der Steuereinheit 80, ob die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt werden soll (Schritt S102). Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug fährt und beispielsweise ein Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie gleich oder größer als ein Referenzwert ist, bei dem bestimmt werden kann, dass das Brennstoffzellenfahrzeug mit der Sekundärbatterie als alleinige Antriebsleistungsquelle fahren kann, wird bestimmt, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt werden soll. Wenn die Sekundärbatterie mit der Brennstoffzelle 20 geladen wird, kann bestimmt werden, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 erst gestoppt werden soll, wenn der SOC der Sekundärbatterie einen vorgegebenen Referenzwert erreicht hat. Alternativ kann, wenn ein bestimmter Prozess mit Priorität durch die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 durchgeführt wird, bestimmt werden, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 nicht gestoppt werden darf.
Wenn in Schritt S102 bestimmt wird, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 nicht gestoppt werden soll (NEIN in Schritt S 102), beendet die CPU der Steuereinheit 80 diese Routine. Wenn in Schritt S102 bestimmt wird, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt werden soll (JA in Schritt S 102), stoppt die CPU der Steuereinheit 80 die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 (Schritt S 104). Dadurch wird auch der Luftverdichter 33 gestoppt.
Nachdem die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 in Schritt S104 gestoppt wurde oder nachdem in Schritt S100 bestimmt wurde, dass die Brennstoffzelle 20 die Erzeugung von elektrischer Leistung stoppt (JA in Schritt S100), führt die CPU der Steuereinheit 80 die gleichen Schritte S110 bis S130 durch wie bei dem in 3 dargestellten Systemstopp-Windgeschwindigkeitsableitungsprozessablauf und beendet dann diese Routine. Dementsprechend wird die Windgeschwindigkeit des Windes erfasst, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im gestarteten Zustand befinden.
Mit dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform mit der oben genannten Konfiguration kann die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im gestarteten Zustand befinden, durch Erfassen der Luftdurchflussmenge abgeleitet werden, die vom Oxidationsgaszufuhrkanal 31 zum Oxidationsgasauslasskanal 41 über den Luftverdichter 33 und den Bypass-Strömungskanal 37 beim Anhalten des Luftverdichters 33 strömt. Dementsprechend ist es möglich, eine Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, ohne die Struktur durch einen separaten Windgeschwindigkeitssensor zu verkomplizieren.
Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug fährt, z.B. wenn das Brennstoffzellenfahrzeug nur mit der Sekundärbatterie als Antriebsleistungsquelle fährt, hat die wie vorstehend beschrieben abgeleitete Windgeschwindigkeit einen Wert, der durch Summieren einer Windgeschwindigkeit des Windes, der in einer Umgebung, in der das Brennstoffzellenfahrzeug fährt, bläst (im Folgenden auch als Umweltwindgeschwindigkeit bezeichnet), und einer Windgeschwindigkeit des Fahrwindes, die durch das Fahren des Fahrzeugs verursacht wird, ermittelt wird.
E. Verfahren zum Ableiten von Temperaturen von Komponenten und Unterdrücken der Rückhaltung von flüssigem Wasser im Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Windgeschwindigkeit
Im Brennstoffzellensystem 100 gemäß dieser Ausführungsform werden Temperaturen von Bestandteilen bzw. Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 gemessen. Wenn für jede der Komponenteneinheiten wie Vorrichtungen, Komponenten und Rohre, von denen eine Temperatur gemessen werden soll, ein Temperatursensor vorgesehen ist, steigt die Anzahl der Komponenten, die Struktur wird kompliziert und die Kosten steigen. Dementsprechend werden in dieser Ausführungsform die Temperaturen der einzelnen Komponenteneinheiten unter Verwendung eines Wertes einer Außenlufttemperatur ermittelt, der von dem im Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehenen Außenlufttemperatursensor 36 erfasst wird.
Im Brennstoffzellensystem 100 werden verschiedene Steuerungen unter Verwendung der wie vorstehend beschrieben erfassten Temperaturen der Komponenteneinheiten durchgeführt. In der folgenden Beschreibung werden im Folgenden ein Verfahren zum Ableiten einer Temperatur einer Komponenteneinheit und ein Verfahren zum Unterdrücken der Zurückhaltung von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit als Beispiel für die Steuerung unter Verwendung der Temperatur der Komponenteneinheit beschrieben.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Flüssigwasser-Zurückhalteunterdrückungsprozessablauf veranschaulicht, der von der CPU der Steuereinheit 80 ausgeführt wird. Diese Routine wird wiederholt durchgeführt, nachdem der Zündschalter des Brennstoffzellenfahrzeugs eingeschaltet wurde. Wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im Stoppzustand befinden und der Aufwachvorgang durchgeführt wird, wird diese Routine zusammen mit dem Prozess zum Ableiten einer Windgeschwindigkeit durchgeführt.
Beim Start dieser Routine erfasst die CPU der Steuereinheit 80 eine Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird (Schritt S200). In dieser Ausführungsform wird die abgeleitete Windgeschwindigkeit, wenn die Windgeschwindigkeit durch den in den 3 und 5 dargestellten Windgeschwindigkeitsableitungsprozess abgeleitet wird, vorübergehend in einem Speicher der Steuereinheit 80 gespeichert. In Schritt S200 ruft die CPU der Steuereinheit 80 die letzte Windgeschwindigkeit aus dem Speicher ab, die mit dem in den 3 und 5 dargestellten Windgeschwindigkeitsableitungsprozess abgeleitet wurde. Danach leitet die CPU der Steuereinheit 80 aus der in Schritt S200 (Schritt S210) erfassten Windgeschwindigkeit die Temperaturen der Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 ab. Der in Schritt S210 durchgeführte Vorgang zur Ableitung der Temperaturen der Komponenteneinheiten aus der Windgeschwindigkeit wird im Folgenden beschrieben.
Wenn beispielsweise eine bestimmte Zeit vergeht, nachdem das Brennstoffzellensystem 100 gestoppt ist, sind die Temperaturen der Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 nahezu gleich der Umgebungstemperatur (die vom Außenlufttemperatursensor 36 erfasste Temperatur). Danach gibt, wenn das Brennstoffzellensystem 100 gestartet und die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 20 gestartet wird, die Brennstoffzelle 20 Wärme ab, wodurch die Temperaturen steigen. Mit diesem Temperaturanstieg steigen die Temperaturen der um die Brennstoffzelle 20 herum angeordneten Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 durch die Wärmeübertragung von der als Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle 20. Eine steigende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_U jeder Komponenteneinheit aufgrund der Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle 20 kann durch Gleichung (1) ausgedrückt werden. $\begin{array}{l} Δ Τ_{U} = Wärmeaufnahmekoeffizient \times (Brennstoffzellentemperatur - Temperatur der \\ Komponenteneinheit) \end{array}$
In Gleichung (1) kann die Brennstoffzellentemperatur als Temperatur eines Kühlmittels erfasst werden, das im Kühlmittelströmungskanal 71 des Kühlsystems 70 fließt, wenn die Brennstoffzelle 20 elektrische Leistung erzeugt. Wenn die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 stoppt, kann die Brennstoffzellentemperatur berechnet werden, indem ein Temperaturabfall integriert wird, der von einer fallenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D aufgrund der Wärmeabgabe abgeleitet wird, wobei die Temperatur der Brennstoffzelle 20 (die Kühlmitteltemperatur), wenn die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt wird, als Anfangswert verwendet wird. Die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D wird später beschrieben. In Gleichung (1) kann eine Temperatur einer Komponenteneinheit auf die Temperatur der Komponenteneinheit eingestellt werden, die in einem vorherigen Zyklus von den Zyklen erfasst wurde, in denen der Vorgang zum Erfassen der Temperatur der Komponenteneinheit wiederholt wird. Der Wärmeaufnahmekoeffizient ist ein Wert, der hauptsächlich (1) durch die Brennstoffzellentemperatur, eine Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Temperatur der Komponenteneinheit, und eine Wärmekapazität eines Elements bestimmt wird, das einen Weg bildet, über den Wärme von der Brennstoffzelle auf die Komponenteneinheit übertragen wird. So kann beispielsweise der Wärmeaufnahmekoeffizient für jede Komponenteneinheit experimentell im Voraus bestimmt und im Speicher der Steuereinheit 80 als Kennfeld mit der Brennstoffzellentemperatur und der Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Temperatur der Komponenteneinheit als Parameter gespeichert werden.
Die Temperatur einer jeden Komponenteneinheit steigt aufgrund der Wärmeübertragung und sinkt aufgrund der Wärmeabgabe, wie vorstehend beschrieben. Die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D jeder einzelnen Komponenteneinheit aufgrund der Wärmeabgabe kann durch Gleichung (2) ausgedrückt werden. $\begin{array}{l} Δ Τ_{D} = Wärmeverlust - Koeffizient \times (Temperatur der Komponenteneinheit - Außen- \\ lufttemperatur) \end{array}$
In Gleichung (2) ist die Temperatur der Komponenteneinheit die gleiche wie in Gleichung (1). Die Außenlufttemperatur ist eine Temperatur, die vom Außenlufttemperatursensor 36 erfasst wird. Der Wärmeverlust-Koeffizient ist ein Wert, der hauptsächlich durch die Temperatur der Komponenteneinheit und eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Komponenteneinheit und der Außenlufttemperatur bestimmt wird. Die Temperatur der Komponenteneinheit sinkt stärker, wenn die Komponenteneinheit (das Brennstoffzellensystem 100) Wind empfängt. Dementsprechend wird in dieser Ausführungsform der Wärmeverlust-Koeffizient unter zusätzlicher Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit des Windes eingestellt, der von der Komponenteneinheit (dem Brennstoffzellensystem 100) empfangen wird. So kann beispielsweise der Wärmeverlust-Koeffizient für jede Komponenteneinheit experimentell im Voraus erfasst und als Kennfeld mit der Temperatur der Komponenteneinheit, der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Komponenteneinheit und der Außenlufttemperatur und der Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, als Pa-(2) rameter im Speicher der Steuereinheit 80 gespeichert werden. Wenn die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D einer Komponenteneinheit ermittelt wird, wird ein Wert, der unter Verwendung einer Luftdurchflussmenge erfasst wird, die über den Luftverdichter 33 strömt, wenn die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt wird, als Windgeschwindigkeit des Windes verwendet, der wie oben beschrieben vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird.
Die Temperatur einer Komponenteneinheit steigt oder fällt in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der steigenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_U und der fallenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D. Das heißt, die Differenz zwischen der steigenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_U und der fallenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D ist eine Änderungsrate der Temperatur der Komponenteneinheit. Dementsprechend ist es in Schritt S210 möglich, durch Hinzufügen der Änderungsrate der Temperatur und einer Temperaturänderung, die aus der Zykluszeit des Temperaturableitungsprozesses abgeleitet wird, zur im vorherigen Zyklus erfassten Temperatur der Komponenteneinheit, und Wiederholen des Vorgangs zum Berechnen der aktuellen Temperatur bzw. Ist-Temperatur der Komponenteneinheit die Temperatur der Komponenteneinheit über die Zeit zu berechnen, ohne einen Temperatursensor in der Komponenteneinheit bereitzustellen.
Nachdem die Temperatur der Komponenteneinheit in Schritt S210 abgeleitet wurde, vergleicht die CPU der Steuereinheit 80 die abgeleitete Temperatur der Komponenteneinheit mit einer Referenztemperatur, die im Voraus eingestellt und im Speicher der Steuereinheit 80 (Schritt S220) gespeichert wird. Die Referenztemperatur wird als Referenz zum Bestimmen, ob für jede Komponenteneinheit ein später beschriebener Flüssigwasser-Zurückhalteunterdrückungsprozess durchzuführen ist, bestimmt.
Wenn in Schritt S220 bestimmt wird, dass die Temperatur der Komponenteneinheit gleich oder niedriger als der Referenzwert (JA in Schritt S220) ist, führt die CPU der Steuereinheit 80 einen Zurückhalteunterdrückungsprozess zum Unterdrücken einer Zurückhaltung bzw. Speicherung von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit durch (Schritt S230) und beendet dann diese Routine. Wenn in Schritt S220 bestimmt wird, dass die Temperatur der Komponenteneinheit höher ist als der Referenzwert (NEIN in Schritt S220), führt die CPU der Steuereinheit 80 den Zurückhalteunterdrückungsprozess nicht durch, sondern beendet diese Routine. In der folgenden Beschreibung wird der Zurückhalteunterdrückungsprozess beschrieben, der für jede Komponenteneinheit durchgeführt wird.
Wenn die Komponenteneinheit die Brennstoffzelle 20 ist, kann die Temperatur der Brennstoffzelle 20 nach dem Stoppen der Stromerzeugung berechnet werden, indem ein Temperaturabfall, der von der fallenden Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D erhalten wird, unter Verwendung der Temperatur der Brennstoffzelle 20, wenn die Stromerzeugung gestoppt wird, als Anfangswert integriert wird, wie oben beschrieben. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als eine vorgegebene Referenztemperatur ist, wird ein Spülvorgang als Zurückhalteunterdrückungsprozess durchgeführt. Insbesondere kann die CPU der Steuereinheit 80 beispielsweise die Rohre eines Oxidationsgases spülen und Feuchtigkeit in den Rohren entfernen, indem sie den Luftverdichter 33 antreibt. Alternativ kann die CPU der Steuereinheit 80 die Rohre eines Brenngases spülen und Feuchtigkeit in den Rohren entfernen, indem sie den Injektor 55 oder die Brenngaspumpe 64 antreibt. Durch die Durchführung eines solchen Spülvorgangs ist es möglich, eine Zurückhaltung von flüssigem Wasser in einem Gasströmungskanal in der Brennstoffzelle 20 zu unterdrücken und eine Kondensation oder ein Gefrieren im Gasströmungskanal zu unterdrücken.
Wenn die Komponenteneinheit die Brenngaspumpe 64 ist und die Temperatur der Brenngaspumpe 64 gleich oder niedriger als eine vorgegebene Referenztemperatur ist, ist es möglich, eine Zurückhaltung bzw. Speicherung von flüssigem Wasser in der Brenngaspumpe 64 zu unterdrücken und eine Kondensation oder ein Gefrieren durch Antreiben der Brenngaspumpe 64 zu unterdrücken.
Alternativ kann die CPU der Steuereinheit 80, wenn die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 gestoppt wird und die Temperatur einer Komponenteneinheit gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur wird, die Komponenteneinheit erwärmen, indem sie vorübergehend die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 durchführt. Wenn die Komponenteneinheit wie die Brennstoffzelle 20, die Brennstoffgaspumpe 64 oder ein mit der Brennstoffzelle 20 verbundenes Fluidrohr von der Wärmeabgabe der Brennstoffzelle 20 beeinflusst wird, ist es möglich, die Temperatur der Komponenteneinheit zu erhöhen, indem die Brennstoffzelle 20 veranlasst wird, Wärme abzugeben.
Wenn die Komponenteneinheit von der Brennstoffzelle 20 getrennt ist, ist die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D größer als die steigende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_U während der Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20, z.B. während der Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs, und somit kann die Temperatur der Komponenteneinheit gleich oder niedriger als die Referenztemperatur sein. In diesem Fall kann die Komponenteneinheit durch vorübergehende Erhöhung der von der Brennstoffzelle 20 abgegebenen Wärmemenge erwärmt werden. Die CPU der Steuereinheit 80 kann durch Schließen des Kühlergrillverschlusses eine Wärmeisolierung der im Frontabteil angeordneten Komponenteneinheit erreichen. Auf diese Weise ist es möglich, durch Erwärmung der Komponenteneinheit oder durch Wärmeisolierung ein Zurückhalten von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit zu unterdrücken und die Kondensation oder das Gefrieren in der Komponenteneinheit zu unterdrücken.
Da im Brennstoffzellensystem 100 dieser Ausführungsform mit der oben genannten Konfiguration die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D einer Komponenteneinheit unter Verwendung der Windgeschwindigkeit des vom Brennstoffzellensystem 100 empfangenen Windes ermittelt wird und die Temperatur der Komponenteneinheit berechnet wird, ist es möglich, die Temperatur einer Komponenteneinheit genau abzuleiten, ohne die Struktur zu verkomplizieren. Da unter Verwendung der abgeleiteten Temperatur der Komponenteneinheit bestimmt wird, wenn der Zurückhalteunterdrückungsprozess ausgeführt werden muss, ist es möglich, den Zurückhalteunterdrückungsprozess in geeigneter Weise durchzuführen, ohne die Struktur des Brennstoffzellensystems 100 zu verkomplizieren.
Wenn der Prozess zum Berechnen einer Temperatur einer Komponenteneinheit während der Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs kontinuierlich durchgeführt wird, kann ein Zustand beibehalten werden, in dem die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 20 nicht gestoppt werden soll, und somit kann in Schritt S102 ein Zustand, in dem keine Windgeschwindigkeit abgeleitet werden soll, beibehalten werden. In diesem Fall kann die fallende Temperatur pro Zeiteinheit ΔT_D berechnet werden und die Temperatur der Komponenteneinheit kann unter Verwendung des letzten Wertes der Windgeschwindigkeit berechnet werden, die durch den vorherigen Systemstart-Windgeschwindigkeitsableitungsprozess erfasst wurde, bis die Windgeschwindigkeit das nächste Mal abgeleitet werden kann. Der Überblick über die spezifische Funktionsweise ist wie folgt.
Das heißt, während das Brennstoffzellenfahrzeug fährt, hat die in Schritt S130 abgeleitete Windgeschwindigkeit einen Wert, der durch Addition der Umgebungswindgeschwindigkeit und einer Windgeschwindigkeit des Fahrtwindes aufgrund des Fahrens des Fahrzeugs ermittelt wird. Die Windgeschwindigkeit des Fahrtwindes kann unter Verwendung einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs erfasst werden. Insbesondere kann eine Beziehung zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs und der Windgeschwindigkeit des Fahrtwindes aufgrund des Fahrens (die Fahrzeuggeschwindigkeit) experimentell erfasst und im Voraus in der Steuereinheit 80 gespeichert werden. Die Umgebungswindgeschwindigkeit kann durch Erfassen der Ist- Windgeschwindigkeit des Fahrtwindes unter Verwendung der Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit unter Bezugnahme auf die Beziehung und Subtrahieren der erfassten Windgeschwindigkeit von der in Schritt S130 erfassten Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Danach kann, wenn die Windgeschwindigkeit in Schritt S130 nicht neu erfasst wird, die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, auf einen Wert eingestellt werden, der durch Addition der Umgebungswindgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit des Fahrtwindes, die anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt erfasst wird, erhalten wird.
Wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug und das Brennstoffzellensystem 100 im Stoppzustand befinden, wird die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, durch den oben genannten Aufwachprozess abgeleitet, und die Temperaturen der Komponenteneinheiten werden abgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn beispielsweise der Ladezustand (SOC) der im Brennstoffzellenfahrzeug montierten Sekundärbatterie nicht ausreicht, der Aufwachvorgang möglicherweise nicht durchgeführt werden. In diesem Fall können die Temperaturen der Komponenteneinheiten unter Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit nicht abgeleitet werden, so dass es schwierig ist, den Prozess zur Unterdrückung einer Zurückhaltung von flüssigem Wasser in den Komponenteneinheiten basierend auf den abgeleiteten Temperaturen durchzuführen. In diesem Fall kann ein vorgegebener Ausfallsicherungs-Prozess durchgeführt werden. Insbesondere kann zu einem Zeitpunkt, zu dem eine Zurückhaltung von flüssigem Wasser in den Komponenteneinheiten auch unter strengsten, vorhersehbaren Bedingungen unterdrückt werden kann, ein Prozess wie der oben genannte Spülvorgang durchgeführt werden.
Beispiel für eine andere die Windgeschwindigkeit nutzende Steuerung
Ein anderer Prozess als der Prozess zum Ableiten der Temperaturen der Komponenteneinheiten des Brennstoffzellensystems 100 kann unter Verwendung der in Schritt S130 erfassten Windgeschwindigkeit durchgeführt werden. Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise Wind von vorne in Fahrtrichtung empfängt, wird ein Fahrwiderstand erzeugt. Dementsprechend kann, wenn eine Beziehung zwischen der in Schritt S130 erfassten Windgeschwindigkeit und dem im Brennstoffzellenfahrzeug erzeugten Fahrwiderstand im Voraus ermittelt wird, der im Brennstoffzellenfahrzeug erzeugte Fahrwiderstand unter Verwendung der in Schritt S130 erfassten Windgeschwindigkeit abgeleitet werden. In diesem Fall kann, wenn eine erforderliche Menge an erzeugter Leistung für die Brennstoffzelle 20 basierend auf einem Gaspedalbetätigungsbetrag eingestellt wird, die erforderliche Menge an erzeugter Leistung so korrigiert werden, dass die erforderliche Menge an erzeugter Leistung zunimmt, wenn der abgeleitete Fahrwiderstand zunimmt. Dementsprechend ist es möglich, eine Steuerung durchzuführen, um ein Beschleunigungsgefühl zu erhalten, das dem Gaspedalbetätigungsbetrag entspricht.
Im Brennstoffzellensystem 100 wird durch Öffnen des Spülventils 66 eine Antriebsmenge des Luftverdichters 33 erhöht, wenn Gas mit Wasser und Wasserstoff aus dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62 ausgetragen wird. Dementsprechend wird, da eine Durchflussmenge des Oxidationsgases im Oxidationsgasauslasskanal 41 ansteigt, der über das Spülventil 66 ausgetragene Wasserstoff leichter verdünnt. Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, steigt, der über das Spülventil 66 abgegebene Wasserstoff leichter verdünnt. Dementsprechend ist es möglich, wenn die in Schritt S130 erfasste Windgeschwindigkeit gleich oder höher als ein vorgegebener Referenzwert ist, eine Regelung durchzuführen, bei der ein Grad der Erhöhung der Antriebsleistung des Luftverdichters 33 beim Öffnen des Spülventils 66 verringert wird.
Andere Ausführungsformen
Bei der oben genannten Ausführungsform wird ein in 2 dargestellter sogenannter Turboverdichter als Luftverdichter 33 verwendet, wobei jedoch auch andere Konfigurationen verwendet werden können. Der Luftverdichter ist nicht besonders begrenzt, solange ein Einlass und ein Auslass des Luftverdichters nicht Luftdichtheit sind, ein stromaufwärtiger Teil und ein stromabwärtiger Teil des mit dem Luftverdichter verbundenen Oxidationsgaszufuhrkanals bei Stillstand des Luftverdichters miteinander kommunizieren und eine der Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, entsprechende Luftdurchflussmenge darin strömen kann. Der Luftverdichter kann beispielsweise anstelle des Turboverdichters ein Kolbenverdichter sein und ein Kolbenverdichter kann auf die gleiche Weise verwendet werden, solange er nicht luftdicht ist.
In der oben genannten Ausführungsform wird, wie in 4 dargestellt, eine Beziehung zwischen einer Durchflussmenge der Luft, die über den Luftverdichter 33 und den Bypass-Strömungskanal 37 beim Anhalten des Luftverdichters 33 strömt, und der Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, im Voraus gespeichert und die Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, wird unter Verwendung der Beziehung abgeleitet, wobei jedoch andere Konfigurationen verwendet werden können. So kann beispielsweise die Windgeschwindigkeit abgeleitet werden, indem ein Intensitätsniveau der Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem 100 empfangen wird, Schritt für Schritt unter Verwendung eines erfassten Wertes von einem Strömungssensor (dem Luftmassenmesser 95) bestimmt wird. Abhängig von der Intensität der abgeleiteten Windgeschwindigkeit kann beispielsweise eine Korrektur der erforderlichen Menge an erzeugter Leistung während der Fahrt des Fahrzeugs oder eine Korrektur der Antriebsleistung des Luftverdichters 33 bei geöffnetem Spülventil 66 durchgeführt werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann als Antriebsleistungsquelle eines anderen beweglichen Objekts, das kein Fahrzeug ist, zusätzlich zu einer Antriebsleistungsquelle eines Fahrzeugs verwendet werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 100 auch ein stationärer Stromerzeuger sein. Selbst wenn beispielsweise ein stationärer Stromerzeuger Wind empfängt, steigt ein Grad der Temperaturabnahme jeder Komponenteneinheit an, so dass die gleiche Steuerung bzw. Regelung der Temperaturen der Komponenteneinheiten durchgeführt werden kann. Alternativ kann die Steuerung zur Erhöhung der Antriebsleistung des Luftverdichters 33 bei geöffnetem Spülventil 66 auf die gleiche Weise durchgeführt werden. Im Gegensatz zu dem in der Ausführungsform beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 kann das Brennstoffzellensystem stark von Wind beeinflusst werden, der in eine andere Richtung als eine bestimmte Richtung weht, wie beispielsweise eine Richtung von vorne in Fahrtrichtung des Fahrzeugs. In diesem Fall kann der Wind in verschiedene Richtungen in den Oxidationsgaszufuhrkanal 31 einströmen, z.B. abhängig von der Form einer Einlassöffnung des Oxidationsgaszufuhrkanals 31 oder dergleichen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann in verschiedenen Formen dargestellt werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise technische Merkmale der in der KURZFASSUNG DER ERFINDUNG beschriebenen Aspekte in geeigneter Weise ausgetauscht oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben genannten Aufgaben zu lösen oder einen Teil oder alle oben genannten Vorteile zu erzielen. Die technischen Merkmale können entsprechend weggelassen werden, solange sie in dieser Spezifikation nicht als wesentlich beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007 [0002]
JP 157432 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); einen Oxidationsgaszufuhrkanal (31), der mit der Brennstoffzelle (20) verbunden ist und in dem die der Brennstoffzelle (20) zugeführte Luft strömt; einen Oxidationsgasauslasskanal (41), der mit der Brennstoffzelle (20) verbunden ist und in dem ein Oxidationsgas-Abgas, das aus der Brennstoffzelle (20) ausgegeben wird, strömt; einen Verdichter (33), der im Oxidationsgaszufuhrkanal (31) angeordnet ist und konfiguriert ist, um Luft an die Brennstoffzelle (20) auszugeben, wobei ein stromaufwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals (31) und ein stromabwärtiger Abschnitt des Oxidationsgaszufuhrkanals (31) über den Verdichter (33) miteinander verbunden sind, wenn der Verdichter (33) stoppt, wobei der stromaufwärtige Abschnitt stromaufwärts vom Verdichter (33) liegt und der stromabwärtige Abschnitt stromabwärts vom Verdichter (33) liegt; einen Bypass-Strömungskanal (37), der einen Abschnitt stromabwärts von einer Position, an der der Verdichter (33) im Oxidationsgaszufuhrkanal (31) angeordnet ist, mit dem Oxidationsgasauslasskanal (41) verbindet; einen Strömungssensor (95), der konfiguriert ist, um eine Ist-Luftdurchflussmenge zu messen, die über den Verdichter (33) in den Oxidationsgaszufuhrkanal (31) eingeleitet wird, wenn die Brennstoffzelle (20) elektrische Leistung erzeugt; und eine Windgeschwindigkeitsableitungseinheit (80), die konfiguriert ist, um die gemessene Ist-Luftdurchflussmenge in einem Zustand zu erfassen, in dem Luft von dem Oxidationsgaszufuhrkanal (31) zu dem Oxidationsgasauslasskanal (41) über den Verdichter (33) und den Bypass-Strömungskanal (37) strömt, und um eine Ist-Windgeschwindigkeit des Windes abzuleiten, der von dem Brennstoffzellensystem empfangen wird, wenn der Verdichter (33) stoppt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Speichereinheit, die im Voraus eine Beziehung zwischen einer Luftdurchflussmenge, die vom Oxidationsgaszufuhrkanal (31) zum Oxidationsgasauslasskanal (41) über den Verdichter (33) und den Bypass-Strömungskanal (37) strömt, wenn der Verdichter (33) stoppt, und einer Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, speichert, wobei die Windgeschwindigkeitsableitungseinheit (80) konfiguriert ist, um die Ist-Windgeschwindigkeit des Windes, der von dem Brennstoffzellensystem empfangen wird, unter Verwendung der erfassten gemessenen Ist-Luftdurchflussmenge und der gespeicherten Beziehung abzuleiten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Temperaturableitungseinheit (80), die konfiguriert ist, um eine Temperatur einer Komponenteneinheit des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der abgeleiteten Ist-Windgeschwindigkeit abzuleiten; und eine Zurückhalteunterdrückungseinheit (80), die konfiguriert ist, um einen Prozess zum Unterdrücken einer Zurückhaltung von flüssigem Wasser in der Komponenteneinheit unter Verwendung der abgeleiteten Temperatur der Komponenteneinheit durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Komponenteneinheit die Brennstoffzelle (20) umfasst, die Temperaturableitungseinheit (80) konfiguriert ist, um eine Temperatur der Brennstoffzelle (20) abzuleiten, und die Zurückhalteunterdrückungseinheit konfiguriert ist, um den Oxidationsgaszufuhrkanal (31) und den Oxidationsgasauslasskanal (41) durch Antreiben des Verdichters (33) zu spülen, wenn die abgeleitete Temperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, ferner aufweisend: einen Brenngaszufuhrkanal (51), in dem ein der Brennstoffzelle (20) zugeführtes Brenngas strömt; einen Brenngasauslasskanal (61), in dem ein von der Brennstoffzelle (20) ausgegebenes Brenngas strömt; einen Brenngaszirkulationskanal (63), der mit dem Brenngaszufuhrkanal (51) und dem Brenngasauslasskanal (61) verbunden ist; einen Injektor (55), der im Brenngaszufuhrkanal (51) angeordnet ist; und eine Brenngaspumpe (64), die im Brenngaszirkulationskanal (63) angeordnet ist, wobei die Komponenteneinheit die Brennstoffzelle (20) umfasst, die Temperaturableitungseinheit (80) konfiguriert ist, um eine Temperatur der Brennstoffzelle (20) abzuleiten, und die Zurückhalteunterdrückungseinheit konfiguriert ist, um den Brenngaszufuhrkanal (51), den Brenngasauslasskanal (61) und den Brenngaszirkulationskanal (63) durch Antreiben des Injektors (55) und der Brenngaspumpe (64) zu spülen, wenn die abgeleitete Temperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, ferner aufweisend: einen Brenngaszufuhrkanal (51), in dem ein der Brennstoffzelle (20) zugeführtes Brenngas strömt; einen Brenngasauslasskanal (61), in dem ein von der Brennstoffzelle (20) ausgegebenes Brenngas strömt; einen Brenngaszirkulationskanal (63), der mit dem Brenngaszufuhrkanal (51) und dem Brenngasauslasskanal (61) verbunden ist; eine Brenngaspumpe (64), die im Brenngaszirkulationskanal (63) angeordnet ist; und einen Gas-Flüssigkeitsabscheider (62), der im Brenngasauslasskanal (61) angeordnet ist und Wasser von dem aus der Brennstoffzelle (20) ausgegebenen Brenngas trennt, wobei die Komponenteneinheit die Brenngaspumpe (64) umfasst, die Temperaturableitungseinheit (80) konfiguriert ist, um eine Temperatur der Brenngaspumpe (64) abzuleiten, und die Zurückhalteunterdrückungseinheit konfiguriert ist, um die Brenngaspumpe (64) anzutreiben, wenn die abgeleitete Temperatur der Brenngaspumpe (64) gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Temperaturableitungseinheit (80), die konfiguriert ist, um eine Temperatur einer Komponenteneinheit des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der abgeleiteten Ist-Windgeschwindigkeit abzuleiten; einen Brenngaskanal (51, 61, 63), der mit der Brennstoffzelle (20) verbunden ist; und eine Temperaturanstiegssteuereinheit (80), die konfiguriert ist, um die Brennstoffzelle (20) zu veranlassen, elektrische Leistung zu erzeugen, wenn die abgeleitete Temperatur der Komponenteneinheit gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenztemperatur ist, während die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle (20) gestoppt ist, wobei die Komponenteneinheit zumindest eines von einer Brenngaspumpe (64), die in dem Brenngaskanal angeordnet ist, dem Oxidationsgaszufuhrkanal (31) und dem Oxidationsgasauslasskanal (41) umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Verdichter (33) ein Turboverdichter ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: ein Bypassventil (35), das im Bypass-Strömungskanal (37) angeordnet ist; ein Absperrventil (44), das im Oxidationsgaszufuhrkanal (31) an einer Position stromabwärts von einem Verbindungsteil angeordnet ist, an dem der Bypass-Strömungskanal (37) mit dem Oxidationsgaszufuhrkanal (31) verbunden ist; und eine Strömungskanalsteuereinheit (80), die konfiguriert ist, um das Absperrventil (44) zu schließen, um den Luftstrom in die Brennstoffzelle (20) zu unterbrechen, und das Bypassventil (35) zu öffnen, sodass die Luft in den Bypass-Strömungskanal (37) strömt, wenn die Windgeschwindigkeitsableitungseinheit (80) die Ist-Windgeschwindigkeit ableitet.
Bewegliches Objekt, aufweisend das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Bewegliches Objekt nach Anspruch 10, wobei das bewegliche Objekt ein Brennstoffzellenfahrzeug ist, und wobei das Brennstoffzellensystem in einem Frontabteil des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zum Ableiten der Windgeschwindigkeit in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (20), aufweisend: Veranlassen, dass zumindest ein Teil der in einem Verdichter (33) strömenden Luft die Brennstoffzelle (20) umgeht und Messen einer Ist-Luftdurchflussmenge, die in dem Verdichter (33) strömt, wenn der Verdichter (33), der der Brennstoffzelle (20) Luft als Oxidationsgas zuführt, stoppt; und Ableiten einer Ist-Windgeschwindigkeit des Windes, der vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, unter Verwendung einer im Voraus in einer Speichereinheit gespeicherten Beziehung zwischen einer Luftdurchflussmenge, die im Verdichter (33) strömt, wenn der Verdichter (33) stoppt, und einer Windgeschwindigkeit, die vom Brennstoffzellensystem empfangen wird, sowie der gemessenen Ist-Luftdurchflussmenge.