DE112004001059T5

DE112004001059T5 - Brennstoffzellenkühlsystem und Verfahren zum Steuern einer Zirkulation von Kühlflüssigkeit in der Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004001059T5
Application number: DE112004001059T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Toyota Fujita; Toshiyuki Toyota Kondo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2005050731A; JP4066361B2; DE112004001059B4; US7662496B2; US20060269807A1; CN100362686C; WO2005011037A3; CN1813370A; WO2005011037A2

Abstract

Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, das folgende Merkmale aufweist:
eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem der Brennstoffzelle eine Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe zugeführt wird, eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit bereitgestellt ist, die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit entfernt
eine Strömungserzeugungseinrichtung zum Bewirken, daß die Kühlflüssigkeit innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Brennstoffzellensystem und insbesondere die Verbesserung eines Kühlsystems für einen Brennstoffzellenstapel. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in einem Brennstoffzellensystem.
2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch eine chemische Reaktion. Insbesondere ist eine Brennstoffzelle so aufgebaut, daß ein Elektrolyt zwischen einer Anode und einer Kathode sandwichartig angeordnet ist. Der Anode wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Reformatgas zugeführt, während der Kathode Sauerstoff zugeführt wird. Dann wird eine elektrochemische Reaktion herbeigeführt, die dazu führt, daß elektrische Energie erzeugt wird. Normalerweise ist eine Mehrzahl dieser Brennstoffzellen miteinander kombiniert, um einen Brennstoffzellenstapel auszubilden. Diese Brennstoffzellen sind in unterschiedliche Typen aufgeteilt, wie z. B. Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen und Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, je nachdem welche Art von Elektrolyt für die Brennstoffzelle verwendet wird. Jede Art von Elektrolyt weist eine Betriebstemperatur auf, die zur Ausführung seiner Funktion am besten geeignet ist. Die Betriebstemperatur des Elektrolyten einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) beträgt typischerweise etwa 80°C. Um ein Brennstoffzellensystem zu betreiben, während gleichzeitig die optimale Betriebstemperatur des Elektroly ten erhalten bleibt, ist für das Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem vorgesehen. Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wird eine Flüssigkeit verwendet, die als die Kühlflüssigkeit ein entionisiertes Wasser, unfrierbares Wasser und dergleichen verwendet.
Das Kühlsystem einer Brennstoffzelle weist eine Kühlflüssigkeit, einen Wärmeaustauscher (wie z. B. einen Kühler), der die Temperatur der Kühlflüssigkeit unter Verwendung von Außenluft reduziert, eine Pumpe, die die Kühlflüssigkeit pumpt, eine interne Leitung, die durch Separatoren bzw. Abscheidevorrichtungen verläuft, die in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind, und durch die die Kühlflüssigkeit strömt, eine Kühlflüssigkeitsleitung zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Brennstoffzellenstapel, und weist einen Ionenfilter zum Entfernen von Ionen und dergleichen auf. Dieses Ionenfilter besteht beispielsweise aus einem Ionenaustauschharz und entfernt elektrisch leitfähige Ionen von beispielsweise einem Metall, die von dem Wärmeaustauscher, dem Brennstoffzellenstapel, der Kühlflüssigkeitsleitungsrohrwandung und der Pumpe in die Kühlflüssigkeit gelangt sind. Durch das Entfernen dieser Ionen wird eine Reduktion des Isolierwiderstands zwischen der Brennstoffzelle und der Fahrzeugkarosserie-Erdung bzw. – masse verhindert.
In der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP(A) 2000-208157 wird ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem offenbart, das mit einem solchen Ionenfilter versehen ist. Die in dieser Veröffentlichungsschrift offenbarte Erfindung schlägt einen Aufbau vor, bei dem eine Hauptkühlmittelleitung und eine Teilkühlmittelleitung, die von der Hauptkühlmittelleitung unabhängig ist, vorliegen. Die Hauptkühlmittelleitung wird zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendet. Die Teilkühlmittelleitung wird zum Zirkulieren des Kühlmittels in einem Kühlmittelbehälter durch ein Ionenfilter verwendet, das in der Teilkühlmittelleitung vorgesehen ist, um Ionen aus dem Kühlmittel zu entfernen.
Wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, zirkuliert es die Kühlflüssigkeit unter Verwendung einer Pumpe. Ein Teil der Kühlflüssigkeit wir durch das Ionenfilter bewegt, das die Ionen entfernt, wodurch die Ionenkonzentration gesenkt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, wird jedoch die Pumpe gestoppt, so daß die Kühlflüssigkeit nicht durch das Ionenfilter zirkuliert wird.
Folglich gelangen z. B. Metallionen von dem Wärmeaustauscher, dem Brennstoffzellenstapel (Ionenaustauschmembran und Separator bzw. Abscheider), der Kühlflüssigkeitsleitung und dergleichen in die Kühlflüssigkeit, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist. Während z. B. die Metallionen in die Kühlflüssigkeit gelangen, steigt die Ionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit an. Wenn das Brennstoffzellensystem für einen längeren Zeitraum nicht betrieben wird, wobei in diesem Fall die Ionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit im wesentlichen ansteigt, ist es erforderlich, die Ionen aus der Kühlflüssigkeit zu entfernen, um die Ionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit vor dem Neustarten der Brennstoffzelle zu reduzieren. Bevor also das Brennstoffzellensystem gestartet werden kann, wird etwas Zeit benötigt. Ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Fahrzeug, kann aufgrund der Zeit, die zum Entfernen der Ionen notwendig ist, nicht sofort gestartet zu werden. Dies bedeutet, daß etwas Zeit benötigt wird, bevor das Fahrzeug gefahren werden kann.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle zu schaffen, das in der Lage ist, einen Anstieg von Verunreinigungen (Ionenkonzentration) in einer Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle zu unterdrücken, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt worden ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zu schaffen, das in der Lage ist, die Inbetriebnahmezeit des Fahrzeugs zu kürzen, indem ein Anstieg von Verunreinigungen (Ionenkonzentration) in einer Kühlflüssigkeit unterdrückt wird, der aufgrund dessen eingetreten ist, daß das Brennstoffzellensystem für einen längeren Zeitraum nicht betrieben worden ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zu schaffen, das in der Lage ist, die Inbetriebnahmezeit des Fahrzeugs zu kürzen, indem ein Anstieg von Verunreinigungen (Ionenkonzentration) in einer Kühlflüssigkeit unterdrückt wird, indem die Kühlflüssigkeit durch eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung (z. B. ein Ionenfilter) bewegt wird und diese Verunreinigungen (z. B. Ionen) aus der Kühlflüssigkeit entfernt werden, selbst nachdem das Brennstoffzellensystem den Betrieb gestoppt hat.
Um eine der vorstehenden Aufgaben zu lösen, wird ein erfindungsgemäßes Kühlsystem für eine Brennstoffzelle mit einer Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem derselben mit einer Pumpe eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird; einer Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, die Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit entfernt, und einer Strömungserzeugungseinrichtung versehen, um zu bewirken, daß die Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Der Ausdruck „wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist" ist hier so zu verstehen, daß kein Bedarf an Leistung von der Brennstoffzelle mehr besteht, so daß das Brennstoffzellensystem einschließlich der Brennstoffzelle und der Zusatzvorrichtungen (wie z. B. eine Kühlvorrichtung, eine Wasserstoff-/Luft-Zuführvorrichtung, ein Reformator, ein Wechselrichter etc.), die auf den Betrieb der Brennstoffzelle bezogen sind, den Betrieb abstellt. Allermindestens ist darunter zu verstehen, daß die Brennstoffzelle und die Kühlvorrichtung (d. h. eine Kühlflüssigkeitspumpe) den Betrieb abstellt.
Dieser Aufbau unterdrückt einen Anstieg der Verunreinigungskonzentration in der Kühlflüssigkeit (oder dem Kühlmittel), indem es durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung geleitet wird, um die Verunreinigungen zu entfernen, selbst wenn das Brennstoffzellensystem oder ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Folglich wird die Menge an Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit reduziert, wenn die Brennstoffzelle den Betrieb aufnimmt, wodurch ermöglicht wird, die Zeit zu kürzen, die ein Fahrzeug zur Inbetriebnahme benötigt. Bei spiele von Verunreinigungen umfassen leitfähige Ionen, die von einem Wärmeaustauscher (einem Kühler in einem Fahrzeug oder einer stehenden Karosserie), Rohrleitungen, einem Brennstoffzellenstapel (d. h. einer Ionenaustauschmembran, einem Abscheider) in die Kühlflüssigkeit gelangen, sowie andere Elemente, die in die Kühlflüssigkeit gelangen.
Die Kühlflüssigkeit kann dazu gebracht werden, durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung zu strömen, indem eine Pumpe (einschließlich eines Motors als Antriebsquelle) vorübergehend oder intermittierend betrieben wird, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet. Die Kühlflüssigkeit kann auch damit zum Strömen gebracht werden, indem ein Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeit erzeugt wird, um eine Konvektion zu erzeugen. Die Kühlflüssigkeit kann beispielsweise ein entionisiertes Wasser oder eine Kombination aus entionisiertem Wasser und einem Zusatzstoff oder eine andere zum Kühlen verwendet Flüssigkeit außer Wasser sein. Die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung sein, die ein Ionenaustauschharz als ein Filter verwendet, oder eine Vorrichtung sein, die ein Ionenaustauschharz und ein Filter, das die feinen Partikel entfernt, kombiniert.
Die Strömungserzeugungseinrichtung weist bevorzugt eine Verunreinigungserfassungseinrichtung zum Erfassen des Zustands (z. B. einer Menge) von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit auf, und eine Inbetriebnahme-Steuereinrichtung zum Inbetriebnehmen der Brennstoffzelle, wenn eine vorbestimmte Menge oder mehr an Verunreinigungen erfaßt wird. In diesem Fall bedeutet ein Betrieb der Brennstoffzelle, wenn Verunreinigungen erfaßt werden, daß die Brennstoffzelle für den Zweck des Entfernens der Verunreinigungen zu einem Zeitpunkt aktiviert wird, wenn an die Brennstoffzelle kein Leistungsanforderung gestellt wird (d. h. wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist). Daher wird der Zustand der Kühlflüssigkeit überwacht, selbst wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, so daß die Brennstoffzelle in Betrieb genommen werden kann, um die Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit zu entfernen, bevor deren Wert (d. h. die Verunreinigungskonzentration) einen zulässigen Wert bezüglich z. B. dem Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit übersteigt. Der Aufbau ermöglicht, daß eine Pumpe akti viert werden kann, selbst wenn keine Batterie (d. h. eine sekundäre Batterie) vorgesehen ist oder der Ladezustand (SOC = state of charge = Ladezustand) der Batterie niedrig ist.
Die Strömungserzeugungseinrichtung weist bevorzugt eine Verunreinigungserfassungseinrichtung zum Erfassen des Zustands (z. B. der Menge) von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit und eine Pumpensteuerungseinrichtung zum Betreiben der Pumpe auf, wenn eine vorbestimmte Menge oder mehr an Verunreinigungen erfaßt wird. Das Betreiben der Pumpe bedeutet in diesem Fall, daß die Pumpe für den Zweck des Entfernens von Verunreinigungen zu einem Zeitpunkt gestartet wird, wenn beispielsweise an die Brennstoffzelle keine Leistungsanforderung gestellt wird (d. h. wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist). Daher wird der Zustand der Kühlflüssigkeit überwacht, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Wenn der Wert der Verunreinigungen den vorbestimmten Wert übersteigt, wird die Pumpe aktiviert, um die Kühlflüssigkeit durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung zu zirkulieren, um die Verunreinigungen zu entfernen, während die Brennstoffzelle immer noch gestoppt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, daß Verunreinigungen entfernt werden können, während Energie eingespart wird.
Die Strömungserzeugungseinrichtung weist zudem bevorzugt eine Batterie zum Versorgen einer Pumpe mit Leistung auf. Die Pumpensteuerungseinrichtung steuert Betriebsgrößen (wie z. B. die Pumpenbetriebszeit und den Pumpenförderdruck) basierend auf dem Ladezustand der Batterie. Folglich wird die Pumpe betrieben, um die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit ohne Aktivieren der Batterie zu entfernen. Die übermäßige Entladung der Batterie wird ferner gehemmt, indem der Pumpenbetrieb abhängig von dem Ladezustand der Batterie reguliert wird.
Die Verunreinigungserfassungseinrichtung bestimmt bevorzugt eine Veränderung des Zustands (z. B. der Menge) der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist. Die Verunreinigungskonzentration (d. h. die Ionenkonzentration oder die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit), die für die Verunreinigungen (z. B. Ionen) charakteristisch ist, die im Hinblick auf den Zeitbetrag, der verstrichen ist, in die Kühlflüssigkeit gelangt sind, kann im Vorfeld durch Experimente oder Simulation oder dergleichen erhalten werden und beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher einer Systemsteuereinheit gespeichert werden. Die Menge an Verunreinigungen (z. B. Ionen) in der Kühlflüssigkeit kann dann basierend auf dem Zeitbetrag, der verstrichen ist, geschätzt werden. Der Ausdruck „nachdem die Pumpe gestoppt worden ist" ist hier so zu verstehen, daß die Kühlflüssigkeit nicht mehr in die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömen kann, wobei es sich beispielsweise um einen Zustand handelt, der dem ähnlich ist, in dem die Pumpe gestoppt ist.
Die Verunreinigungserfassungseinrichtung bestimmt bevorzugt eine Veränderung des Zustands (z. B. der Menge) von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist, und der Temperatur der Kühlflüssigkeit. Der Begriff „nachdem die Pumpe gestoppt worden ist" ist hier z. B. zu verstehen als, nachdem die Kühlflüssigkeit nicht mehr in die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömen kann. Die Kennlinie bzw. Charakteristik der Verunreinigungskonzentration (d. h. die Ionenkonzentration oder die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit) weist als Parameter den Zeitbetrag, während dem die Verunreinigungen (z. B. Ionen) sich in der Kühlflüssigkeit aufgehalten haben (d. h. die verstrichene Zeit), und die Kühlflüssigkeitstemperatur auf. Diese Kennlinie der Verunreinigungskonzentration kann im Vorfeld durch Experimente oder Simulation oder dergleichen erhalten werden und beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher einer Systemsteuereinheit gespeichert werden. Die Menge der Verunreinigungen (z. B. Ionen) in der Kühlflüssigkeit kann basierend auf dem Zeitbetrag, der verstrichen ist, und der Temperatur geschätzt werden.
Die Strömungserzeugungseinrichtung kann eine Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Temperaturunterschieds zwischen einem Abschnitt der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsleitung und der Kühlflüssigkeit anderenorts aufweisen. Dieser Temperaturunterschied erzeugt eine Konvektion innerhalb einer Kühlflüssigkeitsleitung, die bewirkt, daß die Kühlflüssigkeit durch die Verunrei nigungsentfernungsvorrichtung strömt, so daß die Verunreinigungen entfernt werden, ohne die Pumpe zu betreiben, selbst wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet. Weil die Pumpe (oder der Antriebsmotor) nicht in Betrieb ist, ist es möglich, nicht nur die Menge an durch das System verbrauchter Energie, sondern auch die Geräuschentwicklung während des Betriebs zu reduzieren.
Die Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung kann eine Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen einer Wärmeenergie von außerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung in das Innere der Kühlflüssigkeitsleitung sein. Die Wärmeübertragungseinrichtung entspricht beispielsweise einer Wärmeaustauschrippe, einer Wärmerohrleitung oder einem Kühler oder dergleichen zum Reduzieren (oder Erhöhen) der Temperatur eines Teils der Kühlflüssigkeitsleitung. Die Wärmeaustauschrippe ist der Außenluft oder Wärme von einer anderen Wärmequelle ausgesetzt und führt einen Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit aus. Die von einer wasserstoffspeichernden Legierung, einer Heizvorrichtung, einer erwärmten Kühlflüssigkeit oder durch Sonnenwärme oder dergleichen erzeugte Wärme kann ebenfalls als Wärmequelle verwendet werden.
Ferner weist die Wärmeübertragungseinrichtung einen Wärmeaustauscher (wie z. B. einen Kühler in einem Fahrzeug oder einer stehenden Karosserie) auf, der die Wärmeenergie von außerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung nach innen überträgt. Die Wärmeübertragungseinrichtung kann auch ein Schaltventil, das einen Weg für die Kühlflüssigkeit zu dem Wärmeaustauscher einrichtet oder aushebt, aufweisen. Dadurch wird die Notwendigkeit ausgeschlossen, eine Zusatzvorrichtung bereitzustellen, die nur verwendet wird, wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt ist, und somit der Aufbau des Kühlsystems vereinfacht.
Die Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung kann ein exothermer Körper oder ein endothermer Körper sein, wie z. B. eine Heizvorrichtung oder ein thermoelektrisches Element. Dadurch wird ermöglicht, daß ein Temperaturunterschied aktiv in der Kühlflüssigkeit erzeugt werden kann, um eine Konvektion zu erzeugen.
Die Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung kann ein Akkumulator sein, der Wärme speichert, wenn die Brennstoffzelle arbeitet, und diese Wärme zur Kühlflüssigkeitsleitung überträgt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet. Dementsprechend wird durch das Speichern der Wärme, die erzeugt wird, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist, und das Verwenden der Wärme, während die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, die Notwendigkeit aufgehoben, eine für diesen Zweck vorgesehene Wärmequelle bereitzustellen.
Der Akkumulator kann eine Kühlflüssigkeits-Speichervorrichtung sein, die die Kühlflüssigkeit speichert. Der Akkumulator kann auch eine Zuführsteuerungsvorrichtung aufweisen, die, als Reaktion auf einen Temperaturunterschied, die erwärmte Kühlflüssigkeit, die gespeichert wurde, während die Brennstoffzelle in Betrieb war, der Kühlflüssigkeitsleitung zuführt.
Die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung kann zudem mit einem Wärmeaustauscher (wie z. B. einem Kühler in einem Fahrzeug oder einer stehenden Karosserie) als die Kühlvorrichtung versehen sein.
Ferner kann der Wärmeaustauscher (z. B. der Kühler) bei dieser Erfindung einen oberen Behälter und einen unteren Behälter, eine Mehrzahl von dünnen Rohrleitungen und eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung (z. B. ein Ionenfilter) aufweisen. Der obere Behälter und der untere Behälter speichern eine Kühlflüssigkeit. Die dünnen Rohrleitungen weisen Wärmeaustauschrippen auf, die auf denselben ausgebildet sind, und verbinden den oberen Behälter mit dem unteren Behälter, um dazwischen eine Kühlflüssigkeit zu übertragen. Die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung ist in einen Abschnitt von der Mehrzahl von dünnen Rohrleitungen eingebaut und entfernt die Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit.
Folglich besteht die Möglichkeit, eine Struktur zum Entfernen von Verunreinigungen (z. B. Ionen) in den Wärmeaustauscher (z. B. Kühler) einzubauen und somit die Verunreinigungen (z. B. Ionen) an einer Position nahe der Stelle, wo sie in die Kühlflüs sigkeit gelangt sind, zu entfernen. Ferner besteht die Möglichkeit, strukturelle Anbauten an das Kühlsystem der Brennstoffzelle für den Zweck des Entfernens von Verunreinigungen (z. B. Ionen) zu minimieren.
Die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung kann ein Ionenaustauschharz zum Entfernen von Ionen innerhalb der Kühlflüssigkeit, und einen Partikelfilter zum Entfernen von Partikeln innerhalb der Kühlflüssigkeit aufweisen.
Ferner wird bevorzugt ein Temperaturunterschied zwischen den dünnen Rohrleitungen, die in die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung eingebaut sind, und anderen dünnen Rohrleitungen erzeugt. Folglich wird eine Konvektion innerhalb des Wärmeaustauschers (z. B. Kühlers) erzeugt, was dazu führt, daß die Kühlflüssigkeit durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung zirkulieren kann.
Gemäß dieser Erfindung weist ein weiteres Kühlsystem einer Brennstoffzelle, das die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem derselben mit einer Pumpe eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird, eine Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen der Menge von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag auf, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist. Dementsprechend kann, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen oder gestoppt wird, eine Warnanzeige basierend auf dieser geschätzten Verunreinigungsmenge erzeugt werden, und die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung kann gestartet werden, um die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit zu entfernen. Gemäß dieser Erfindung weist ein weiteres Kühlsystem der Brennstoffzelle zudem eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem derselben mit einer Pumpe eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird, und eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung auf, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist und die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit entfernt. Das Kühlsystem weist ferner eine Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen einer Menge von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag auf, der verstrichen ist, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, einen Anstieg der Konzentration von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit zu unterdrücken, selbst wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgerüstet ist, ausgeschaltet ist, indem ein Anstieg der Verunreinigungskonzentration in der Kühlflüssigkeit prognostiziert und die Pumpe für eine vorbestimmte Zeitdauer basierend auf dieser Prognose betrieben wird. Gemäß der Erfindung weist zudem ein Kühlsystem der Brennstoffzelle eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem derselben mit einer Pumpe eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird, eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist und Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit entfernt, und eine Strömungserzeugungseinrichtung auf, um zu bewirken, daß die Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, während die Pumpe der Brennstoffzelle gestoppt ist. Die Strömungserzeugungseinrichtung in diesem Kühlsystem weist eine Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen einer Menge von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist, und eine Pumpensteuereinrichtung zum Betreiben der Pumpe auf, wenn die geschätzte Verunreinigungsmenge einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Dieser Aufbau ermöglicht es, einen Anstieg der Konzentration von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit zu unterdrücken. selbst wenn die Brennstoffzelle nicht in arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgerüstet ist, abgeschaltet ist, indem eine Anstieg der Konzentration von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit prognostiziert wird und die Pumpe für eine vorbestimmte Zeitdauer basierend auf dieser Prognose betrieben wird.
Die Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung behält bevorzugt eine Verunreinigungskonzentrationsanstiegs-Kennlinie der Kühlflüssigkeit über einen Zeitraum bei, und schätzt, anhand dieser Kennlinie, die Verunreinigungskonzentration (oder Verunreinigungsmenge, Leitfähigkeit) entsprechend der seit dem Abschalten des Systems verstrichenen Zeit. Folglich können die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit immer noch entfernt werden, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer nach dem Abschalten des Systems verstrichen ist, selbst wenn keine Meßvorrichtung (z. B. ein Detektor) zum direkten Erfassen der Verunreinigungskonzentration verwendet wird.
Die Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung behält bevorzugt eine Mehrzahl von Verunreinigungskonzentrationsanstiegs-Kennlinien der Kühlflüssigkeit über einen Zeitraum bei, wobei die Kühlflüssigkeitstemperatur als ein Parameter verwendet wird, und schätzt anhand dieser Kennlinien die Verunreinigungskonzentration (oder Verunreinigungsmenge, Leitfähigkeit) entsprechend der nach dem Abschalten des Systems verstrichenen Zeit und der Temperatur der Kühlflüssigkeit. Folglich können die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit immer noch entfernt werden, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer nach dem Abschalten des Systems verstrichen ist, selbst wenn keine Meßvorrichtung (z. B. ein Detektor) zum direkten Erfassen der Verunreinigungskonzentration verwendet wird.
Die Erfindung ermöglicht, daß Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle entfernt werden, selbst wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgerüstet ist, abgeschaltet worden ist, indem die Kühlflüssigkeit durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung bewegt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Ansicht, die eine erste exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ist ein Flußdiagramm, das den Steuerbetrieb einer Steuerung gemäß er ersten exemplarischen Ausführungsform darstellt;
3 ist ein Betriebszeitsteuerungs-Graph, der den Betrieb gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform darstellt;
4 ist eine Ansicht, die eine zweite exemplarische Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ist ein Flußdiagramm, das den Steuerbetrieb der Steuerung gemäß einer zweiten exemplarischen Ausführungsform darstellt;
6 ist eine Ansicht, die eine dritte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 ist ein Flußdiagramm, das den Steuerbetrieb der Steuerung gemäß der dritten exemplarischen Ausführungsform darstellt;
8 ist ein Graph, der eine Anstiegstendenz bezüglich der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit darstellt;
9 ist ein Graph, der die Tendenz der Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit, sich im Laufe der Zeit zu verringern, wenn die Wasserpumpe in Betrieb ist, darstellt;
10 ist ein Flußdiagramm, das den Steuerbetrieb der Steuerung gemäß einer vierten exemplarischen Ausführungsform darstellt;
11 ist eine Ansicht, die eine fünfte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
12 ist eine Ansicht, die eine sechste exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
13 ist eine Ansicht, die eine siebte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
14 ist eine Ansicht, die eine achte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
15 ist eine Ansicht, die eine neunte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den spezifischen Widerständen (1/Leitfähigkeit) der Kühlflüssigkeit zwischen den Elektroden und dem Wärmebetrag, der durch die Kühlflüssigkeit erzeugt wird, gemäß der neunten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung darstellt,
17 ist eine Ansicht, die eine zehnte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
18 ist eine Ansicht, die eine elfte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
19 ist eine Ansicht, die eine zwölfte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
20 ist eine Ansicht, die ein Beispiel von Rippen darstellt, die auf einem Ionenfilter bereitgestellt sind;
21 ist eine Schnittansicht, die eine Kennlinie des mit Rippen versehenen Ionenfilters darstellt;
22 ist eine Ansicht, die eine dreizehnte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt;
23 ist eine Ansicht, die eine vierzehnte exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
24 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts eines Kühlers;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der nachstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung wird die vorliegende Erfindung bezüglich der exemplarischen Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. In den exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Anstieg der Konzentration von Verunreinigungen, wie z. B. Ionen und Partikeln, die in die Kühlflüssigkeit gelangt sind, unterdrückt, selbst wenn eine Brennstoffzelle keine Elektrizität erzeugt, indem die Kühlflüssigkeit durch ein Ionenfilter geleitet wird, das als eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung dient. Die Kühlflüssigkeit kann dazu gebracht werden, durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung zu strömen, indem sie beispielsweise durch eine Wasserpumpe (Antriebspumpe) der Brennstoffzelle zirkuliert wird, die intermittierend in Betrieb genommen wird, wie dies bei der ersten bis fünften Ausführungsform der Fall ist. In diesem Fall kann die Pumpe als Reaktion auf den Zustand (z. B. die Menge) der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit, z. B. als Reaktion auf die Leitfähigkeit oder Verunreinigungskonzentration, intermittierend betrieben werden. Als Alternative kann die Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle dazu gebracht werden, durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung durch eine Konvektion zu strömen, die durch einen Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeit erzeugt wird, wie dies in der sechsten bis vierzehnten exemplarischen Ausführungsform der Fall ist. Eine Mehrzahl dieser exemplarischen Ausführungsformen kann zudem zweckmäßig kombiniert werden.
Eine erste exemplarische Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. Diese exemplarische Ausführungsform ermöglicht, daß Ionen in der Kühlflüssigkeit entfernt werden können, während möglichst viel Energie eingespart wird, indem eine Wasserpumpe 16 intermittierend betrieben wird, d. h. nur wenn eine Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit ansteigt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines Brennstoffzellensystems, das eine Wasserpumpe intermittierend betreibt. 2 ist ein Flußdiagramm, das einen Steuerbetrieb einer Steuerung 30 in dem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems darstellt. 3 ist ein Graph, der ein Beispiel einer Veränderung in der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in einer Kühlflüssigkeitsleitung und ein Betriebsbeispiel der Wasserpumpe 16 darstellt, die als Reaktion auf die Verunreinigungsionenkonzentration gesteuert wird.
Bei dem Aufbau des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, das in 1 gezeigt ist, dient ein Kühler 11 als ein Wärmeaustauscher, der eine Kühlflüssigkeit 12 unter Verwendung von Außenluft kühlt. Diese Kühlflüssigkeit 12 ist vorwiegend entionisiertes Wasser und unfrierbares Wasser. Die Kühlflüssigkeit 12 wird zwischen dem Kühler 11 und einer Brennstoffzelle 13 über eine Kühlflüssigkeitsleitung 14 zirkuliert. Eine Umgehungsleitung 19, durch die die Kühlflüssigkeit 12 auch zirkuliert werden kann und die den Kühler 11 umgeht, ist vorgesehen. Ein Drehventil 15 schaltet den Weg der Kühlflüssigkeit 12, wobei sie dieselbe entweder zum Kühler 11 oder zur Umgehungsleitung 19 leitet. Eine Wasserpumpe 16 zirkuliert die Kühlflüssigkeit 12, während ein Ionenfilter 17 Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit 12 entfernt. Es ist wünschenswert, daß das Ionenfilter 17 nahe dem Abschnitt vorgesehen ist, wo die Kühlflüssigkeit in die Brennstoffzelle 13 eintritt, so daß die Kühlflüssigkeit 12, aus der die Verunreinigungsionen entfernt worden sind, der Brennstoffzelle 13 zugeführt wird. Die Wärmeaustauschrippen 18 (oder eine Wärmerohrleitung mit eingebauten Rippen), die als Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen von Wärme zwischen dem Ionenfilter 17 und der Außenluft dienen, können auf dem Ionenfilter 17 (siehe 19 und 20) vorgesehen sein. Diese Wärmeaustauschrippen 18 werden an späterer Stelle ausführlicher beschrieben. Die durch die Brennstoffzelle 13 erzeugte elektrische Energie wird beispielsweise einer sekundären Batterie 42 oder einem Wechselrichter zugeführt, der einen nicht gezeigten Fahrzeugmotor über ein Einwegelement ansteuert, das ermöglicht, daß eine Leistung in einer Richtung fließen kann, und verhindert, daß sie in die andere fließt.
Eine Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 ist in der Mitte der Kühlflüssigkeitsleitung 14 vorgesehen, um die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 zu erfassen. Das Ausgangssignal von der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 wird an die Steuerung (oder Steuerungseinheit) 30 gesendet. Diese Steuerung 30 steuert den Betrieb eines Ansteuerschaltkreises 43, der eine Leistung von der sekundären Batterie 42 zu der Wasserpumpe 16 trägt. Die Steuerung 30 steuert zudem den Wegeschaltbetrieb des Drehventils 15. Die Steuerung 30 kann beispielsweise ein Computersystem sein, das separat als ein Kühlungssteuerungssytem der Brennstoffzelle 13 vorgesehen ist, oder die Funktionen der Steuerung 30 können einfach durch Funktionen eines Steuerungscomputers des Brennstoffzellensystems realisiert werden.
Der Steuerbetrieb der Steuerung 30 wird nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. Die Steuerung 30 überwacht die Innentemperatur der Brennstoffzelle 13 oder die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 oder dergleichen, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist, und steuert die Wasserpumpe 16, um die Strömungsmenge der Kühlflüssigkeit 12 basierend auf der überwachten Temperatur zu regulieren, so daß die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 13 gleich einer Solltemperatur wird. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 niedrig ist, schaltet die Steuerung 13 zudem das Drehventil 15 auf die Seite der Umgehungsleitung 19, um einen weiteren Rückgang der Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 zu unterdrücken. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 hoch ist, schaltet die Steuerung 30 das Drehventil 15 auf die Seite des Kühlers 11, um die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 zu senken, um das Innere der Brennstoffzelle 13 auf Solltemperatur zu halten. Wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist, zirkuliert die Kühlflüssigkeit 12 durch die Kühlflüssigkeitsleitung 14 und gelangt durch das Ionenfilter 17, so daß die Verunreinigungen (z. B. Ionen) in der Kühlflüssigkeit 12 entfernt werden. Folglich kann ein Anstieg der Ionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 unterdrückt werden.
Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Das heißt, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, wird ein intermittierender Betriebssteuerungsmodus einer Wasserpumpe (d. h. JA bei Schritt 12) gemäß einem Ausgangssignal ausgeführt, das durch einen inneren Zeitgeber zyklisch erzeugt wird.
Die Steuerung 30 liest das Ausgangssignal von der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 (Schritt S14). Wenn die Wasserpumpe 16 gestoppt wird, indem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt wird oder ein System in einem Fahrzeug, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet wird, steigt die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 allmählich an, wie in dem Graphen in 3 gezeigt ist, der die Leitfähigkeit entsprechend der Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 darstellt.
Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, unmittelbar nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt wird, einen oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet (d. h. NEIN bei Schritt S16) unterschreitet und zudem einen unteren Grenzbezugswert ρ min unterschreitet (d. h. JA bei Schritt S22), bestätigt die Steuerung 30, daß die Wasserpumpe 16 gestoppt worden ist (d. h. NEIN bei Schritt S24), und die Steuerung wird beendet (Schritt S29).
Wenn die Steuerung 30 bestimmt, daß die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet, wie in 3 gezeigt ist, (d. h. JA bei Schritt S16), setzt die Steuerung das Wasserpumpen-Flag auf EIN (Schritt S18) und steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um die Wasserpumpe 16 (Schritt S20) zu aktivieren, nachdem die Steuerung beendet worden ist (Schritt S29). Wenn die Wasserpumpe 16 aktiviert ist, zirkuliert sie die Kühlflüssigkeit 12 durch die Kühlflüs sigkeitsleitung 14, so daß die Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 entfernt werden.
Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 bei vorbestimmten Abtastzyklen und aktiviert die Wasserpumpe 16, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet (Schritte S12 bis S20 und S29).
Wenn die Wasserpumpe 16 aktiviert wird, um die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 mit dem Ionenfilter 17 zu entfernen, und infolgedessen die Verunreinigungsionenkonzentration reduziert wird, so daß die Verunreinigungsionenkonzentration geringer ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. NEIN bei Schritt S16), aber größer oder gleich dem unteren Grenzbezugswert (d. h. NEIN bei Schritt S22), setzt die Steuerung 30 den Betrieb der Wasserpumpe 16 fort, und die Steuerung wird beendet (Schritte S16, S22 und S29).
Wen die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 abnimmt, so daß sie geringer ist als der untere Grenzbezugswert ρ min (d. h. JA bei den Schritten S16 und S22), bestätigt die Steuerung 30, daß das Wasserpumpen-Flag EIN ist (d. h. daß die Wasserpumpe 16 in Betrieb ist, d. h. JA bei Schritt S24) und steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um die Wasserpumpe 16 abzuschalten (Schritt S26). Die Steuerung 30 setzt dann das Wasserpumpen-Flag zurück (Schritt S28) und beendet die intermittierende Betriebssteuerung der Wasserpumpe 16 (Schritt S29).
Wenn die Wasserpumpe 16 betrieben wird (Schritt S20), kann die Steuerung 30 die Pumpenbetriebszeit und den Pumpenförderdruck (d. h. Pumpenbetriebsgrößen) und dergleichen basierend auf dem Ladezustand (der nachstehend einfach als „SOC" bezeichnet wird) der sekundären Batterie 42 einstellen. Dadurch wird ermöglicht, daß die Zeit, in der die sekundäre Batterie 42 verwendet werden kann, so lange wie möglich verlängert werden kann.
Folglich ist die Steuerung 30 in der Lage, die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) zu reduzieren und dadurch eine Abnahme des Isolierwiderstands der Kühlflüssigkeit 12, die durch die Brennstoffzelle 13 zirkuliert, zu unterdrücken, indem die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 konstant überwacht wird, indem das Ausgangssignal von der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 zu vorbestimmten Zyklen überwacht wird, und die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 durch intermittierendes Betreiben der Wasserpumpe 16 entfernt werden, wie in 3 gezeigt ist. Dadurch wird die Notwendigkeit für einen Verfahrensschritt zum Entfernen der Verunreinigungsionen, um den Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit beim Inbetriebnehmen der Brennstoffzelle zu erhöhen, aufgehoben und somit die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle verkürzt. Da zudem die Steuerung 30 die Pumpe intermittierend betreibt, d. h. nur bei Bedarf und auch dann nur für den dafür notwendigen Zeitraum, kann die durch die sekundäre Batterie 42 verbrauchte elektrische Energiemenge auf dem absoluten Minimum gehalten werden.
Gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform wird ein Nachlaufen, bei dem die Wasserpumpe 16 wiederholt und häufig ein- und ausgeschaltet wird, verhindert, indem eine Steuerung ausgeführt wird, bei der die Wasserpumpe 16 aktiviert wird, wenn eine Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet, und abgeschaltet wird, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration den unteren Grenzbezugswert ρ min unterschreitet (siehe 3). Alternativ kann die Wasserpumpe 16 für einen vorbestimmten Zeitraum aktiviert werden, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet, und dann gestoppt werden, sobald der vorbestimmte Zeitraum verstrichen ist. Dieser vorbestimmte Zeitraum kann in dem Kühlsystem einer jeden Brennstoffzelle basierend auf einer Kennlinie bestimmt werden, bei der die Leitfähigkeit mit zunehmender Betriebszeit der Wasserpumpe 16 abnimmt, wie in 3 gezeigt ist, und welche durch Experimente erhalten wird.
Eine zweite exemplarische Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. 4 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines Brennstoffzellensystems, das die Wasserpumpe gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform intermittierend aktiviert. In der Beschreibung der zweiten exemplarischen Ausführungsform werden Abschnitte des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, das in 4 und 5 gezeigt ist, die Abschnitten des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems entsprechen, das in 1 gezeigt ist, unter Verwendung der selben Bezugszeichen und Bezeichnungen benannt, die bei der Beschreibung der ersten exemplarischen Ausführungsform verwendet werden. Auf überflüssige Beschreibungen derselben wird verzichtet. 5 ist ein Flußdiagramm, das die Steuerung der Steuerung 30 über das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform darstellt.
Bei der ersten exemplarischen Ausführungsform wird die Wasserpumpe 16 durch die sekundäre Batterie 42 angesteuert, während bei der zweiten exemplarischen Ausführungsform die Brennstoffzelle 13 in Betrieb genommen und verwendet wird, um die Wasserpumpe 16 anzusteuern. Daher kann die zweite exemplarische Ausführungsform auf einen Fall angewendet werden, in dem die sekundäre Batterie 42 nicht in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, oder wenn die sekundäre Batterie bereitgestellt ist, auf einen Fall, in dem der Ladezustand der sekundären Batterie 42 niedrig ist, oder auf einen Fall, in dem ein Problem mit der sekundären Batterie 42 (wie z. B. ein Batterieausfall oder eine Reduktion der Batteriefunktion) vorliegt.
Bei der zweiten exemplarischen Ausführungsform ist die sekundäre Batterie 42 nicht bereitgestellt, wie aus 4 hervorgeht. Selbst wenn die sekundäre Batterie 42 bereitgestellt ist, wird die Brennstoffzelle 13 immer noch als die Quelle zum Zuführen einer Leistung zum Ansteuern der Wasserpumpe 16 verwendet, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Der Aufbau der zweiten exemplarischen Ausführungsform ist ansonsten mit derjenigen der ersten exemplarischen Ausführungsform identisch.
Anschließend wird der Steuerungsbetrieb der Steuerung 30 gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Abschnitte in dem in 5 gezeigten Flußdiagramm, die Abschnitten in dem Flußdiagramm entsprechen, die in 2 gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen benannt. Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Das heißt, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, wird der intermittierende Betriebssteuerungsmodus der Wasserpumpe gemäß einem durch einen inneren Zeitgeber zyklisch erzeugten Ausgangssignal ausgeführt (d. h. JA bei Schritt S12).
Die Steuerung 30 liest das Ausgangssignal von der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 (Schritt S14). Wenn die Wasserpumpe 16 gestoppt wird, indem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt wird, oder das Systems in einem Fahrzeug, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet wird, steigt die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 allmählich an, wie in dem Graphen in 3 gezeigt ist, der die Leitfähigkeit entsprechend der Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 darstellt. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, unmittelbar nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems abgeschaltet worden ist, den oberen Grenzbezugswert ρ max unterschritten hat (d. h. NEIN bei Schritt S16) und zudem den unteren Grenzbezugswert ρ min (d. h. JA bei Schritt S22) unterschritten hat, bestätigt die Steuerung 30, daß die Wasserpumpe 16 gestoppt ist (d. h. NEIN bei Schritt S24), und die Steuerung wird beendet (Schritt S29).
Wenn die Steuerung 30 bestimmt, daß die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) den oberen Grenzbezugswert ρ max überschritten hat; wie in 3 gezeigt ist (d. h. JA bei Schritt S16), setzt die Steuerung 30 das Wasserpumpen-Flag auf EIN (Schritt S18) und führt der Brennstoffzelle 13 Luft und Brennstoffgas, nicht ge zeigt, zu, wodurch dieselbe aktiviert wird und sichergestellt wird, daß der Wasserpumpe 16 Leistung zugeführt werden kann (Schritt S19). Die Steuerung 30 steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um die Wasserpumpe 16 zu aktivieren (Schritt S20), woraufhin die Steuerung beendet wird (Schritt S29). Wenn die Wasserpumpe 16 aktiviert ist, zirkuliert sie die Kühlflüssigkeit 12 durch die Kühlflüssigkeitsleitung 14, so daß die Verunreinigungsionen durch das Ionenfilter 17 aus der Kühlflüssigkeit 12 entfernt werden.
Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 zu vorbestimmten Abtastzyklen und aktiviert die Wasserpumpe 16, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet (Schritte S12 bis S20 und S29). Wenn die Wasserpumpe 16 aktiviert ist, um die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 mit dem Ionenfilter 17 zu entfernen, und folglich die Verunreinigungsionenkonzentration derart reduziert wird, daß die Verunreinigungsionenkonzentration kleiner ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. NEIN bei Schritt S16), aber größer oder gleich dem unteren Grenzbezugswert ρ min (d. h. NEIN bei Schritt S22), setzt die Steuerung 30 den Betrieb der Wasserpumpe 16 fort und die Steuerung wird beendet (Schritte S16, S22 und S29).
Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 so abnimmt, daß sie den unteren Grenzbezugswert ρ min unterschreitet (d. h. JA bei den Schritten S16 und S22), bestätigt die Steuerung 30, daß das Wasserpumpen-Flag EIN ist (d. h. daß die Wasserpumpe 16 in Betrieb ist, d. h. JA bei Schritt S24) und steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um die Wasserpumpe 16 abzuschalten (Schritt S26). Die Zufuhr von Luft und Brenngas zu der Brennstoffzelle 13 wird unterbrochen und die Brennstoffzelle 13 stoppt den Betrieb (Schritt S27). Die Steuerung 30 setzt dann das Wasserpumpen-Flag zurück (Schritt S28) und beendet die intermittierende Betriebssteuerung der Wasserpumpe (Schritt S29).
Auch bei der zweiten exemplarischen Ausführungsform wird verhindert, daß die Wasserpumpe 16 häufig und wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, indem der obere Grenzbezugswert ρ max, der zum Auslösen einer Aktivierung der Wasserpumpe 16 verwendet wird, unterschiedlich zu dem unteren Grenzbezugswert ρ min eingestellt wird, der zum Auslösen einer Deaktivierung der Wasserpumpe 16 verwendet wird.
Folglich ist die Steuerung 30 in der Lage, eine Reduktion des Isolierwiderstands der Kühlflüssigkeit 12, die durch die Brennstoffzelle 13 zirkuliert, zu verhindern, indem die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 durch Überwachen des Ausgangssignals von der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung zu vorbestimmten Zyklen konstant überwacht wird und die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 durch einen intermittierenden Betrieb der Wasserpumpe 16 entfernt werden, wie in 3 gezeigt ist, und zwar genauso wie in der ersten exemplarischen Ausführungsform. Dadurch wird die Notwendigkeit für einen Prozeßschritt zum Entfernen von Verunreinigungsionen, um den Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit beim Inbetriebnehmen der Brennstoffzelle zu erhöhen, aufgehoben und somit die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle verkürzt. Da die Steuerung 30 zudem die Wasserpumpe 16 aktiviert, indem bei Bedarf die Brennstoffzelle 13 in Betrieb genommen wird, kann diese exemplarische Ausführungsform auch auf einen Aufbau angewendet werden, bei dem die sekundäre Batterie 42 nicht bereitgestellt ist (siehe 1).
Selbst dann, wenn die sekundäre Batterie 42 bereitgestellt ist, wenn der Ladezustand der sekundären Batterie 42 niedrig ist, besteht die Möglichkeit, die Wasserpumpe 16 anzusteuern, während die sekundäre Batterie 42 aufgeladen wird, indem von dem Steuermodus der ersten exemplarischen Ausführungsform auf den Steuermodus der zweiten exemplarischen Ausführungsform geschaltet wird. Dadurch wird es ermöglicht, eine sogenannte Batterieentladung der sekundären Batterie 42 zu verhindern.
Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet, können auch bei dieser exemplarischen Ausführungsform die Brennstoffzelle 13 und die Wasserpumpe 16 ebenfalls für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert und dann abgeschaltet werden, sobald die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Die vorbestimmte Zeitdauer kann, wie in 3 gezeigt ist, basierend auf einer durch Experimente erhaltenen Kennlinie ermittelt werden, bei der in dem Kühlsystem einer jeden Brennstoffzelle die Leitfähigkeit abnimmt, während die Betriebszeit der Wasserpumpe 16 ansteigt.
Gemäß den vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsformen wird die Wasserpumpe 16 vorübergehend betrieben, um die Ionen in der Kühlflüssigkeit 12 zu entfernen, wenn die Ionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 eine vorbestimmten Wert überschreitet, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
Ferner können sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform das Ionenfilter 17 und die Wärmeaustauschrippen 18, die an späterer Stelle beschrieben werden sollen, in Kombination verwendet werden, um die Verunreinigungen zu entfernen. Dadurch wird die Zeitdauer verlängert, die notwendig ist, damit die Ionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 den oberen Grenzbezugswert ρ max überschreitet, wodurch die Anzahl der Male reduziert wird, die die Wasserpumpe 16 aktiviert wird, wodurch Energie gespart wird.
Eine dritte exemplarische Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 6 bis 9 beschrieben. 6 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines Brennstoffzellensystems, das eine Wasserpumpe gemäß einer dritten exemplarischen Ausführungsform intermittierend aktiviert. 7 ist ein Flußdiagramm, das die Steuerung der Steuerung 30 in bezug auf das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems gemäß der dritten exemplarischen Ausführungsform darstellt. 8 ist ein Graph, der die Neigung der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, im Laufe der Zeit und mit dem Anstieg der Temperatur der Kühlflüssigkeit anzusteigen, veranschaulicht. 9 ist ein Graph, der die Neigung der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, abzunehmen, während die Wasserpumpe 16 betrieben wird und die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 gepumpt wird, veranschaulicht.
In der dritten exemplarischen Ausführungsform wird die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 basierend auf der Zeit, die verstrichen ist, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 oder ein System eines mit der Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugs abgeschaltet worden ist, oder basierend auf der verstrichenen Zeit und der Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 geschätzt. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration größer ist als ein vorbestimmter Wert, wird die Wasserpumpe 16 nur für eine Zeitdauer aktiviert, die der geschätzten Verunreinigungsionenkonzentration entspricht.
Bei der Beschreibung der dritten exemplarischen Ausführungsform werden Abschnitte des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, das in 6 gezeigt ist, die den Abschnitten des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, das in 1 gezeigt ist, entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen und der gleichen Nomenklatur bezeichnet, die bei der Beschreibung der ersten exemplarischen Ausführungsform verwendet wurden. Auf überflüssige Beschreibungen derselben wird verzichtet. Diese exemplarische Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten exemplarischen Ausführungsform dahingehend, daß die Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 nicht enthalten ist und daß ein Temperaturmeßgerät 44 zum Erfassen der Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 beinhaltet ist. Weil das Betriebssteuerungssystem (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle 13 zweckmäßiger Weise eine Einrichtung zum Erfassen der Temperatur eines jeden Abschnitts des Brennstoffzellensystems, einschließlich der Kühlflüssigkeit, aufweist, können auch Ausgangssignale derselben verwendet werden. Das Ausgangssignal von dem Temperaturmeßgerät 44 wird der Steuerung 30 zugeführt.
Weil Temperatur und Zeit Faktoren sind, die, wenn Ionen in die Kühlflüssigkeit 12 gelangen, (d. h. bezüglich der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit 12), zu berücksichtigen sind, wird eine Kennlinie der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) im Zeitverlauf (d. h. ein Kennfeld des Anstiegs der Ionenkonzentration (Leitfähigkeit) gemäß der Kühlflüssigkeitstemperatur und der verstrichenen Zeit), bei der die Kühlflüssigkeitstemperatur ein Parameter ist, in dem Speicher der Steuerung 20 im vor aus gespeichert, wie in 8 gezeigt ist. Eine einfachere Kennlinie des Anstiegs der Leitfähigkeit im Zeitverlauf, nachdem der Betrieb abgeschaltet worden ist, kann ebenso gespeichert werden.
Ein Beispiel für eine Kennlinie der Menge der Verunreinigungsionen, die in bezug auf die Betriebszeit der Wasserpumpe entfernt werden, ist ebenfalls in dem Speicher der Steuerung 30 gespeichert, wie in 9 gezeigt ist. Der Aufbau der dritten exemplarischen Ausführungsform ist ansonsten mit dem der ersten exemplarischen Ausführungsform identisch.
Anschließend wird der Betrieb der Steuerung 30 unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, selbst wenn die Brennstoffzelle 12 nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Das heißt, daß während der intermittierenden Betriebssteuerung der Wasserpumpe, ein nicht gezeigter interner Zeitgeber in Betrieb genommen wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt worden ist oder ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, und dieser Zeitgeber in Betrieb geht, um die Zeit zu erfassen, die verstrichen ist, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 abgeschaltet worden ist oder das System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet worden ist. Während die Brennstoffzelle nicht arbeitet oder das Fahrzeugsystem abgeschaltet ist, wird eine intermittierende Betriebssteuerung einer Wasserpumpe gemäß einem Ausgangssignal ausgeführt, das durch einen internen Zeitgeber zyklisch erzeugt wird (d. h. JA bei Schritt S32).
Die Steuerung 30 liest das aktuelle Ausgangssignal des Temperaturmeßgeräts 44 (Schritt S34). Die Steuerung 30 liest dann das Ausgangssignal von dem internen Zeitgeber sowie die Zeit, die seit dein Abschalten des Betriebs der Brennstoffzelle 13 bis zum momentanen Zeitpunkt verstrichen ist (Schritt S36). Die Steuerung 30 wählt dann eine charakteristisch gekrümmte (oder gerade) Linie der gelesenen Temperatur aus der Gruppe der aufgetragenen Kennlinien der Verunreinigungsionenkonzentration im Zeit verlauf aus, die in dem Speicher der Steuerung 30 im voraus gespeichert wurden, wie in 8 gezeigt (Schritt S38). Die Steuerung 30 liest die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) im Zeitverlauf anhand der ausgewählten, charakteristischen, gekrümmten Linie und schätzt die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) (Schritt S40). Die Steuerung bestimmt dann, ob die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) größer ist als ein oberer Grenzbezugswert ρ max (Schritt S42).
Wenn die Steuerung 30 bestimmt, daß die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) nicht größer ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. NEIN bei Schritt S42), wird die Steuerung beendet (Schritt S58).
Wenn hingegen die Steuerung 30 bestimmt, daß die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) größer ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. JA bei Schritt S42), fährt die Steuerung 30 damit fort, die charakteristisch gekrümmte (oder gerade) Linie zu lesen, die in 9 gezeigt ist, die in einem Speicher gespeichert ist, und schätzt die Betriebszeit der Wasserpumpe 16, die notwendig ist, um die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) auf eine Sollkonzentration (wie z. B. die maximale Konzentration, die durch das Ionenfilter entfernt werden kann und die nachstehend als die „Entfernungsgrenzkonzentration" bezeichnet wird) ρ 0 zu reduzieren, die kleiner ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (Schritt S44). Die Steuerung 30 stellt dann den internen Zeitgeber auf die geschätzte Betriebszeit ein (Schritt S46) und steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um mit der Zufuhr von Leistung von der sekundären Batterie 42 zur Wasserpumpe 16 zu beginnen (Schritt S50). Die Wasserpumpe 16 setzt den Betrieb fort, bis die geschätzte Betriebszeit, auf die der interne Zeitgeber eingestellt ist, verstrichen ist (d. h. NEIN bei Schritt S52; Schritt S50).
Sobald die geschätzte Betriebszeit verstrichen ist (d. h. JA bei Schritt S52), schaltet die Steuerung 30 die Wasserpumpe 16 ab (Schritt S54), setzt den internen Zeitgeber zurück und beginnt, die Zeit zwischen Schritt S54 dieses Zyklus der Routine und Schritts 36 des nächsten Zyklus der Routine zu erfassen. Die Routine wird nach Schritt S54 (Schritt S58) beendet.
Während die Wasserpumpe abgeschaltet ist (Schritt S54), wird die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) auf die Entfernungsgrenzkonzentration ρ 0 geschätzt. Daher wird die Wasserpumpe 16 durch zyklisches Wiederholen der Schritte S32 bis S58 vorübergehend aktiviert, um die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 jedesmal zu entfernen, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, die der Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 (oder einer eingestellten Zeitdauer) entspricht.
Wenn für die Temperatur bei den charakteristisch gekrümmten Linien, die in 8 gezeigt sind, keine entsprechende charakteristisch gekrümmte Linie vorhanden ist, kann eine genäherte, charakteristisch gekrümmte Linie für die erfaßte Temperatur anhand der charakteristischen gekrümmten Linien, die ihr nahe sind, unter Verwendung einer Interpolation erhalten werden. Die dritte exemplarische Ausführungsform hebt die Notwendigkeit für eine Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 und das dafür vorgesehene Steuersystem auf. Weil die Wasserpumpe 16 nur intermittierend betrieben wird, ist es möglich, die Entladung der sekundären Batterie 42 zu reduzieren.
Eine vierte exemplarische Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. Gemäß dieser exemplarischen Ausführungsform wird die Wasserpumpe 16 durch die Brennstoffzelle 13 und nicht durch die sekundäre Batterie 42 betrieben, wie bei der dritten exemplarischen Ausführungsform, die in 6 bis 9 gezeigt ist. Der Aufbau der vierten exemplarischen Ausführungsform ist ansonsten mit dem der dritten exemplarischen Ausführungsform identisch.
Der Betrieb der Steuerung 34 wird bei dieser exemplarischen Ausführungsform nun unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist oder wenn ein mit der Brennstoffzelle ausgestat tetes System eines Fahrzeugs abgeschaltet ist. Das heißt, daß während der intermittierenden Wasserpumpen-Betriebssteuerung ein interner Zeitgeber, der nicht gezeigt ist, in Betrieb genommen wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 abgeschaltet worden ist oder ein System eines mit der Brennstoffzelle ausgestattet Fahrzeugs abgeschaltet worden ist, und beginnt, die Zeit zu erfassen, die verstrichen ist, seit dem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 abgeschaltet worden ist oder das System eines mit der Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugs abgeschaltet worden ist. Während die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist oder das Fahrzeugsystem abgeschaltet ist, wird auch die intermittierende Wasserpumpenbetriebssteuerung gemäß einem Ausgangssignal ausgeführt, das durch einen internen Zeitgeber zyklisch erzeugt wird (d. h. JA bei Schritt S32).
Die Steuerung 30 liest das aktuelle Ausgangssignal des Temperaturmeßgeräts 44 (Schritt S34). Die Steuerung 30 liest dann das Ausgangssignal von dem internen Zeitgeber sowie die Zeit, die seit dem Abschalten des Betriebs der Brennstoffzelle 13 bis zu dem momentanen Zeitpunkt verstrichen ist (Schritt S36). Die Steuerung 30 wählt dann eine charakteristisch gekrümmte (oder gerade) Linie der gelesenen Temperatur aus der Gruppe der aufgetragenen Kennlinien der Verunreinigungsionenkonzentration im Zeitverlauf aus, die in dem Speicher der Steuerung 30 im voraus gespeichert wurden, wie in 8 gezeigt (Schritt S38). Die Steuerung 30 liest die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) im Zeitverlauf aus der ausgewählten, charakteristisch gekrümmten Linie und schätzt die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) (Schritt S40).
Die Steuerung 30 bestimmt dann, ob die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) größer ist als ein oberer Grenzbezugswert ρ max (Schritt S42).
Wenn die Steuerung 30 bestimmt, daß die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) nicht größer ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. NEIN bei Schritt S42), wird die Steuerung beendet (Schritt S58).
Wenn hingegen die Steuerung 30 bestimmt, daß die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) größer ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (d. h. JA bei Schritt S42), fährt die Steuerung 30 damit fort, die in 9 gezeigte, charakteristische gekrümmte (oder gerade) Linie zu lesen, die in einem Speicher gespeichert ist, und schätzt die Betriebszeit der Wasserpumpe 16, die notwendig ist, um die aktuelle Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) auf eine Sollkonzentration (wie z. B. die Entfernungsgrenzkonzentration) ρ 0 zu reduzieren, die kleiner ist als der obere Grenzbezugswert ρ max (Schritt S44).
Die Steuerung 30 stellt dann den internen Zeitgeber auf die geschätzte Betriebszeit ein (Schritt S46) und steuert den Ansteuerschaltkreis 43, um die Zufuhr von Leistung von der sekundären Batterie 42 zur Wasserpumpe 16 zu beginnen (Schritt S50). Die Wasserpumpe 16 wird weiterhin betrieben, bis die geschätzte Betriebszeit, auf die der interne Zeitgeber eingestellt ist, verstrichen ist (d. h. NEIN bei Schritt S52; Schritt S50).
Sobald die geschätzte Betriebszeit verstrichen ist (d. h. JA bei Schritt S52), schaltet die Steuerung 30 die Wasserpumpe 16 ab (Schritt S54), setzt den internen Zeitgeber zurück und beginnt, die Zeit zwischen Schritt S54 dieses Zyklus der Routine und Schritt 36 des nächsten Zyklus der Routine zu erfassen. Die Routine wird nach diesem Schritt S54 beendet. Die Steuerung 30 schaltet dann die Brennstoffzelle 13 ab, indem die Zufuhr von Luft und Brennstoffgas zur Brennstoffzelle 13 (Schritt S56) gestoppt wird, woraufhin dieser Zyklus der Routine beendet wird (Schritt S58).
Weil die Wasserpumpe 16 durch die Brennstoffzelle 13 angesteuert wird, kann diese vierte exemplarische Ausführungsform auch auf einen Fall angewendet werden, in dem die sekundäre Batterie 42 nicht vorgesehen ist. In einem Fall, wo die sekundäre Batterie 42 vorgesehen ist, kann die sekundäre Batterie 42 zudem aufgeladen werden, während die Wasserpumpe in Betrieb ist.
In einem Fall, wo die sekundäre Batterie 42 vorgesehen ist und diese über ausreichend elektrische Ladung verfügt, kann sie ferner verwendet werden, um der Wasserpumpe 16 Leistung zuzuführen, wie in der dritten exemplarischen Ausführungsform gezeigt ist. Wenn die sekundäre Batterie 42 dann übermäßig aufgeladen wird, kann eine Steuerung so geschaltet werden, daß die Brennstoffzelle 13 in Betrieb genommen und verwendet wird, um der Wasserpumpe 16 Leistung zuzuführen, wie in der vierten exemplarischen Ausührungsform gezeigt ist.
Eine fünfte exemplarische Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Abschnitte in 11, die den Abschnitten in 1 entsprechen, werden mit den selben Bezugszeichen benannt, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Bei der fünften exemplarischen Ausführungsform ist das Kühlsystem der Brennstoffzelle so konzipiert, daß die Kühlflüssigkeit in einem Hauptbehälter gespeichert wird und die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit in dem Hauptbehälter unter Verwendung des Ionenfilters entfernt werden. Diese exemplarische Ausführungsform unterdrückt einen Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit, indem die Wasserpumpe intermittierend angesteuert wird, um die Kühlflüssigkeit in dem Hauptbehälter durch das Ionenfilter zu bewegen, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines mit der Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugs abgeschaltet ist.
Unter Bezugnahme auf 11 sind der Kühler 11, die Brennstoffzelle 13, die Wasserpumpe 16 und ein Hauptbehälter 21 mit der Kühlflüssigkeitsleitung 14 verbunden. Durch Betreiben der Wasserpumpe 16 wird die Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 13 zirkuliert. Eine Wasserpumpe 23 und das Ionenfilter 17 sind über eine Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 mit dem Hauptbehälter 21, der die Kühlflüssigkeit 12 speichert, verbunden. Durch das Betreiben der Wasserpumpe 23 wird die Kühlflüssigkeit 12 in dem Hauptbehälter 21 durch das Ionenfilter 17 zirkuliert. Die Wasserpumpen 16 und 23 werden beide durch die Steuerung 30 gesteuert. Die Leitfähigkeitserfas sungs-Meßeinrichtung 41 ist in dem Hauptbehälter vorgesehen und gibt die Erfassungsergebnisse an die Steuerung 30 auf. Der Aufbau des Kühlsystems der Brennstoffzelle ist ansonsten mit dem in 1 gezeigten Aufbau identisch.
Wenn daher die Verunreinigungsionenkonzentration einen vorbestimmten Wert überschreitet, steuert die Steuerung 30, basierend auf der vorhergehenden Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit), die Wasserpumpe 23 entweder gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform (siehe 2), in der sie die Wasserpumpe 23 intermittierend aktiviert, oder gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform (siehe 5), in der sie die Wasserpumpe 23 auf dieselbe Art intermittierend aktiviert, jedoch erst nachdem die Brennstoffzelle 13 in Betrieb genommen worden ist. Die Steuerung 30 kann auch die Wasserpumpe 16 zusätzlich zu der Wasserpumpe 23 aktivieren, wodurch ermöglicht wird, daß Verunreinigungen in der Brennstoffzelle 13, der Kühlflüssigkeitsleitung 14 und dem Kühler 11 entfernt werden können.
Wenn anstelle der Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41 das Temperaturmeßgerät 44 verwendet wird, schätzt die Steuerung 30 die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) gemäß der Zeitdauer, die verstrichen ist, und steuert die Wasserpumpe 23 entweder gemäß der dritten exemplarischen Ausführungsform (siehe 7), in der sie die Wasserpumpe 23 intermittierend aktiviert, oder gemäß der vierten exemplarischen Ausführungsform (siehe 10), in der sie die Wasserpumpe 23 auf dieselbe Weise intermittierend aktiviert, aber erst nachdem die Brennstoffzelle 13 in Betrieb genommen worden ist.
Wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet worden ist, kann bei der fünften Ausführungsform alternativ die Wasserpumpe 23 zuerst mit Leistung von der sekundären Batterie 42 versorgt werden und die Brennstoffzelle 13 gestartet werden, wenn die sekundäre Batterie 42 übermäßig entladen ist (d. h. es ihr an ausreichender elektrischer Ladung mangelt).
Bei dem Kühlsystem der Brennstoffzelle nach der fünften Ausführungsform ist das Ionenfilter 17 in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 vorgesehen, was einen geringeren Druckverlust zur Folge hat, und ist daher vorteilhafter als wenn das Ionenfilter 17 in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 bereitgestellt ist. Dieser Aufbau ermöglicht auch, daß der zur Inbetriebnahme der Brennstoffzelle erforderliche Zeitaufwand verkürzt werden kann, indem ein Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit unterdrückt wird, in dem die Wasserpumpe intermittierend angesteuert wird, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer sechsten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 12. Die Abschnitte in 12, die den Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Jede vor vorstehenden Ausführungsformen ist konzipiert, um einen Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit zu unterdrücken, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, indem die Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter geleitet wird. Bei jeder der vorstehenden exemplarischen Ausführungsformen erfolgt dies durch Erzeugen eines Temperaturunterschieds in der Kühlflüssigkeitsleitung, wodurch darin eine Konvektion erzeugt. Diese Konvektion dient dazu, die Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter zu drängen, wodurch eine Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit reduziert wird.
Bei der sechsten exemplarischen Ausführungsform ist ein Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung vorgesehen, der vorübergehend einen Überschuß an Wasserstoff speichert, während die Brennstoffzelle 13 arbeitet. Diese wasserstoffabsorbierende Legierung ist eine Legierung, die zu einer Metallhydridverbindung wird, die mit Wasserstoff reagiert. Die wasserstoffabsorbierende Legierung weist Eigenschaften auf, mit denen, wenn sie einem Wasserstoffgas ausgesetzt ist, Wasserstoff absorbiert und Wärme erzeugt, wenn entweder der Gasdruck ansteigt oder die Temperatur der wasserstoffabsorbierenden Legierung abnimmt, und Wasserstoff freisetzt und Wärme absorbiert, wenn entweder der Gasdruck abnimmt oder die Temperatur der wasserstoffabsorbierenden Legierung ansteigt. Diese Wärme in dem Behälter 51 mit der wasserstoffabsorbierenden Legierung wird verwendet als eine Wärmequelle zum Erzeugen einer Konvektion in der Kühlflüssigkeit 12.
Unter Bezugnahme auf 12 ist der Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung zwischen der Wasserpumpe 16 und dem Ionenfilter 17 angeordnet. Die Kühlflüssigkeitsleitung 14, die die Wasserpumpe 16 mit dem Ionenfilter 17 verbindet, gelangt durch den Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung. Rippen, die zwischen der Kühlflüssigkeit 12 und dem Wasserstoffgas einen Wärmeaustausch ausführen, sind in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 innerhalb des Behälters 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung ausgebildet. Die wasserstoffabsorbierende Legierung, die das Wasserstoffgas absorbiert oder freisetzt, ist innerhalb des Behälters 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung bereitgestellt.
Eine Gasförderleitung verbindet den Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung mit einem zum Speichern des Wasserstoffgases verwendeten Hochdruckbehälter 52 über ein Druckreduktionsventil 53 und ein Strömungsventil 54. Eine weitere Gasförderleitung verbindet den Hochdruckbehälter 52 mit der Brennstoffzelle 13 über das Druckreduktionsventil 53 und ein Strömungsventil 55. Die Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41, die die Verunreinigungsionenkonzen-tration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 erfaßt, ist in der Kühlflüssigkeitleitung 14 angeordnet. Das Ausgangssignal von der Leitfähigkeitserfas-sungs-Meßeinrichtung 41 wird an die Steuerung 30 gesendet.
Das Versorgungssystem, das zum Versorgen der Brennstoffzelle 13 mit Luft verwendet wird, ist in der Zeichnung nicht gezeigt. Die Steuerung 30 überwacht die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) und steuert das Druckreduktionsventil 53 und die Strömungsventile 54 und 55. Der Aufbau der fünften exemplarischen Ausführungsform ist ansonsten mit der von der ersten exemplarischen Ausführungsform identisch.
Der Betrieb dieser exemplarischen Ausführungsform ist wie folgt. Bevor der Betrieb der Brennstoffzelle 13 angehalten wird, oder das System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet wird, schaltet die Steuerung 30 bevorzugt das Drehventil 15 auf die Seite der Umgehungsleitung 19, um den Widerstand in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 zu reduzieren und die Zirkulation der Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zu vereinfachen. (Dies wird auf die in den 13 und 15 gezeigten Beispiele angewendet, wie an späterer Stelle beschrieben wird).
Wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist und entweder die Steuerung 30 einen Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 erfaßt (siehe z. B. 2), oder eine vorbestimmte Zeitdauer entsprechend einer Schwellenwert-Verunreinigungskonzentration (Leitfähigkeit) verstrichen ist (siehe z. B. 7), ermöglicht die Steuerung 30, daß Wasserstoff von dem Hochdruck-Wasserstoffbehälter 52 in den Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung über das Druckreduktionsventil 53 und das Strömungsventil 54 strömen kann, wodurch der Innendruck des Behälters 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung ansteigt und bewirkt, daß die wasserstoffabsorbierende Legierung Wasserstoff absorbiert. Folglich wird in dem Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung Wärme erzeugt.
Die Kühlflüssigkeitsleitung 14 verläuft durch den Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung, und die Wärme von der wasserstoffabsorbierenden Legierung wird über die Rippen zu der Kühlflüssigkeit 12 in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 übertragen. Folglich wird ein Temperaturunterschied zwischen dem Teil der Kühlflüssigkeitleitung 14 mit Rippen und dem Teil der Kühlflüssigkeitsleitung 14 ohne Rippen erzeugt. Dieser Temperaturunterschied erzeugt eine Konvektion, die die Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter 17 zirkuliert, wodurch die Verunreinigungen (z. B. Io nen) reduziert werden. Bei diesem Beispiel entsprechen der Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung und die Rippen der Wärmeübertragungseinrichtung. Wenn die Verunreinigungskonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 abfällt oder eine vorbestimmte Wasserstoffmenge in den Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung von dem Hochdrucktank 52 bewegt wird, schließt die Steuerung 30 das Druckreduktionsventil 53 und das Strömungsventil 54 und stoppt die Wasserstoffzufuhr. Die Steuerung 30 wiederholt den Betrieb, um die Verunreinigungskonzentration (Leitfähigkeit) solange zu reduzieren, wie die wasserstoffabsorbierende Legierung in der Lage ist, Wasserstoff zu absorbieren.
Wenn der Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung keinen Wasserstoff mehr absorbieren kann oder wenn ein Befehl erteilt worden ist, das mit der Brennstoffzelle ausgestattete Fahrzeug zu starten, öffnet die Steuerung 30 das Druckreduktionsventil 53 und das Strömungsventil 55, so daß der Wasserstoff in dem Hochdruckbehälter 52 zur Brennstoffzelle 13 strömt, die er dann startet. Wenn die Brennstoffzelle 13 in Betrieb geht, steigt die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 an. Wenn die Kühlflüssigkeitsleitung 14 und die Rippen innerhalb des Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung sich durch die Kühlflüssigkeit 12 aufwärmen, wodurch bewirkt wird, daß die wasserstoffabsorbierende Legierung sich erwärmt, wird Wasserstoff von der wasserstoffabsorbierenden Legierung innerhalb des Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung freigesetzt. Die Steuerung öffnet dann das Strömungsventil 54, um zu ermöglichen, daß der aus dem Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung freigesetzte Wasserstoff über das Strömungsventil 55 strömt. Wenn der Wasserstoff in dem Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung freigesetzt worden ist, kann er beim nächsten Mal zum Erwärmen der Kühlflüssigkeit 12 verwendet werden. Der Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung kann auch am Auslaß der Brennstoffzelle 13 oder in der Nähe des Kühlers 11 angeordnet sein. Die Bereitstellung des Behälters 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung in der Nähe des Kühlers 11 ermöglicht es, den Temperaturunterschied zwischen dem Kühler und dem Behälter zu erhöhen.
Anstatt die Wasserpumpe 16 zu betreiben, um die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zu drängen, um die Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit 12 zu entfernen, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 zugenommen hat, während die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, erzeugt diese exemplarische Ausführungsform eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung unter Verwendung der durch die wasserstoffabsorbierende Legierung erzeugten Wärme und nutzt diese Konvektion, um die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zu bewegen, um Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 zu entfernen. Folglich wird bei dieser exemplarischen Ausführungsform die Menge der beim Entfernen von Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit 12 verbrauchten Energie reduziert.
Eine siebte exemplarische Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. Abschnitte in 13, die Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Bei der siebten exemplarischen Ausführungsform ist ein thermoelektrisches Element in der Kühlflüssigkeitsleitung bereitgestellt, um einen Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeitsleitung zu erzeugen, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit. der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit einen Referenzwert übersteigt, oder wenn eine vorbestimmte Zeitdauer entsprechend einem Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit verstrichen ist, wird dementsprechend das thermoelektrische Element mit Energie versorgt, um eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung zu erzeugen. Diese Konvektion zirkuliert die Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter, um dadurch einen Anstieg in der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit zu unterdrücken.
Wie in 13 gezeigt ist, ist bei dieser exemplarischen Ausführungsform ein thermoelektrisches Element 45, das als die Wärmequelle verwendet wird, um eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 zu erzeugen, in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 bereitgestellt, die die Wasserpumpe 16 mit dem Ionenfilter 17 verbindet. Die dem thermoelektrischen Element 45 zugeführte Leistung wird durch die sekundäre Batterie 42 über einen Ansteuerschaltkreis (oder Schaltkreis) 46 bereitgestellt. Ferner erfaßt eine Leitfähigkeitserfassungs-Meßeinrichtung 41, die in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 vorgesehen ist, die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 und gibt ein diese anzeigendes Signal an die Steuerung 30 aus. Der Aufbau ist ansonsten mit dem in 1 gezeigten identisch. Das thermoelektrische Element 45 kann alternativ am Auslaß der Brennstoffzelle 13 oder in der Nähe des Kühlers 11 oder dergleichen vorgesehen sein.
Wenn gemäß dem Aufbau dieser exemplarischen Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) den Referenzwert übersteigt, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt oder ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet worden ist (siehe z. B. 2) oder ein vorbestimmter Zeitraum verstrichen ist, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt worden ist (siehe z. B. 7), steuert die Steuerung 30 das thermoelektrische Element 45, so daß es als eine Wärmequelle (oder ein Wärmeaustauscher)) funktioniert, um einen Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit 12 zu erzeugen, der die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 bewegt, um die Ionen zu entfernen. Das thermoelektrische Element 45 kann intermittierend betrieben werden.
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer achten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 14. Abschnitte in 14, die den Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Bei dieser exemplarischen Ausführungsform wird die Kühlflüssigkeit, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erwärmt wird, als die Wärmequelle verwendet, um den Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeitsleitung zu erzeugen, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
Unter Bezugnahme auf 14 ist diese exemplarische Ausführungsform mit einem Wärmehaltekessel (Wärmespeicherbehälter) 62 als ein Akkumulator versehen, der über Strömungsventile 61 und 63 mit der Kühlflüssigkeitsleitung 14 verbunden ist, die die Wasserpumpe 16 und das Ionenfilter 17 verbindet. Der Aufbau, wie z. B. der Kühler 11, die Brennstoffzelle 13, die Kühlflüssigkeitsleitung 14, das Drehventil 15 und die Wasserpumpe 16, ist mit dem in 1 gezeigten Beispiel identisch.
Die Steuerung 30 öffnet bei dieser exemplarischen Ausführungsform die Strömungsventile 61 und 63 während des Betriebs der Brennstoffzelle 13, um eine erwärmte Kühlflüssigkeit 12 in den Wärmehaltekessel 62 einzulassen. Die Steuerung 30 schließt dann die Strömungsventile 61 und 63 und speichert die erwärmte Kühlflüssigkeit 12 in dem Wärmehaltekessel 62, wo sie erwärmt gehalten wird. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 ansteigt, während die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist (siehe z. B. 2), oder wenn eine vorbestimmte Zeitdauer, nachdem die Brennstoffzelle 13 gestoppt wurde (siehe z. B. 7), verstrichen ist, öffnet die Steuerung 30 die Strömungsventile 61 und 63 und ermöglicht, daß die erwärmte Kühlflüssigkeit 12 aus dem Wärmehaltekessel strömen kann, um eine Konvektion innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung 14 zu erzeugen. Die Kühlflüssigkeit 12 wird somit durch das Ionenfilter 17 zirkuliert, um die Ionen innerhalb der Kühlflüssigkeit 12 zu reduzieren und die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) zu senken. Der Wärmehaltekessel 62 kann alternativ an dem Auslaß der Brennstoffzelle 13 oder in der Nähe des Kühlers 11 angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Steuerungsmodus der Steuerung 30 kann Wärme von einem außen angeordneten Abschnitt und nicht von der Kühlflüssigkeitsleitung 14 in der Kühlflüssigkeit in dem Wärmehaltekessel 16 gespeichert werden. Ferner kann in dem Fall eines mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugs die Abwärme von einem Elektromotor, einer Klimaanlage oder eines Wechselrichters oder dergleichen in dem. Fahrzeug ebenfalls in dem Wärmehaltekessel akkumuliert werden. Dementsprechend kann ein Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit 12 unter Verwendung der Abwärme erzeugt werden.
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer neunten exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 15 und 16. Abschnitte in 15, die Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Diese exemplarische Ausführungsform verwendet die Kühlflüssigkeit an sich als den wärmeerzeugenden Körper (d. h. als Wärmequelle). Zudem wird die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit zum Steuern des Wärmestroms verwendet. Unter Bezugnahme auf 15 ist ein Elektrodenpaar 71 und 72 einander gegenüberliegend in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 zwischen der Wasserpumpe 16 und dem Ionenfilter 17 angeordnet. An diese Elektroden 71 und 72 kann von der sekundären Batterie 42 über einen Schalter 73 eine Spannung angelegt werden. Der Aufbau, wie z. B. der Kühler 11, die Brennstoffzelle 13, die Kühlflüssigkeitsleitung 14, das Drehventil 15 und die Wasserpumpe 16, ist mit dem in 1 gezeigten Beispiel identisch.
Die Steuerung 30 gemäß diesem Aufbau schließt den Schalter 73, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, so daß eine Spannung von der sekundären Batterie 42 angelegt wird. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) hoch ist, fließt ein relativ starker elektrischer Strom zwischen den Elektroden 71 und 72. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) gering ist, fließt ein relativ schwacher elektrischer Strom zwischen den Elektroden 71 und 72.
Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) gering ist (d. h. wenn der elektrische Strom schwach ist), wird entweder keine Wärme in der Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 71 und 72 erzeugt, oder, wenn Wärme erzeugt wird, reicht sie nicht aus, um eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 zu erzeugen. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) hoch ist (d. h. der elektrische Strom stark ist), ist die in der Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 71 und 72 erzeugte Wärmemenge relativ groß, so daß die Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 71 und 72 den Punkt erwärmt, wo die Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 erzeugt wird. Diese Konvektion bewirkt wiederum, daß die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 strömt, so daß Verunreinigungen (wie z. B. Ionen, gelöstes Material und Partikel) entfernt werden.
Gemäß dieser exemplarischen Ausführungsform nimmt die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 ab, wenn die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zirkuliert wird. Wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) zurückgeht, wird der zwischen den Elektroden 71 und 72 fließende Strom entweder auf einen extrem geringen Betrag reduziert oder insgesamt abgestellt. Wenn in der Kühlflüssigkeit zwischen den Elektroden 71 und 71 keine Wärme mehr erzeugt wird, wird die durch die Konvektion verursachte Zirkulation der Kühlflüssigkeit 12 gestoppt. Wenn die Zirkulation stoppt, steigt die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 erneut an, und dabei beginnt der elektrische Strom erneut in der Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 71 und 71 wieder zu fließen. Die Verunreinigungsionen werden somit durch die durch das Ionenfilter 17 zirkulierende Kühlflüssigkeit 12 entfernt, was durch Erwärmen der Kühlflüssigkeit 12 erreicht wird.
Dementsprechend ist es möglich, das Entfernen der Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit selbsttätig zu regeln. Dies ermöglicht es, daß das Entfernen der Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit 12 bei dem Aufbau einfacher ist als bei einem Steuermechanismus, der beispielsweise auf der Erfassung der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) und der Zeitdauer basiert, die verstreicht, nachdem die Brennstoffzelle wie bei den vorstehend angeführten, exemplarischen Ausführungsformen den Betrieb angehalten hat.
16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand (d. h. dem Kehrwert der Leitfähigkeit) der Kühlflüssigkeit 12 und der Menge der erzeugten Wärme darstellt. Wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit hoch ist, steigt der in der Kühlflüssigkeit 12 fließende, elektrische Strom an, so daß die Kühlflüssigkeit 12 Wärme erzeugt. Wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit 12 niedrig ist, nimmt der in der Kühlflüssigkeit 12 fließende, elektrische Strom ab, so daß die Kühlflüssigkeit 12 entweder gar keine Wärme oder nur eine sehr geringe Menge an Wärme erzeugt. Der elektrische Strom, der zwischen den Elektroden fließt, und der Widerstand zwischen den Elektroden wird durch den Abstand zwischen den Elektroden, die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Elektroden, die angelegte Spannung und die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt. Die Elektroden 71 und 72 können alternativ am Auslaß der Brennstoffzelle 13 oder in der Nähe des Kühlers 11 bereitgestellt sein.
Wie vorstehend beschrieben wird eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14 erzeugt, wenn die Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 71 und 72 Wärme erzeugt. Wenn die Menge der Kühlflüssigkeit 12, die durch das Ionenfilter 17 gelangt, zunimmt, fällt die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 71 und 72 ab. Folglich wird in der Kühlflüssigkeit 12 weniger Wärme erzeugt, wodurch bewirkt wird, daß die Konvektion stoppt. Wenn die Konvektion stoppt, nimmt die Menge der Verunreinigungen (d. h. Ionen), die in die Kühlflüssigkeit 12 gelangt sind, zu, so daß die Kühlflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden erneut erwärmt wird. Durch eine Wiederholung dieses Vorgangs werden Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit 12 entfernt, wodurch ein Rückgang der Isolationsleistung der Brennstoffzelle 13 unterdrückt wird.
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer zehnten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 17. Abschnitte in 17, die Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet. Bei dieser exemplarischen Ausfüh rungsform wird der Kühler 11, bei dem es sich um einen Wärmeaustauscher handelt, als die Wärmequelle verwendet, um einen Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit 12 zu erzeugen. Der Aufbau, wie z. B. der Kühler, die Brennstoffzelle 13, die Kühlflüssigkeitsleitung 14, das Drehventil 15 und die Wasserpumpe 16, ist mit der in 1 gezeigten Beispiel identisch.
Die Steuerung 30 stellt bei dieser exemplarischen Ausführungsform das Drehventil 15 so ein, daß der Strömungsweg zum Kühler 11 führt, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 13 oder eines Fahrzeug, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, gestoppt wird. Folglich wird zwischen der Kühlflüssigkeit 12, die sich im Kühler 11 befindet und durch Außenluft gekühlt (erwärmt wird), und der Kühlflüssigkeit 12 anderenorts ein Temperaturunterschied erzeugt. Dieser Temperaturunterschied erzeugt eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14, die bewirkt, daß die Kühlflüssigkeit 12 in das Ionenfilter 17 fließt, so daß die Ionen in der Kühlflüssigkeit 12 entfernt werden.
Dieser Aufbau hebt die Notwendigkeit auf, einen Wärmeaustauscher (wie z. B. die Rippen 18) hinzufügen. Bei einem gewöhnlichen Fahrzeug wird ein Thermostatventil anstelle des Drehventils 15 verwendet. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit abfällt, nachdem das System gestoppt worden ist, schließt in diesem Fall das Ventil, so daß die Kühlflüssigkeit durch die Umgehungsleitung 19 anstelle durch den Kühler 11 fließt. Diese exemplarische Ausführungsform löst dieses Problem durch Verwenden des Drehventils 15 und unter Verwendung der Steuerung 30, um das Drehventil 15 zu schalten, wenn die Brennstoffzelle 13 gestoppt wird. Das Drehventil 15 kann zudem parallel zu einem Thermostatventil bereitgestellt sein.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der elften exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 18. Abschnitte in 18, die Abschnitten in 11 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Bei dieser exemplarischen Ausführungsform wird ein Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit erzeugt, während die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, indem in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 eine Wärmequelle vorgesehen ist. Folglich wird die Kühlflüssigkeit in dem Hauptbehälter durch das Ionenfilter zirkuliert, das in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 vorgesehen ist, so daß Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit entfernt werden.
Unter Bezugnahme auf 18 ist eine Wärmequelle 24 in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22, durch die die Kühlflüssigkeit 12 zirkuliert und die den Hauptbehälter 21 mit dem Ionenfilter 17 verbindet, angeordnet. Die Wärmequelle 24 kann eine beliebige von verschiedenen Aufbauten sein, wie z. B. der Behälter 51 aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung (der in 12 gezeigt ist), das thermoelektrische Element 45 (das in 13 gezeigt ist), der Wärmehaltekessel 62 (der in 14 gezeigt ist) oder die Kühlflüssigkeit an sich (die in 15 gezeigt ist).
Durch Bereitstellen eines Aufbaus, der diese An von Kühlflüssigkeits-Teilleitung aufweist, kann, selbst wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt worden ist oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, eine Konvektion in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 entweder konstant oder zu bestimmten Zeiten erzeugt werden, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 einen Referenzwert übersteigt oder wenn eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, nachdem die Brennstoffzelle 13 gestoppt worden ist. Folglich wird die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 geleitet, wodurch ein Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration unterdrückt wird.
Es erfolgt nun einen Beschreibung der elften exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 19. Abschnitte in 19, die Abschnitten in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet.
Das in 19 gezeigte Kühlsystem für die Brennstoffzelle 13 weist einen Kühler 11, der als ein Wärmeaustauscher dient, der die Kühlflüssigkeit 12 unter Verwendung von Außenluft kühlt, die Kühlflüssigkeit 12, die Brennstoffzelle 13, die Kühlflüssigkeitsleitung 14, das Drehventil 15, die Wasserpumpe 16, das Ionenfilter 17, die Wärmeaustauschrippen oder die Wärmeleitung 18, die Umgehungsleitung 19 und die Steuerung 13 auf. Insbesondere ist das Ionenfilter 17 in der Nähe des Kühlflüssigkeitseinlasses der Brennstoffzelle 13 angeordnet. Folglich wird die Kühlflüssigkeit 12, aus der die Verunreinigungsionen entfernt worden sind, der Brennstoffzelle 13 zugeführt.
Die Steuerung 30 steuert das Drehventil 15 und die Wasserpumpe 16. Die Steuerung 30 kann beispielsweise ein Computersystem sein, das separat als ein Kühlungssteuerungssystem der Brennstoffzelle 13 vorgesehen ist, oder die Funktionen der Steuerung 30 können einfach durch Funktionen von einem Steuerungscomputer des Brennstoffzellensystems realisiert werden.
20 ist eine perspektivische Ansicht des Ionenfilters 17 und der wärmefreisetzenden Rippen 18, die auf einem Abschnitt der Kühlflüssigkeitleitung 14 vorgesehen sind. 21 ist eine perspektivische Ansicht des Ionenfilters 17, das mit den wärmefreisetzenden Rippen 18 versehen ist, die in 20 gezeigt sind, wobei die Ansicht eine Schnittansicht in der axialen Richtung der Kühlflüssigkeitsleitung 14 darstellt.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist das Ionenfilter 17, das ein Ionenaustauschharz 171 und ein Filter aufweist, das feine Partikel entfernt, in einem Abschnitt (in der Rohrleitung in dem in der Zeichnung gezeigten Beispiel) der Kühlflüssigkeitsleitung 14 bereitgestellt. Dieses Ionentaustauschharz 171 absorbiert Ionen, die aus dem Brennstoffzellenstapel und dergleichen in die Kühlflüssigkeit 12 gedrungen sind. Das Ionenaustauschharz 171 ist in Kontakt mit einer Mehrzahl der Wärmeaustauschrippen 18. Die radial äußeren Abschnitte dieser Wärmeaustauschrippen 18 sind in Kontakt mit einer Wärmequelle (wie z. B. Außenluft) außerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung 14, während die radial inneren Abschnitte dieser Rippen 18 in Kontakt mit dem Ionenaustauschharz 171 sind.
Die Wärmeaustauschrippen 18 kühlen oder erwärmen das Ionenaustauschharz 171 und die Kühlflüssigkeit 12 durch Wärmeleitung entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle außerhalb und der Kühlflüssigkeit 12 innen. Wenn die Temperatur der Außenluft größer ist als die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12, strömt die Kühlflüssigkeit 12 in der durch den Pfeil angezeigten Richtung, der in 21 durch die durchgehende Linie gezeigt ist. Wenn die Temperatur der Außenluft geringer ist als die Temperatur der Kühlflüssigkeit 12, strömt die Kühlflüssigkeit 12 in die durch den Pfeil angezeigte Richtung, der in 21 durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Weil die Kühlflüssigkeit 12 eine große Wärmekapazität aufweist, liegt bei der Veränderung der Temperatur der Kühlflüssigkeit 12 im Anschluß an eine Veränderung der Temperatur der Außenluft eine Verzögerung vor. Diese Verzögerung hat ein Temperaturgefälle zwischen der Außenluft und der Kühlflüssigkeit 12 zur Folge, wodurch der Wärmeaustausch unter Verwendung der Wärmeaustauschrippen 18 möglich gemacht wird.
Bei einem weiteren Verfahren für einen Wärmeaustausch durch Wärmeleitung wird die Verwendung einer Wärmerohrleitung genutzt, in der ein Fluidkörper-Wärmeträger für den Abschnitt der Kühlflüssigkeitsleitung 14 mit den Wärmeaustauschrippen 18 untergebracht ist.
Wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, schaltet die Steuerung 30 gemäß diesem Aufbau das Drehventil, so daß der Strömungsweg über die Umgehungsleitung 19 verläuft, um eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zu vereinfachen. Eine Wärmequelle, wie z. B. Außenluft um die Wärmeaustauschrippen 18 herum, wird verwendet, um an dem Abschnitt des Ionenfilters 17 einen Temperaturunterschied zwischen der Kühlflüssigkeit 12 an dem Abschnitt des Ionenfilters 17 und der Kühlflüssigkeit 12 anderenorts zu erzeugen. Der Temperaturunterschied erzeugt somit eine Konvektion in der Kühlflüssigkeitsleitung 14.
Diese Konvektion bewirkt, daß die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 zirkuliert, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist, wodurch ein Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in einem weitestgehend unterdrückt wird. Folglich ist es möglich, eine Reduktion des Isolierwiderstands der Kühlflüssigkeit 12 zu verhindern und somit die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle 13 zu kürzen.
Die zwölfte exemplarische Ausführungsform ermöglicht, daß ein Anstieg der Ionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 ohne Verwendung von Leistung (z. B. ohne Verwendung einer Wasserpumpe oder einer Heizeinrichtung) unterdrückt werden kann, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Ferner ist es in dem Fall eines Fahrzeugs möglich, eine Batterieentleerung oder eine Verringerung der Kraftstoffeffizienz zu vermeiden. Diese exemplarische Ausführungsform ist insbesondere zu bevorzugen, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 13 oder des Systems eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, für einen längere Zeitraum gestoppt werden soll.
Zudem macht es diese exemplarische Ausführungsform möglich, die durch die Wärmeaustauschrippen nach außen freigesetzte Wärmemenge zu erhöhen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 13 hoch ist, während die Brennstoffzelle 13 betrieben wird. Folglich kann der Kühler 11 um so vieles kleiner ausgeführt werden, was von Vorteil ist.
Es erfolgt nun einen Beschreibung einer dreizehnten exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 22. Abschnitte in 22, die Abschnitten in 11 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung dieser Abschnitte wird verzichtet. Entsprechend dieser exemplarischen Ausführungsform ist das mit Rippen versehene Ionenfilter 17, das bei der in 19 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform verwendet wird, in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 bereitgestellt. Eine Wärmequelle, wie z. B. die Außenluft um die Rippen herum, wird dazu verwendet, einen Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeit zu erzeugen, der wiederum eine Konvektion in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 erzeugt. Diese Konvektion zirkuliert die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
In 22 sind die Wärmeaustauschrippen 18 auf dem Ionenfilter 17 gezeigt, das in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 angeordnet ist, wie sie dies in 21 auch sind. Diese Rippen 18 übertragen Wärme zwischen der Atmosphäre um sie herum und der Kühlflüssigkeit 12. Selbst wenn die Wasserpumpe 23 aufgrund der Tatsache, daß die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet worden ist, nicht mehr arbeitet, wird somit ein Temperaturunterschied zwischen der Kühlflüssigkeit 12 nahe der Rippen 18 und der Kühlflüssigkeit 12 andernorts erzeugt, die eine Konvektion in der Kühlflüssigkeits-Teilleitung 22 erzeugt, die die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenfilter 17 bewegt.
Folglich werden die Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 entfernt, wodurch ein Anstieg der Verunreinigungsionenkonzentration in der Kühlflüssigkeit 12 innerhalb des Hauptbehälters 21 unterdrückt wird. Es ist daher möglich, eine Verringerung des Isolierwiderstands der Kühlflüssigkeit 12 zu verhindern und die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle 13 zu reduzieren.
Es erfolgt nun eine Beschreibung einer vierzehnten exemplarischen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 23 und 24. Der Kühler 11 wird in jeder der vorstehenden exemplarischen Ausführungsformen verwendet. Die Bereitstellung des Ionenfilters 17 innerhalb des Kühlers 11 ermöglicht, daß Verunreinigungsionen in der Kühlflüssigkeit 12 ohne großartiges Verändern der Struktur der Kühlflüssigkeit für die Brennstoffzelle entfernt werden können. Der Kühler 11 ist an einer Stelle angeordnet, wo er gut belüftet wird, wie z. B. an der Front des Fahrzeugs, so daß er den Veränderungen der Außenlufttemperatur direkter ausgesetzt ist.
Wie in 23 gezeigt ist, verbinden in dem Kühler 11 eine Mehrzahl von dünnen Rohrleitungen 114 einen oberen Behälter 111, der an dem. oberen Abschnitt des Kühlers 11 angeordnet ist, mit einem unteren Behälter 112, der an dem unteren Abschnitt des Kühlers 11 angeordnet ist. Wärmefreisetzende Rippen 112 sind auf jeder dieser dünnen Rohrleitungen 114 ausgebildet. Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist die Kühlflüssigkeitsleitung 14 sowohl mit dem oberen Tank 111 als auch dem unteren Tank 112 verbunden.
24 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des Ionenfilters 17 in dem in 23 gezeigten Kühler 11. Wie in 24 gezeigt ist, dient ein Abschnitt von der Mehrzahl von dünnen Rohrleitungen 114 als das Ionenfilter 17, das mit dem Ionenaustauschharz 171 beschickt ist. Die Menge des Ionenaustauschharzes 117, das verwendet wird, und der Innendurchmesser und die Anzahl der dünnen Rohrleitungen 114 kann nach Zweckmäßigkeit gewählt werden. Die Filter 172 zum Entfernen von Fremdstoffen, wie z. B. feinen Partikeln, sind auf beiden Endseiten der dünnen Rohrleitungen 114 vorgesehen. Alternativ können diese Filter 172 innerhalb der dünnen Rohrleitungen 114 bereitgestellt sein.
Bezugnehmend auf den vorstehend beschriebenen, verwandten Stand der Technik hört die Kühlflüssigkeit 12 zu strömen auf, wenn die Wasserpumpe 16 abgestellt wird, weil der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt wurde oder das System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Folglich dringen Ionen in die Kühlflüssigkeit 12 ein, wodurch die Konzentration der Verunreinigungen in derselben ansteigt. Gemäß dieser exemplarischen Ausführungsform erzeugt der Kühler 11, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 13 gestoppt wird, einen Temperaturunterschied in der Kühlflüssigkeitsleitung 14, wodurch eine Konvektion erzeugt wird. Im Fall eines Fahrzeugs kann dieser Temperaturunterschied nach Zweckmäßigkeit eingestellt werden, indem die Anordnung des Kühlers 11 oder die stromlinienförmige Konstruktion in bezug auf den Kühler 11 geändert wird. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den dünnen Rohrleitungen 114, die mit dem Ionenaustauschharz 117 versehen sind, und der Kühlflüssigkeitsleitung erzeugt wird, wird ein Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit 12 im Inneren des Kühlers 11 erzeugt. Dieser Konvektionsstrom bewirkt, daß die Kühlflüssigkeit 12 durch das Ionenaustauschharz 171 zirkuliert, wodurch ermöglicht wird, daß die Ionenkonzentration (d. h. Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit 12 verringert wird.
Bei dieser exemplarischen Ausführungsform werden die Ionen in dem Kühler (der eine Ionenerzeugungsquelle ist), wo sie ohne weiteres in die Kühlflüssigkeit 12 gelangen können, entfernt, so daß eine gute Ionenentfernungseffizienz erreicht werden kann. Ferner kann diese exemplarische Ausführungsform ohne weiteres angewendet werden, ohne den Aufbau des herkömmlichen Kühlsystems zu ändern.
Gemäß den vorstehend beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung wird die Wasserpumpe intermittierend betrieben, wenn die Verunreinigungsionenkonzentration (Leitfähigkeit) in der Kühlflüssigkeit einen Referenzwert übersteigt, während die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Das Zirkulieren der Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter entfernt die Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit, wodurch ermöglicht wird, den erforderlichen Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit zu erreichen. Dadurch wird die Notwendigkeit aufgehoben, die Kühlflüssigkeit nach Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zu verarbeiten, wodurch ermöglicht wird, die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle zu reduzieren. Ferner kann elektrische Energie eingespart werden, weil die Wasserpumpe intermittierend, d. h. nur nach Bedarf, betrieben wird.
Gemäß einer der exemplarischen Ausführungsformen wird die Wasserpumpe zudem intermittierend betrieben, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist. Wie vorstehend erwähnt, werden durch das Zirkulieren der Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit entfernt, wodurch der erforderliche Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit erreicht werden kann. Dadurch wird die Notwendigkeit aufgehoben, die Kühlflüssigkeit nach Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zu verarbeiten, wodurch ermöglicht wird, die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle zu reduzieren. Ferner kann elektrische Energie eingespart werden, weil die Wasserpumpe intermittierend wird, d. h. nur nach Bedarf, betrieben wird.
Gemäß einer weiteren der exemplarischen Ausführungsformen wird eine Wärmequelle verwendet, um einen Konvektionsstrom in der Kühlflüssigkeit zu erzeugen, der die Kühlflüssigkeit durch das Ionenfilter zirkuliert, um Verunreinigungsionen aus der Kühlflüssigkeit zu entfernen, wodurch ermöglicht wird, daß der erforderliche Isolierwiderstand der Kühlflüssigkeit erreicht werden kann. Dadurch wird die Notwendigkeit aufgehoben, die Kühlflüssigkeit nach Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zu verarbeiten, wodurch ermöglicht wird, die Inbetriebnahmezeit der Brennstoffzelle zu reduzieren. Ferner kann elektrische Energie eingespart werden, weil die Wasserpumpe intermittierend wird, d. h. nur bei Bedarf, betrieben wird.
Beispiele für die Wärmequelle, die bei den vorstehend beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen angeführt wurden, weisen einen Behälter aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung, eine Kühlflüssigkeit, ein thermoelektrisches Element, eine leitfähige Heizung, die Außenlufttemperatur und dergleichen auf. Eine andere Wärmequelle als eine der erwähnten Beispiele, wie z. B. direktes Sonnenlicht, kann ebenfalls verwendet werden. Die Wärme aus dem direkten Sonnenlicht kann dazu verwendet werden, einen Teil der Kühlflüssigkeit direkt aufzuwärmen, um einen Konvektion zu erzeugen, oder sie kann mittels einer Wärmeleitung oder dergleichen übertragen werden, um eine Konvektion zu erzeugen.
Ferner können Charakteristika oder ein charakteristischer Aufbau in den vorstehenden Ausführungsformen nach Zweckmäßigkeit in Kombination verwendet werden. Das mit Rippen versehene Ionenfilter, das in 20 gezeigt ist, kann beispielsweise auch in der exemplarischen Ausführungsform verwendet werden, in der die Wasserpumpe intermittierend betrieben wird (siehe z. B. 1, 4, und 9). Das mit Rippen versehene Ionenfilter kann zudem in der exemplarischen Ausführungsform verwendet wer den, in der eine separate Wärmequelle verwendet wird, um eine Konvektion zu erzeugen (siehe z. B. 12, 13, 14, und 15). Kombinationen wie diese fördern die Konvektion in der Kühlflüssigkeit.
Ferner kann ein Kühler mit einem Ionenfilter, wie in 23 und 24 gezeigt ist, für den Kühler in den exemplarischen Ausführungsformen verwendet werden. Zudem kann die Wasserpumpe so konzipiert sein, daß sie eine Mehrzahl von Steuermodi aufweist, und sie kann zum Schalten zwischen diesen Modi verwendet werden. Die Leistungsquelle für die Wasserpumpe kann beispielsweise von der sekundären Batterie zur Brennstoffzelle abhängig von dem Ladezustand oder dem Zustand der sekundären Batterie (siehe 2 und 5) geschaltet werden. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise in Betrieb genommen werden, wenn es ein Problem mit der sekundären Batterie gibt, wie z. B. ein Ausfall oder übermäßige Entladung.
Somit ist das Kühlsystem für eine Brennstoffzelle gemäß dieser Erfindung dahingehend vorteilhaft, daß sie eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht, selbst nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle für einen längeren Zeitraum gestoppt worden ist. Die schnelle Inbetriebnahme wird dadurch erreicht, daß das Kühlsystem einen Anstieg der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit unterdrückt, selbst wenn die Brennstoffzelle 13 nicht arbeitet oder wenn ein System eines Fahrzeugs, das mit der Brennstoffzelle ausgestattet ist, abgeschaltet ist.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf deren exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf exemplarische Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und entsprechende Anordnungen abdecken. Obgleich verschiedene Elemente der exemplarischen Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaft sind, fallen auch weitere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehrerer Elemente, weniger Elemente oder nur eines einzelnen Elements in den Schutzbereich der Erfindung.
Zusammenfassung
Ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle ist mit einer Kühlvorrichtung versehen, welche die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem die Brennstoffzelle über eine Kühlflüssigkeitsleitung mittels einer Wasserpumpe mit einer Kühlflüssigkeit versorgt wird; einer Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in der Kühlflüssigkeitsleitung bereitgestellt ist und die Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit entfernt; und einer Strömungserzeugungseinrichtung zum Bewirken, daß die Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet.

Claims

Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, das folgende Merkmale aufweist: eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem der Brennstoffzelle eine Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe zugeführt wird, eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit bereitgestellt ist, die Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit entfernt eine Strömungserzeugungseinrichtung zum Bewirken, daß die Kühlflüssigkeit innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungserzeugungseinrichtung eine Verunreinigungserfassungseinrichtung zum Erfassen des Zustands der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit und eine Inbetriebnahme-Steuerungseinrichtung zum Starten der Brennstoffzelle beinhaltet, wenn eine vorbestimmte Menge oder mehr an Verunreinigungen erfaßt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungserzeugungseinrichtung eine Verunreinigungserfassungseinrichtung zum Erfassen des Zustands der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit und eine Pumpensteuerungseinrichtung zum Starten der Pumpe beinhaltet, wenn eine vorbestimmte Menge oder mehr an Verunreinigungen erfaßt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungserzeugungseinrichtung ferner eine Pumpensteuerungseinrichtung zum Starten der Pumpe beinhaltet, wenn eine vorbestimmte Menge oder mehr an Verunreinigungen erfaßt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß: eine sekundäre Batterie, die der Pumpe Leistung zuführt, bereitgestellt ist; und die Pumpensteuerungseinrichtung den Betrag steuert, um den die Pumpe basierend auf dem Zustand der sekundären Batterie betrieben wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungserfassungseinrichtung eine Veränderung des Zustands der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag bestimmt, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungserfassungseinrichtung eine Veränderung des Zustands der Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag, der verstreicht, nachdem die Pumpe gestoppt worden ist, und der Temperatur der Kühlflüssigkeit bestimmt.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungserzeugungseinrichtung eine Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Temperaturunterschieds zwischen einem Abschnitt der Kühlflüssigkeit innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung und der Kühlflüssigkeit andernorts beinhaltet.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung um eine Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen einer Wärmeenergie, die sich außerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung befindet, in das Innere der Kühlflüssigkeitsleitung handelt.
Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung einen Wärmeaustauscher beinhaltet, der die Wärmeenergie, die sich außerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung befindet, in das Innere der Kühlflüssigkeitsleitung überträgt.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung entweder ein Wärmeerzeugungskörper oder ein Wärmeabsorbierungskörper ist.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturunterschieds-Erzeugungseinrichtung ein Akkumulator ist, der in der Kühlflüssigkeitsleitung bereitgestellt ist und der Wärme speichert, während die Brennstoffzelle arbeitet.
Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator eine Kühlflüssigkeits-Speichervorrichtung ist, die die Kühlflüssigkeit speichert, und daß der Akkumulator mit einer Zuführvorrichtung versehen ist, die, als Reaktion auf den Temperaturunterschied, die Kühlflüssigkeit, die gespeichert wurde, während die Brennstoffzelle arbeitete, der Kühlflüssigkeitsleitung zuführt.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß: die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung in dem Wärmeaustauscher bereitgestellt ist, der als die Kühlvorrichtung dient.
Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, die folgende Merkmale aufweist: eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem der Brennstoffzelle eine Kühlflüssigkeit unter Verwendung einer Pumpe zugeführt wird, eine Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen einer Menge von Verunreinigungen in der Kühlflüssigkeit basierend auf dem Zeitbetrag, der verstreicht, nachdem die Pumpe abgeschaltet worden ist.
Kühlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungsmengen-Schätzeinrichtung eine Mehrzahl von Verunreinigungskonzentrations-Anstiegskennlinien der Kühlflüssigkeit über einen Zeitraum beibehält, wobei die Kühlflüssigkeitstemperatur als ein Parameter verwendet wird, und, anhand dieser Kennlinien, eine Verunreinigungskonzentration basierend auf der Zeit, die verstreicht, nachdem das System abgeschaltet worden ist, und der Temperatur der Kühlflüssigkeit schätzt.
Verfahren zum Steuern einer Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in einem Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, die eine Kühlvorrichtung, die die Temperatur der Brennstoffzelle reguliert, indem der Brennstoffzelle die Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe zugeführt wird, und eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung beinhaltet, die in einer Kühlflüssigkeitsleitung für die Kühlflüssigkeit bereitgestellt ist, die Verunreinigungen innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung entfernt, wobei bewirkt wird, daß: die Kühlflüssigkeit innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet.