DE102023109707A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (100; 200) hat eine Brennstoffzelle (10), eine Brennstoffgasliefervorrichtung (22), eine Oxidationsgasliefervorrichtung (32), eine Kühlmittelliefervorrichtung (42; 141), eine Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung (T2), die so aufgebaut ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) misst, und eine Steuereinheit (50). Die Steuereinheit (50) ist so aufgebaut, dass sie, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (10) niedriger als eine Solltemperatur ist, einen Aufwärmbetrieb zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle (10) auf die Solltemperatur ausführt, indem die elektrische Leistung mit der Brennstoffzelle (10) erzeugt wird, während die Brennstoffzelle (10) mit dem Oxidationsgas gekühlt wird, indem das Liefern des Kühlmittels angehalten wird und eine Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
  • 2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem ist eine Energieerzeugungsvorrichtung, die ein Oxidationsgas und ein Brennstoffgas zu einer Brennstoffzelle liefert, um elektrische Energie (elektrische Leistung) zu erzeugen. Eine Brennstoffzelle erzeugt üblicherweise elektrische Energie (elektrische Leistung) bei einer vorbestimmten Solltemperatur, um die elektrische Effizienz zu erhöhen. Daher muss, wenn eine Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird, die Temperatur der Brennstoffzelle schnell auf eine Solltemperatur erhöht werden. Ein derartiger Prozess wird Aufwärmbetrieb genannt. Ein Aufwärmbetrieb wird ausgeführt, indem elektrische Energie mit einer Brennstoffzelle erzeugt wird.
  • Ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems bei einem Niedrigtemperaturstart ist beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung JP 2015-216084 A und in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung JP 2010-186599 A beschrieben. In JP 2015-216084 A und JP 2010-186599 A wird die Erhöhungsrate der Temperatur gesteigert, indem die Menge an Kühlmittel eingestellt wird, die zu einer Strömung durch einen Brennstoffzellenstapel geliefert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Aufwärmbetrieb ist es denkbar, dass ein Kühlmittel zu einer Brennstoffzelle überhaupt nicht geliefert wird, um die Erhöhungsrate der Temperatur der Brennstoffzelle zu steigern. Wenn jedoch das Kühlmittel überhaupt nicht geliefert wird, treten in der Brennstoffzelle Wärmepunkte auf, so dass eine Verschlechterung der Brennstoffzelle leichter auftreten kann.
  • Wenn andererseits die gelieferte Menge an Kühlmittel wie in JP 2015-216084 A und JP 2010-186559 A eingestellt wird, wird ein Auftreten von Wärmepunkten in gewissem Maße unterdrückt. Jedoch muss ein Ventil oder dergleichen in einem Kühlmittelkanal eingebaut werden, was zu einem komplizierten System und zu einer Kostenerhöhung führen kann.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das Wärmepunkte vermeiden kann, während ein Aufwärmbetrieb mit einem einfachen Aufbau ausgeführt wird.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem hat eine Brennstoffzelle, die so aufgebaut ist, dass sie elektrische Leistung erzeugt, wenn sie mit Brennstoffgas und Oxidationsgas beliefert wird; eine Brennstoffgasliefervorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie das Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle liefert; eine Oxidationsgasliefervorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie das Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle liefert; eine Kühlmittelliefervorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie ein Kühlmittel zu der Brennstoffzelle liefert; eine Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle misst; und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist so aufgebaut, dass sie, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger als eine Solltemperatur ist, einen Aufwärmbetrieb ausführt zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle auf die Solltemperatur durch Erzeugen der elektrischen Leistung mit der Brennstoffzelle, während die Brennstoffzelle mit dem Oxidationsgas gekühlt wird, indem die Lieferung des Kühlmittels angehalten wird und die Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann das Kühlmittel ein Kühlgas sein.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit so aufgebaut sein, dass sie die Oxidationsgasliefervorrichtung so steuert, dass die während des Aufwärmbetriebs gelieferte Menge an Oxidationsgas größer als oder gleich wie eine Hälfte oder weniger als oder gleich dem Zehnfachen der Menge an Oxidationsgas ist, das während einem normalen Betrieb geliefert wird.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit so aufgebaut sein, dass sie die Brennstoffgasliefervorrichtung so steuert, dass eine während des Aufwärmbetriebs gelieferte Menge an Brennstoffgas größer als oder gleich einem Doppelten oder weniger als oder gleich einem Zehnfachen der Menge an Brennstoffgas ist, die während eines normalen Betriebs geliefert wird.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Wärmepunkte unterdrückt, während ein Aufwärmbetrieb mit einem einfachen Aufbau ausgeführt wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
    • 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Brennstoffzellensystems.
    • 2 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms einer Aufwärmbetriebsteuerung.
    • 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Brennstoffzellensystem 100
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nachstehend detailliert unter Verwendung eines Brennstoffzellensystems 100 als ein Ausführungsbeispiel beschrieben. 1 zeigt eine Blockdarstellung des Brennstoffzellensystems 100.
  • Wie dies in 1 gezeigt ist, hat das Brennstoffzellensystem 100 eine Brennstoffzelle 10, einen Brennstoffgasrohrabschnitt 20, einen Oxidationsgasrohrabschnitt 30, einen Kühlmittelrohrabschnitt 40 und eine Steuereinheit 50.
  • Brennstoffzelle 10
  • Die Brennstoffzelle 10 ist aus einer Vielzahl an einzelnen Zellen aufgebaut, die in Reihe gestapelt sind. Jede der einzelnen Zellen hat eine Elektrolytmembran, eine an einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Anode und eine an der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Kathode. Genauer gesagt ist eine Katalysatorlage an jeder Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet, ist eine Gasdiffusionslage an der Außenseite jeder Katalysatorlage angeordnet, und ist ein Separator, der einen Brennstoffgasströmungskanal und einen Oxidationsgasströmungskanal hat, an der Außenseite jeder Gasdiffusionslage angeordnet. Der Aufbau jeder der vorstehend erläuterten einzelnen Zellen ist ein allgemeiner Aufbau. In jeder einzelnen Zelle fungiert der Satz aus Katalysatorlage und Gasdiffusionslage als eine Anode oder eine Kathode.
  • Die Elektrolytmembran, die Katalysatorlagen, die Gasdiffusionslagen und die Separatoren, die in jeder einzelnen Zelle angeordnet sind, sind nicht beschränkt und können bekannte Ausführungen sein. Beispiele der Elektrolytmembran umfassen eine Ionenaustauschmembran, die aus einem Festpolymermaterial hergestellt ist. Beispiele der Katalysatorlage umfassen einen Platinkatalysator. Beispiele der Gasdiffusionslage umfassen poröse Materialien wie beispielsweise Kohlenstoffmaterialien (Karbonmaterialien). Beispiele des Separators umfassen Metallmaterialien wie beispielsweise rostfreie Stähle und Kohlenstoffmaterialien wie beispielsweise Kohlenstoffverbundmaterialien.
  • Die Brennstoffzelle 10 erzeugt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wenn das Brennstoffgas zu der Anode geliefert wird und das Oxidationsgas zu der Kathode geliefert wird. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet ist, wird die erzeugte elektrische Stromstärke durch eine elektrische Last verwendet, die in dem Fahrzeug vorgesehen ist, oder sie wird in einer Batterie gespeichert.
  • Es kann eine Brennstoffzelle 10 gewählt werden, die eine Größe und Kapazität hat, mit der das Auftreten von Wärmepunkten unterdrückt wird, indem mit Oxidationsgas während des Aufwärmbetriebs gekühlt wird.
  • Brennstoffgasrohrabschnitt 20
  • Der Brennstoffgasrohrabschnitt 20 dient dem Beliefern der Anode der Brennstoffzelle 10 mit Brennstoffgas. Der Brennstoffgasrohrabschnitt 20 hat eine Brennstoffgaslieferquelle 21, einen Injektor 22, eine Ausspritzeinrichtung (Ejektor) 23, einen Gas-Flüssigkeit-Separator 24 und ein Abgabe- und Ablaufventil 25.
  • Der Brennstoffgasrohrabschnitt 20 hat Strömungskanäle 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, die mit diesen Elementen verbundene Rohre sind. Der Brennstoffgasrohrabschnitt 20 hat des Weiteren eine Brennstoffgasdruckmessvorrichtung P1 an einer Brennstoffgaseinlassseite der Brennstoffzelle 10. Der Brennstoffgasrohrabschnitt 20 kann des Weiteren Elemente haben, die im Allgemeinen in einem Brennstoffgasrohrabschnitt umfasst sind.
  • Die Brennstoffgaslieferquelle 21 kann aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoffspeicherlegierung und dergleichen aufgebaut sein, die Wasserstoffgas speichern. Alternativ kann die Brennstoffgaslieferquelle 21 aus einem Reformer und einem Hochdruckgastank aufgebaut sein. Der Reformer erzeugt wasserstoffreiches reformiertes Gas aus Kohlenwasserstoffbrennstoff, und ein Hochdruckgastank, der durch den Reformer erzeugtes reformiertes Gas in einen Hochdruckzustand bringt, speichert das reformierte Gas. Daher ist das Brennstoffgas ein Wasserstoffgas oder ein reformiertes Gas.
  • Der Strömungskanal 20a ist ein Rohr, das die Brennstoffgaslieferquelle 21 mit dem Injektor 22 verbindet. Der Strömungskanal 20a fungiert zum Zuführen von Brennstoffgas, das von der Brennstoffgaslieferquelle 21 geliefert wird, zu dem Injektor 22. Ein Abschaltventil, das den offenen und geschlossenen Zustand der Brennstoffgaslieferquelle 21 steuert, und ein Regulator, der den Druck des Brennstoffgases steuert, können in dem Strömungskanal 20a vorgesehen sein.
  • Der Injektor 22 ist eine Gasliefervorrichtung, die Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle 10 liefert. Der Injektor 22 kann die Menge an Brennstoffgas steuern, die zu der Brennstoffzelle 10 geliefert wird. Die von dem Injektor 22 gelieferte Menge an Brennstoffgas wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert. Beispiele des Injektors 22 umfassen ein Ein-Aus-Schaltventil und ein Solenoidventil.
  • Der Strömungskanal 20b ist ein Rohr, das den Injektor 22 mit dem Ejektor 23 verbindet. Der Strömungskanal 20b fungiert zum Zuführen von Brennstoffgas, das von dem Injektor 22 geliefert wird, zu dem Ejektor 23.
  • Der Ejektor 23 fungiert zum Beliefern der Brennstoffzelle 10 mit Brennstoffgas, das von dem Injektor 22 geliefert wird. Der Ejektor 23 fungiert zum Beliefern der Brennstoffzelle 10 mit zirkulierendem Gas, das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 abgetrennt wird. Der Ejektor 23 fungiert zum Beliefern der Brennstoffzelle 10 mit gemischtem Gas, das erlangt wird durch Mischen von dem Injektor 22 geliefertem Brennstoffgas mit Zirkulationsgas, das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 abgetrennt wird. Der Ejektor 23 ist bekannt.
  • Der Strömungskanal 20c (Brennstoffgaslieferströmungskanal) ist ein Rohr, das die Brennstoffzelle 10 mit dem Ejektor 23 verbindet. Der Strömungskanal 20c fungiert zum Zuführen von Brennstoffgas, das von dem Ejektor 23 geliefert wird, zu der Brennstoffzelle 10.
  • Die Brennstoffgasdruckmessvorrichtung P1 ist in dem Strömungskanal 20c angeordnet. Die Brennstoffgasdruckmessvorrichtung P1 misst den Druck des zu der Brennstoffzelle 10 gelieferten Brennstoffgases. Ein Messergebnis wird zu der Steuereinheit 50 übertragen.
  • Der Strömungskanal 20d (Brennstoffgasabgasströmungskanal) ist ein Rohr, das die Brennstoffzelle 10 mit dem Gas-Flüssigkeit-Separator 24 verbindet. Der Strömungskanal 20d fungiert zum Zuführen von Brennstoffgas (Brennstoffabgas), das als Abgas von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, zu dem Gas-Flüssigkeit-Separator 24. Durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 erzeugtes flüssiges Wasser ist in dem Brennstoffabgas enthalten.
  • Der Gas-Flüssigkeit-Separator 24 hat eine Funktion zum Trennen des Brennstoffabgases, das als Abgas von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, in eine Gaskomponente und eine flüssige Komponente. Die separierte Gaskomponente wird zu dem Strömungskanal 20e geliefert. Die separierte flüssige Komponente läuft zu dem Strömungskanal 20f über das Abgabe- und Ablaufventil 25 ab. Hierbei ist die flüssige Komponente Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, und kann unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Die Gaskomponente ist Brennstoffgas, das nicht reagiert hat, und kann unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
  • Der Strömungskanal 20e (Zirkulationskanal) ist ein Rohr, das den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 mit dem Ejektor 23 verbindet. Der Strömungskanal 20e fungiert zum Zuführen der durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 separierten Gaskomponente (zirkulierendes Gas) zu dem Ejektor 23.
  • Das Abgabe- und Ablaufventil 25 dient dem Steuern des Ablaufens der flüssigen Komponente, die durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 separiert wird. Das Abgabe- und Ablaufventil 25 kann die flüssige Komponente zu dem Strömungskanal 20f zusammen mit der Gaskomponente zuführen, indem der Druck der Gaskomponente als eine Antriebskraft verwendet wird. Das Abgabe- und Ablaufventil 25 wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert.
  • Der Strömungskanal 20f (Abgabe- und Ablaufströmungskanal) ist ein Rohr, das mit dem Abgabe- und Ablaufventil 25 verbunden ist, und ist ein Strömungskanal zum Ablaufen-lassen der flüssigen Komponente, die durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 24 separiert wird, zu der Außenseite des Systems. Der Strömungskanal 20f kann mit dem Strömungskanal 30f verbunden sein. In diesem Fall läuft die abgelaufene flüssige Komponente zu der Außenseite des Systems über den Strömungskanal 30f ab.
  • Oxidationsgasrohrabschnitt 30
  • Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 dient dem Beliefern der Kathode mit Oxidationsgas. Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 hat einen Luftfilter 31, einen Luftkompressor 32, ein Einlassventil 33 und ein Auslassventil 34.
  • Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 hat Strömungskanäle 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f, die Rohre sind, die mit diesen Elementen verbunden sind. Die Strömungskanäle 30a, 30b, 30c, 30d bilden einen Oxidationsgaslieferströmungskanal. Die Strömungskanäle 30e, 30f bilden einen Oxidationsgasabgasströmungskanal (Oxidationsgasabführströmungskanal). Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 hat eine Einlassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T1 und eine Oxidationsgasdruckmessvorrichtung P2 an einer Oxidationsgaseinlassseite der Brennstoffzelle 10. Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 hat eine Auslassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T2 an einer Oxidationsgasauslassseite der Brennstoffzelle 10. Der Oxidationsgasrohrabschnitt 30 kann des Weiteren Elemente haben, die im Allgemeinen in einem Oxidationsgasrohrabschnitt umfasst sind.
  • Der Strömungskanal 30a ist ein Rohr, das mit dem Luftfilter 31 verbunden ist. Der Strömungskanal 30a fungiert zum Zuführen von Oxidationsgas zu dem Luftfilter 31. Wenn das Oxidationsgas Luft ist, verbindet der Strömungskanal 30a Außenluft mit dem Luftfilter 31.
  • Der Luftfilter 31 fungiert zum Entfernen von Fremdstoffen, die in dem Oxidationsgas enthalten sind. Der vorstehend erwähnte Luftfilter ist bekannt.
  • Der Strömungskanal 30b ist ein Rohr, das den Luftfilter 31 mit dem Luftkompressor 32 verbindet. Der Strömungskanal 30b fungiert zum Zuführen von Oxidationsgas, von dem der Fremdstoff durch den Luftfilter 31 entfernt worden ist, zu dem Luftkompressor 32.
  • Der Luftkompressor 32 ist eine Oxidationsgasliefervorrichtung, die Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle 10 liefert. Der Luftkompressor 32 ist dazu in der Lage, die zu der Brennstoffzelle 10 gelieferte Menge an Oxidationsgas zu steuern. Die von dem Luftkompressor 32 gelieferte Menge an Oxidationsgas wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert.
  • Der Strömungskanal 30c ist ein Rohr, das den Luftkompressor 32 mit dem Einlassventil 33 verbindet. Der Strömungskanal 30c fungiert zum Zuführen von Oxidationsgas, das von dem Luftkompressor 32 geliefert wird, zu dem Einlassventil 33.
  • Die Einlassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T1 und die Oxidationsgasdruckmessvorrichtung P2 sind in dem Strömungskanal 30c angeordnet. Die Einlassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T1 misst die Temperatur des zu der Brennstoffzelle 10 gelieferten Oxidationsgases. Die Oxidationsgasdruckmessvorrichtung P2 misst den Druck des zu der Brennstoffzelle 10 gelieferten Oxidationsgases. Die Messergebnisse werden zu der Steuereinheit 50 übertragen.
  • Das Einlassventil 33 fungiert zum Steuern des Drucks und der Menge an Oxidationsgas, das von dem Luftkompressor 32 geliefert wird. Das Einlassventil 33 wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert.
  • Der Strömungskanal 30d ist ein Rohr, das das Einlassventil 33 mit der Brennstoffzelle 10 verbindet. Der Strömungskanal 30d fungiert zum Zuführen von Oxidationsgas, das durch das Einlassventil 33 reguliert wird, zu der Brennstoffzelle 10.
  • Der Strömungskanal 30e ist ein Rohr, das die Brennstoffzelle 10 mit dem Auslassventil 34 verbindet. Der Strömungskanal 30e fungiert zum Zuführen von Oxidationsgas (Oxidationsabgas), das von der Brennstoffzelle 10 als Abgas abgegeben wird, zu dem Auslassventil 34. Durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 erzeugtes flüssiges Wasser ist in dem Oxidationsabgas enthalten.
  • Das Auslassventil 34 fungiert zum Steuern des Abgebens des Oxidationsabgases, das von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, zu der Außenseite des Systems. Das Auslassventil 34 wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert.
  • Der Strömungskanal 30f ist ein Rohr, das mit dem Auslassventil 34 verbunden ist. Der Strömungskanal 30f ist ein Strömungskanal zum Abgeben von Oxidationsabgas, das von dem Auslassventil 34 abgegeben wird, zu der Außenseite des Systems. Ein Strömungskanal 20f (Abgabe- und Ablaufströmungskanal) kann in der Mitte des Strömungskanals 30f verbunden sein. Die flüssige Komponente und die Gaskomponente, die von dem Strömungskanal 20f (Abgabe- und Ablaufströmungskanal) abgegeben wird, kann zu der Außenseite des Systems zusammen mit dem Oxidationsabgas abgegeben werden.
  • Die Auslassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T2 ist in dem Strömungskanal 30f angeordnet und misst die Temperatur des von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen Oxidationsgases. Ein Messergebnis wird bei Bedarf zu der Steuereinheit 50 übertragen. Während des Aufwärmbetriebs wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf der Grundlage des Messergebnisses der Auslassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T2 abgeschätzt. Daher ist während des Aufwärmbetriebs die Auslassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T2 eine Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung.
  • Kühlmittelrohrabschnitt 40
  • Der Kühlmittelrohrabschnitt 40 dient dem Liefern von Kühlgas (Kühlmittel) zum Kühlen der Brennstoffzelle 10. Der Kühlmittelrohrabschnitt 40 hat einen Luftfilter 41 und ein Lüfterrad (Gebläse) 42. Der Kühlmittelrohrabschnitt 40 hat Strömungskanäle 40a, 40b, 40c, 40d, die Rohre sind, die mit diesen Elementen verbunden sind. Der Kühlmittelrohrabschnitt 40 hat des Weiteren eine Einlasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T3 an einer Kühlmitteleinlassseite und eine Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 an der Kühlmittelauslassseite der Brennstoffzelle 10. Der Kühlmittelrohrabschnitt 40 kann des Weiteren Elemente haben, die im Allgemeinen in einem Kühlmittelrohrabschnitt umfasst sind. Das Kühlgas ist beispielsweise Kühlluft oder dergleichen.
  • Der Strömungskanal 40a ist ein mit dem Luftfilter 41 verbundenes Rohr. Der Strömungskanal 40a fungiert zum Zuführen von Kühlgas zu dem Luftfilter 41 Wenn das Kühlgas Luft ist, verbindet der Strömungskanal 40a die Außenluft mit dem Luftfilter 41.
  • Der Luftfilter 41 fungiert zum Entfernen von Fremdstoff, der in dem Kühlgas enthalten ist, das zu der Brennstoffzelle 10 geliefert wird. Der vorstehend erwähnte Luftfilter ist bekannt.
  • Der Strömungskanal 40b ist ein Rohr, das den Luftfilter 41 mit der Brennstoffzelle 10 verbindet. Der Strömungskanal 40b fungiert zum Zuführen von Kühlgas, von dem der Fremdstoff durch den Luftfilter 41 entfernt worden ist, zu der Brennstoffzelle 10.
  • Die Einlasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T3 ist in dem Strömungskanal 40b angeordnet und misst die Temperatur des zu der Brennstoffzelle 10 gelieferten Kühlmittels. Ein Messergebnis wird bei Bedarf zu der Steuervorrichtung 50 übertragen.
  • Der Strömungskanal 40c ist ein Rohr, das die Brennstoffzelle 10 mit dem Gebläse (Lüfterrad) 42 verbindet. Der Strömungskanal 40c fungiert zum Zuführen von Kühlgas, das von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, zu dem Gebläse 42.
  • Die Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 ist in dem Strömungskanal 40c angeordnet und misst die Temperatur des von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen Kühlmittels. Ein Messergebnis wird bei Bedarf zu der Steuereinheit 50 übertragen. Während eines normalen Betriebs wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf der Basis des Messergebnisses der Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 abgeschätzt. Daher ist während des normalen Betriebs die Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 eine Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung.
  • Das Gebläse 42 ist eine Energiequelle zum Zuführen von Kühlgas durch den Kühlmittelrohrabschnitt 40 und wird als eine Kühlmittelliefervorrichtung erachtet, die Kühlgas zu der Brennstoffzelle 10 liefert. Die Menge an durch das Gebläse 42 geliefertem Kühlgas wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert.
  • Der Strömungskanal 40d ist ein Rohr, das mit dem Gebläse 42 verbunden ist. Wenn das Kühlgas Luft ist, verbindet der Strömungskanal 40d das Gebläse 42 mit Außenluft.
  • Steuereinheit 50
  • Die Steuereinheit 50 ist ein Computersystem, das eine CPU, einen ROM, einen RAM, eine Eingangs- und Ausgabeschnittstelle und dergleichen aufweist. Die Steuereinheit 50 ist dazu in der Lage, die Abschnitte des Brennstoffzellensystems 100 zu steuern.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 verwendet Kühlgas als das Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 10. Anders ausgedrückt ist das Brennstoffzellensystem 100 von der Luftkühlart.
  • Wenn nach dem Starten des Brennstoffzellensystems 100 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger als eine Solltemperatur (zum Zeitpunkt eines Niedrigtemperaturstarts) ist, muss die Temperatur der Brennstoffzelle 10 schnell auf die Solltemperatur erhöht werden, um die elektrische Effizienz der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen. Dies wird als Aufwärmbetrieb bezeichnet. Im Aufwärmbetrieb ist es denkbar, dass elektrische Leistung (elektrische Energie) erzeugt wird, während überhaupt kein Kühlmittel zu der Brennstoffzelle 10 geliefert wird, um die Erhöhungsrate der Temperatur der Brennstoffzelle 10 zu steigern. Wenn jedoch überhaupt kein Kühlmittel geliefert wird, treten Wärmepunkte in der Brennstoffzelle 10 auf, so dass leichter eine Verschlechterung der Brennstoffzelle 10 auftreten kann.
  • Wenn andererseits die Menge an geliefertem Kühlmittel wie in JP 2015-216084 A und JP 2010-186599 A beschrieben eingestellt wird, wird ein Auftreten von Wärmepunkten in gewissem Maße unterdrückt. Jedoch muss ein Ventil oder dergleichen in einem Kühlmittelströmungskanal eingebaut werden, um die Menge an geliefertem Kühlmittel einzustellen, was zu einem komplizierten System und zu einer Kostenzunahme führen kann. Im Falle einer Luftkühlart ist die Wärmekapazität des Kühlgases gering, so dass Wärmepunkte noch leichter auftreten.
  • In dem Brennstoffzellensystem 100 wird ein Aufwärmbetrieb bei einem Niedrigtemperaturstart ausgeführt, indem die Lieferung des Kühlmittels angehalten wird und die Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird. Anders ausgedrückt erzeugt im Brennstoffzellensystem 100, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger als die Solltemperatur ist, die Steuereinheit 50 elektrische Energie (elektrische Leistung) mit der Brennstoffzelle 10, während die Brennstoffzelle 10 mit Oxidationsgas gekühlt wird, indem die Lieferung von Kühlgas angehalten wird und die Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird. Somit führt die Steuereinheit 50 einen Aufwärmbetrieb aus, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf die Solltemperatur erhöht wird.
  • Somit wird während des Aufwärmbetriebs der Aufwärmbetrieb schnell vollendet, während das Auftreten von Wärmepunkten mit einem einfachen Aufbau vermieden wird, ohne dass ein zusätzliches Ventil oder dergleichen eingebaut wird. Durch das schnelle Vollenden des Aufwärmbetriebs wird die elektrische Effizienz der Brennstoffzelle 10 verbessert. Während des Aufwärmbetriebs wird ein Fluten vermieden, indem die Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird.
  • Die Menge an während des Aufwärmbetriebs geliefertem Oxidationsgas kann bei Bedarf gemäß der Temperatur und der Erhöhungsrate der Temperatur der Brennstoffzelle 10 gesteuert werden. Beispielsweise kann die Menge an geliefertem Oxidationsgas im Vergleich zu einem normalen Betrieb reduziert werden oder erhöht werden. Die Menge an geliefertem Oxidationsgas kann vom Gesichtspunkt des Kühlens der Brennstoffzelle 10 erhöht werden. Die Menge an geliefertem Oxidationsgas kann auf der Basis der Temperatur des Oxidationsgases (ein Messergebnis der Einlassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T1) gesteuert werden. Die Menge an geliefertem Oxidationsgas kann auf der Basis der Ergebnisse eines Experiments oder einer Simulation, die zuvor erfolgten, so gesteuert werden, dass Wärmepunkte vermieden werden.
  • Beispielsweise kann die Menge an während des Aufwärmbetriebs geliefertem Oxidationsgas größer als oder gleich einer Hälfte und weniger als oder gleich dem Zehnfachen der Menge an Oxidationsgas, das während des normalen Betriebs geliefert wird, betragen oder kann das Doppelte oder mehr und weniger als oder gleich wie das Zehnfache betragen. Somit werden Wärmepunkte noch besser vermieden. Die Menge an während des Aufwärmbetriebs geliefertem Brennstoffgas kann größer als oder gleich einer Hälfte und weniger als oder gleich dem Zehnfachen der Menge an Oxidationsgas betragen, die während des normalen Betriebs geliefert wird, oder kann das Doppelte oder mehr und weniger als oder gleich wie das Zehnfache betragen. Somit wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 schnell erhöht.
  • Die Temperatur der Brennstoffzelle 10 wird üblicherweise aus dem Messergebnis der Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 abgeschätzt. Da jedoch das Liefern des Kühlmittels während des Aufwärmbetriebs angehalten ist, kann die Temperatur der Brennstoffzelle 10 nicht auf der Basis des Messergebnisses der Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 geschätzt werden. Während des Aufwärmbetriebs wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 aus dem Messergebnis der Auslassoxidationsgastemperaturmessvorrichtung T2 abgeschätzt. Die Erhöhungsrate der Temperatur der Brennstoffzelle 10 wird aus einer vorübergehenden Änderung der geschätzten Temperatur der Brennstoffzelle 10 berechnet. Die Solltemperatur der Brennstoffzelle 10 ist eine Temperatur, die für die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 geeignet ist, und sie wird bei Bedarf gemäß dem Aufbau der Brennstoffzelle 10 festgelegt.
  • Ein Aufwärmbetrieb kann nicht nur unter Verwendung eines Messergebnisses der Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 gesteuert werden, sondern auch unter Verwendung von Messergebnissen anderer Messvorrichtungen. Beispielsweise kann zum Steuern der Menge an durch die Brennstoffzelle 10 erzeugter elektrischer Energie (elektrischer Leistung) das Messergebnis der Brennstoffgasdruckmessvorrichtung P1 und das Messergebnis der Oxidationsgasdruckmessvorrichtung P2 verwendet werden.
  • 2 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms zum Bestimmen, ob ein Aufwärmbetrieb ausgeführt wird. Wie dies in 2 gezeigt ist, wird beispielsweise beim Start bestimmt, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger als die Solltemperatur ist. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger als die Solltemperatur ist, wird ein Aufwärmbetrieb ausgeführt. Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren wird für den Aufwärmbetrieb aufgegriffen. Danach wird, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 höher als oder gleich wie die Solltemperatur als ein Ergebnis des Aufwärmbetriebs ist, der Aufwärmbetrieb angehalten, und der normale Betrieb wird ausgeführt. Ein normaler Betrieb ist ein Betrieb unter Verwendung von Kühlgas.
  • Die Temperatur der Brennstoffzelle 10 wird schnell auf die Solltemperatur erhöht, indem der Aufwärmbetrieb anhand des vorstehend erläuterten Flussdiagramms ausgeführt wird.
  • Brennstoffzellensystem 200
  • In dem Brennstoffzellensystem 200 ist ein Modus beschrieben worden, bei dem das Kühlgas als Kühlmittel verwendet wird. Das Kühlmittel, das in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist nicht darauf beschränkt, und ein Kühlstoff kann angewendet werden. Selbst in dem Modus unter Verwendung des Kühlstoffs (Wasserkühlart), werden die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung erlangt.
  • Ein Brennstoffzellensystem 200 als ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Kühlstoffs als Kühlmittel ist nachstehend beschrieben. 3 zeigt ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensystems 200.
  • Das Brennstoffzellensystem 200 unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 100 dahingehend, dass der Kühlmittelrohrabschnitt 40 durch ein Kühlmittelrohrabschnitt 140 ersetzt worden ist. Daher ist der restliche Aufbau der Gleiche, so dass die entsprechende Beschreibung unterbleibt.
  • Kühlmittelrohrabschnitt 140
  • Der Kühlmittelrohrabschnitt 140 dient dem Liefern eines Kühlstoffs (Kühlmittel) zum Kühlen der Brennstoffzelle 10. Wie dies in 3 gezeigt ist, wird der Kühlmittelrohrabschnitt 140 verwendet, indem der Kühlstoff zirkuliert. Der Kühlmittelrohrabschnitt 140 hat eine Pumpe 141 und einen Radiator (Abstrahleinrichtung) 142. Der Kühlmittelrohrabschnitt 140 hat Strömungskanäle 140a, 140b, 140c, die Rohre sind, die mit diesen Elementen verbunden sind. Wie in dem Fall des Brennstoffzellensystems 100 hat der Kühlmittelrohrabschnitt 140 des Weiteren eine Einlasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T3 an der Kühlmitteleinlassseite und eine Auslasskühlmitteltemperaturmessvorrichtung T4 an der Kühlmittelauslassseite der Brennstoffzelle 10. Der Kühlmittelrohrabschnitt 140 kann des Weiteren Elemente aufweisen, die im Allgemeinen in einem Kühlmittelrohrabschnitt umfasst sind.
  • Die Pumpe 141 ist eine Energiequelle für den Kühlstoff zum Zirkulieren durch den Kühlmittelrohrabschnitt 140 und wird als eine Kühlmittelliefervorrichtung erachtet, die den Kühlstoff zu der Brennstoffzelle 10 liefert.
  • Der Strömungskanal 140a ist ein Rohr, das mit der Pumpe 141 und der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, und er dient zum Zuführen des Kühlstoffs, der von der Pumpe 141 geliefert wird.
  • Der Strömungskanal 140b ist ein Rohr, das mit der Brennstoffzelle 10 und dem Radiator 142 verbunden ist, und er dient zum Zuführen des Kühlstoffs, der von der Brennstoffzelle 10 abläuft.
  • Der Radiator 142 dient zum Kühlen des Kühlstoffs durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlstoff und Außenluft.
  • Der Strömungskanal 140c ist ein Rohr, das mit dem Radiator 142 und der Pumpe 141 verbunden ist, und dient zum Zuführen des Kühlstoffs, der durch den Radiator 142 gekühlt worden ist.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist unter Verwendung der Brennstoffzellensysteme 100 und 200 beschrieben, die Ausführungsbeispiele sind. Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Wärmepunkte vermieden, während ein Aufwärmbetrieb mit einem einfachen Aufbau ausgeführt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100; 200 hat eine Brennstoffzelle 10, eine Brennstoffgasliefervorrichtung 22, eine Oxidationsgasliefervorrichtung 32, eine Kühlmittelliefervorrichtung 42; 141, eine Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung T2, die so aufgebaut ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle 10 misst, und eine Steuereinheit 50. Die Steuereinheit 50 ist so aufgebaut, dass sie, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 niedriger als eine Solltemperatur ist, einen Aufwärmbetrieb zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf die Solltemperatur ausführt, indem die elektrische Leistung mit der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, während die Brennstoffzelle 10 mit dem Oxidationsgas gekühlt wird, indem das Liefern des Kühlmittels angehalten wird und eine Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015216084 A [0003, 0005, 0059]
    • JP 2010186599 A [0003, 0059]
    • JP 2010186559 A [0005]

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem (100; 200) mit: einer Brennstoffzelle (10), die so aufgebaut ist, dass sie elektrische Leistung erzeugt, wenn sie mit Brennstoffgas und Oxidationsgas beliefert wird; einer Brennstoffgasliefervorrichtung (22), die so aufgebaut ist, dass sie das Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle (10) liefert; einer Oxidationsgasliefervorrichtung (32), die so aufgebaut ist, dass sie das Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle (10) liefert; einer Kühlmittelliefervorrichtung (42; 141), die so aufgebaut ist, dass sie ein Kühlmittel zu der Brennstoffzelle (10) liefert; einer Brennstoffzellentemperaturmessvorrichtung (T2), die so aufgebaut ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) misst; und einer Steuereinheit (50), wobei die Steuereinheit (50) so aufgebaut ist, dass sie, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (10) niedriger als eine Solltemperatur ist, einen Aufwärmbetrieb ausführt zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle (10) auf die Solltemperatur durch Erzeugen der elektrischen Leistung mit der Brennstoffzelle (10), während die Brennstoffzelle (10) mit dem Oxidationsgas gekühlt wird, indem die Lieferung des Kühlmittels angehalten wird und die Menge an geliefertem Oxidationsgas gesteuert wird.
  2. Brennstoffzellensystem (100; 200) gemäß Anspruch 1, wobei das Kühlmittel ein Kühlgas ist.
  3. Brennstoffzellensystem (100; 200) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (50) so aufgebaut ist, dass sie die Oxidationsgasliefervorrichtung (32) so steuert, dass die Menge an während dem Aufwärmbetrieb geliefertem Oxidationsgas größer als oder gleich wie eine Hälfte und geringer als oder gleich wie ein Zehnfaches der Menge des Oxidationsgases ist, die während des normalen Betriebs geliefert wird.
  4. Brennstoffzellensystem (100; 200) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (50) so aufgebaut ist, dass sie die Brennstoffgasliefervorrichtung (22) so steuert, dass eine Menge an während des Aufwärmbetriebs geliefertem Brennstoffgas größer als oder gleich wie dem Doppelten und geringer als oder gleich wie dem Zehnfachen der Menge an Brennstoffgas ist, die während des normalen Betriebs geliefert wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010186599A (ja) 2009-02-10 2010-08-26 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法
JP2015216084A (ja) 2014-05-13 2015-12-03 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

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