DE112005000265T5

DE112005000265T5 - Kühlvorrichtung und Kühlverfahren für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112005000265T5
Application number: DE112005000265T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Toyota Fujita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: CN100524923C; US20080032168A1; WO2005086268A1; CN1930717A; DE112005000265B4; JP2005259470A; US8129061B2

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle, welche eine Temperatur der Brennstoffzelle auf eine Sollwert-Einstelltemperatur durch Zuführen eines Kühlmittels einstellt, bei der ein auf eine Temperatur des Kühlmittels bezogener Parameter steuerbar ist, um eine elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches zu halten, und zwar basierend auf der Korrelation zwischen dem Parameter, der auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, und spezieller eine Kühlvorrichtung zum Abschätzen der elektrischen Leitfähigkeit und zum Steuern der Temperatur eines Flüssigkühlmittels.

Kühlvorrichtungen mit einem zirkulierenden Flüssigkühlmittel wurden dazu verwendet, um Wärme zu entziehen, die in Brennstoffzellen in Brennstoffzellensystemen erzeugt wird, die in bewegbaren Objekten installiert sind, wie beispielsweise in Elektro-Automobilen.

Beispielsweise offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-216817 eine solche Kühlvorrichtung, die das Flüssigkühlmittel-Umgehungsverhältnis zu einer die elektrische Leitfähigkeit reduzierenden Vorrichtung (Ionen-Austauscherharz) reduziert, wenn die Temperatur des Flüssigkühlmittels hoch ist und die elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, und welche das Umgehungsverhältnis zu der die elektrische Leitfähigkeit reduzierenden Vorrichtung erhöht, wenn die Temperatur des Flüssigkühlmittels niedrig ist und die elektrische Leitfähigkeit hoch ist. Mit einer solchen Technologie kann bei einer hohen Temperatur, wenn eine hohe Kühlleistung erforderlich ist, die Umgehungsströmungsrate erhöht werden, und es kann die Priorität auf den Kühlvorgang gesetzt werden, und bei einer niedrigen Temperatur, wenn die Menge an emittierter Wärme gering ist, kann die Priorität auf die Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels gesetzt werden.

Eine ähnliche Technologie ist auch in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-123804 und der 2003-123813 beschrieben.

Beschreibung der Erfindung

Die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung hat experimentell ermittelt, daß die elektrische Leitfähigkeit eines Flüssigkühlmittels nicht nur ansteigt, wenn das Flüssigkühlmittel verwendet wird, sondern auch mit der Temperatur korreliert, bei der das Flüssigkühlmittel verwendet wird. Es wurde somit herausgefunden, daß die elektrische Leitfähigkeit eines Flüssigkühlmittels dazu neigt, mit der Zunahme der Temperatur desselben anzusteigen. Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Technologie wird eine solche Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit, welche den Anstieg der Temperatur des Flüssigkühlmittels begleitet, nicht in Betracht gezogen. Wenn daher das Verhältnis eines Flüssigkühlmittels, welches durch die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Vorrichtung bei einer hohen Temperatur hindurchströmt, klein ist, kann die elektrische Leitfähigkeit eventuell eine zugelassene Grenze überschreiten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle zu schaffen, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Flüssigkühlmittels innerhalb eines vorbestimmten Bereiches halten kann, wenn sich die Temperatur des Flüssigkühlmittels ändert, und zwar nachfolgend einer Änderung im Betriebszustand der Brennstoffzelle.

Um diese Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung, welche eine Temperatur einer Brennstoffzelle auf eine Sollwerttemperatur einstellt, und zwar durch Zuführen eines Kühlmittels, wobei ein auf Kühlmitteltemperatur bezogener Parameter gesteuert werden kann, und zwar in solcher Weise, um eine elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwerttemperatur innerhalb eines elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches zu halten, basierend auf der Korrelation zwischen dem Parameter, der die Kühlmitteltemperatur betrifft, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels.

Es wurde herausgefunden, daß Kühlmittel gewöhnlich eine bestimmte Korrelation zwischen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit besitzen, und zwar in solcher Weise, daß die elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt. Bei der oben erläuterten Konfiguration wird der Parameter, welcher die Kühlmitteltemperatur betrifft, basierend auf der Korrelation des Parameters, der die Kühlmitteltemperatur betrifft, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels gesteuert, die basierend auf den von der Anmelderin entdeckten Grundlagen spezifiziert wird. Daher kann die elektrische Leitfähigkeit, die entsprechend der Kühlmitteltemperatur bestimmt wird, auf einen bzw. innerhalb eines elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich(es) eingestellt werden.

Hierbei bedeutet der „Parameter, welcher auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist" wenigstens ein Element, welches ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend die Temperatur des Kühlmittels, den Kühlungsgrad des Kühlmittels, eine erforderliche Ausgangsgröße der Brennstoffzelle, einen Betriebszustand der Brennstoffzelle und eine äußere Lufttemperatur. Somit bildet der Parameter ein Element, welches direkt oder indirekt die Kühlmitteltemperatur beeinflußt. Wenn beispielsweise der Kühlungsgrad des Kühlmittels verstärkt wird, nimmt die Kühlmitteltemperatur ab und, wenn der Kühlungsgrad abgeschwächt wird, steigt die Kühlmitteltemperatur an. Wenn die erforderliche Ausgangsgröße oder Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zunimmt, steigt die Kühlmitteltemperatur an, und zwar aufgrund der Wärmeerzeugung, die die elektrochemische Reaktion begleitet, wenn jedoch die erforderliche Ausgangsleistung der Brennstoffzelle abnimmt, nimmt auch die Wärmeerzeugung ab und die Kühlmitteltemperatur geht zurück. Wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle in einem Hochlastmodus liegt, nimmt die Wärmemenge des Kühlmittels zu und, wenn die Brennstoff zelle in einem Niedriglastmodus arbeitet, nimmt die Wärmemenge des Kühlmittels ab. Wenn die Außenlufttemperatur hoch ist, steigt die Kühlmitteltemperatur an und, wenn die äußere Lufttemperatur niedrig ist, fällt die Kühlmitteltemperatur ab.

Hierbei kann die „Steuerung des Parameters, der auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist", mit Hilfe einer Kühlmittel-Zuführzustands-Änderungseinrichtung erreicht werden, um den Zuführzustand des Kühlmittels zu ändern, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird. Hierbei enthält der Zuführzustand des Kühlmittels die Kühlmitteltemperatur, bevor das Kühlmittel zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei diese Kühlmitteltemperatur durch eine externe Kühlvorrichtung (Radiator) abgesenkt wird, oder durch die Menge des Kühlmittels (Druck oder Strömungsrate), welche der Brennstoffzelle zugeführt wird.

Die Zunahme in der Kühlmitteltemperatur wird durch Ändern des Zuführzustandes des Kühlmittels zu der Brennstoffzelle verhindert (in bevorzugter Weise durch Reduzieren der Temperatur des zugeführten Kühlmittels oder Erhöhen der Menge des zugeführten Kühlmittels), wenn die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels den Bereich des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsverhältnisses überschreitet oder angenommenerweise überschreitet. Als ein Ergebnis wird die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereichs gehalten.

Ferner kann die „Steuerung des Parameters, welcher auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist", mit Hilfe einer Betriebszustands-Änderungseinrichtung erreicht werden, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle zu ändern. Der Betriebszustand, wie er hier angesprochen ist, umfaßt beispielsweise die Ausgangsleistung (Größe der erzeugten Energie, elektrische Energie) der Brennstoffzelle, die Menge des zugeführten Brennstoffgases und des Oxidiergases (Druck oder Strömungsrate) und eine Sollwert-Einstelltemperatur als Betriebstemperatur der Brennstoffzelle.

Die Zunahme in der Kühlmitteltemperatur wird durch Ändern des Betriebszustandes der Brennstoffzelle verhindert, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet oder angenommenerweise diesen Bereich überschreitet (in bevorzugter Weise wird der Betriebszustand eingeschränkt, und in noch bevorzugterer Weise wird der Betrieb angehalten). Als ein Ergebnis wird die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches gehalten.

Ferner wird hierbei die Kühlmitteltemperatur durch Ändern von wenigstens einer der Größen gemäß dem Kühlungsgrad des Kühlmittels und dem Betriebszustand der Brennstoffzelle gesteuert. Die Kühlmitteltemperatur wird direkt durch den Kühlungsgrad des Kühlmittels beeinflußt und auch durch den Betriebszustand der Brennstoffzelle. Wenn daher eine Steuerung implementiert wird, und zwar durch Ändern des Kühlungsgrades des Kühlmittels oder durch Ändern des Betriebszustandes der Brennstoffzelle, kann die Kühlmitteltemperatur, das heißt, die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des geschätzten Bereiches gehalten werden.

Beispielsweise ist es zu bevorzugen, daß die Kühlvorrichtung ferner eine die elektrische Leitfähigkeit reduzierende Einrichtung enthält, um die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels abzusenken, wobei der auf die Kühlmitteltemperatur bezogene Parameter basierend auf der Reduzierungsgröße der elektrischen Leitfähigkeit mit der die elektrische Leitfähigkeit absenkenden Einrichtung gesteuert wird. Im allgemeinen hängt die Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit mit Hilfe der die elektrische Leitfähigkeit absenkenden Einrichtung von der Menge des Kühlmittels ab, die in Berührung mit und durch die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Einheit gelangt und, wenn die Behandlungskapazität der die elektrische Leitfähigkeit absenkenden Einrichtung erhöht wird, wird die Änderung in der elektrischen Leitfähigkeit, die durch die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Einheit verursacht wird, groß. Daher kann in diesem Fall die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur eingeschätzt werden, und zwar durch Berücksichtigung des Ausmaßes der Absenkung in der elektrischen Leitfähigkeit, verursacht durch die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Einrichtung, und es wird eine exaktere Steuerung der elektrischen Leitfähigkeit möglich.

Hierbei bedeutet die „elektrische Leitfähigkeit absenkende Einrichtung" eine Einheit, welche die elektrische Leitfähigkeit durch einen Ionen-Austausch zwischen den ionisierten Fremdstoffen und Wasserstoff-Ionen oder Hydroxyd-Ionen absenken kann; es können Einheiten verschiedener Typen verwendet werden, jedoch ist eine Einrichtung mit einer Filterstruktur unter Verwendung eines Ionen-Austauscherharzes besonders einfach in der Verwendung.

Spezifischer ausgedrückt umfaßt gemäß der vorliegenden Erfindung die Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine die elektrische Leitfähigkeit messende Einrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, eine Temperatur-Meßeinrichtung zum Messen der Temperatur des Kühlmittels, eine Einrichtung zum Einschätzen der elektrischen Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und der Korrelation der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, und eine Einrichtung zum Absenken der Sollwert-Einstelltemperatur, wenn die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet.

Da in herkömmlicher Weise die Kühlmitteltemperatur nicht gesteuert oder geregelt wird, wenn die elektrische Leitfähigkeit zeitweilig zunimmt, und zwar nachfolgend auf die Zunahme der Kühlmitteltemperatur, fällt dann die Absenkung der elektrischen Leitfähigkeit mit der die elektrische Leitfähigkeit absenkenden Einrichtung oder das Kühlen durch das Kühlmittel aus, und es kann eine hohe elektrische Leitfähigkeit angenommen werden. Auf der anderen Seite kann die Temperatur, die durch das Kühlmittel angenommen wird, und zwar nach dem Aufwärmen, in einem bestimmten Ausmaß für jedes System abgeschätzt werden. Wenn bei der oben beschriebenen Konfiguration die elektrische Leitfähigkeit und die Kühlmitteltemperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden und die Ergebnisse in Korrelation gesetzt werden und passen, kann die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels bei irgend einer Temperatur geschätzt werden. Wenn daher die elektrische Leitfähigkeit bei einer bestimmten Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet, verhindert das Ändern der Sollwert-Einstelltemperatur in solcher Weise, daß die elektrische Leitfähigkeit in den Bereich hineingelangt, daß die elektrische Leitfähigkeit anormal hoch wird. Da somit die Kühlmitteltemperatur nach dem Aufwärmen in Form einer Sollwert-Einstelltemperatur gesteuert oder geregelt wird und die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur im voraus bewertet wird, und zwar unter Verwendung der Korrelation zwischen der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels und einem Parameter, der die Kühlmitteltemperatur beeinflußt, und wenn dabei der auf die Temperatur bezogene Parameter so eingestellt wird, daß die geschätzte elektrische Leitfähigkeit innerhalb des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches zu liegen kommt, kann die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur gesteuert oder geregelt werden, so daß diese innerhalb des geeigneten Bereiches gehalten wird (Vorwärtsregelung).

Auf der anderen Seite kann auch eine Einrichtung zum Erhöhen der Sollwert-Einstelltemperatur des Kühlmittels innerhalb eines Bereiches in solcher Weise vorgesehen sein, daß die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich nicht überschreitet. Vom Standpunkt des Systembetriebes aus ist eine niedrige Kühlmitteltemperatur nicht notwendigerweise gut, und in vielen Fällen ist es zu bevorzugen, daß die Kühlmitteltemperatur innerhalb eines störungsfreien Bereiches eingestellt wird. Beispielsweise gilt, je niedriger die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels ist, desto besser ist dies, um jedoch die Startzeit der Brennstoffzelle zu verkürzen oder um den Energieerzeugungs-Wirkungsgrad zu maximieren, muß die Kühlmitteltemperatur ziemlich hoch sein. Aus diesem Grund ist es manchmal zu bevorzugen, daß die Temperatur innerhalb eines Bereiches angehoben wird, in welchem die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels nicht den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet.

Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems der Ausführungsform 1;
2 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb der Kühlvorrichtung der Ausführungsform 1 veranschaulicht;
3 ist ein Steuer- oder Regelcharakteristik-Diagramm der Flüssigkühlmitteltemperatur und der elektrischen Leitfähigkeit in einem Fall, bei dem die elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, und zwar selbst nach einem Aufwärmen;
4 zeigt ein Steuer- oder Regelcharakteristik-Diagramm der Flüssigkühlmittel-Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit, wobei die Steuerung oder Regelung unter Verwendung des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches von der Ausführungsform 1 verwendet wird.
5 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems der Ausführungsform 2;
6 veranschaulicht ein Flußdiagramm, welches den Betrieb der Kühlvorrichtung der Ausführungsform 2 wiedergibt;
7 zeigt ein Steuer- oder Regelcharakteristik-Diagramm der Flüssigkühlmittel-Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit bei der Steuerung oder Regelung, die die elektrische Leitfähigkeit nicht ändert;
8 ist ein Steuer- oder Regelcharakteristik-Diagramm der Flüssigkühlmittel-Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit bei der Steuerung oder Regelung, die die elektrische Leitfähigkeit absenkt; und
9 zeigt ein funktionelles Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung.
Die beste Art, die vorliegende Erfindung auszuführen
Ein bevorzugter Modus zum Ausführen der Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird die Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem angewendet, welches in einem bewegbaren Objekt, wie einem Elektro-Automobil installiert ist. Solche Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichende Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Rahmen derselben beschränkt.
(Ausführungsform 1)
Die Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Kühlsteuerung oder Kühlregelung in einem Fall, bei dem eine direkte Reduzierung in der elektrischen Leitfähigkeit durch die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Vorrichtung nicht in Betracht gezogen wird. 1 zeigt die Gesamtkonfiguration des vorliegenden Brennstoffzellensystems. Wie in 1 gezeigt ist, ist in dem Brennstoffzellensystem ein Zirkulierkanal 11 eines Flüssigkühlmittels vorgesehen, so daß das Flüssigkühlmittel innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 10 zirkulieren kann. Der Zirkulierkanal 11 ist in einen Umgehungskanal 12 und einen Kühlkanal 13 aufgeteilt, in welchem ein Radiator 14 vorgesehen ist. Der Zirkulierkanal ist so konfiguriert, daß der Umgehungskanal 12 und der Kühlkanal 13 mit Hilfe eines Dreiwegeventils 17 ausgewählt werden kann. Eine Flüssigkühlmittel-Pumpe 13, die mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit basierend auf einem Steuersignal von einer Steuereinheit 20 angetrieben wird, ist in dem Zirkulierkanal 11 vorgesehen, wodurch eine gezwungene Zirkulation des Flüssigkühlmittels ermöglicht wird. Ein Thermometer St zum Erfassen der Temperatur des Flüssigkühlmittels und ein Messgerät Sc für die elektrische Leitfähigkeit zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels sind in der Auslaßöffnung des Brennstoffzellenstapels 10 vorgesehen.
In dem Brennstoffzellenstapel 10 sind eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt, wodurch die Erzeugung einer hohen Spannung möglich wird. In jeder Einheitszelle ist eine MEA (Membran-Elektroden-Anordung)-Struktur, in welcher eine Polymer-Elektrode zwischen zwei Elektroden eingefaßt ist (einer Brennstoffelektrode und einer Luft-Elektrode) zwischen Separatoren mit guter Gas-Permeabilität eingefaßt. In der Brennstoffelektrode ist eine Katalysator-Schicht für die Brennstoffelektrode auf einer porösen Abstzützschicht vorgesehen, und in der Luftelektrode ist eine Katalysatorschicht für die Luftelektrode auf einer porösen Abstützschicht vorgesehen.
Da der Brennstoffzellenstapel 10 Wärme durch eine elektochemische Reaktion erzeugt, welche die Energieerzeugung begleitet, wird der Stapel innerhalb eines geeigneten Temperaturbereiches mit Hilfe eines Kühlmittels gehalten.
Ein System zum Zuführen von Wasserstoffgas, welches ein Brennstoffgas bildet, zu dem Brennstoffzellenstapel 10 umfaßt ein Druckeinstellventil 21 zum Einstellen des Druckes des Wasserstoffgases, welches von einer Brennstoffgas-Zuführquelle (einem Hochdrucktank, Reformer, Wasserstoffspeicher-Legierungstank usw.) zugeführt wird, die in der Figur nicht gezeigt ist, und um das Wasserstoffgas auf dem bestimmten Druck zu halten, umfaßt ferner ein Brennstoffzelleneinlaß-Öffnungs-/Schließventil 22 zum Unterbrechen der Zufuhr des Wasserstoffgases in den Brennstoffzellenstapel 10, und ein Brennstoffzellenauslaß-Öffungs-/Schließventil 23 zum Unterbrechen der Abgabe des Wasserstoff-Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel 10. Das Brennstoff-Abgas, welches von dem Brennstoffzellenauslaß-Öffnungs-/Schließventil 23 freigegeben wird, wird mit Luft verdünnt, die durch eine Verdünnungsvorrichtung zugeführt wird (welche in den Figuren nicht gezeigt ist) und wird ausgetragen.
Ferner wird in dem System zum Zuführen der Luft, die ein oxidierendes Gas darstellt, in den Brennstoffzellenstapel 10 komprimierte Luft von dem Lufteinlaßport (in der Figur nicht gezeigt) durch einen Kompressor 30 zugeführt, die für die elektrochemische Reaktion verwendet wird, und wird als ein Luft-Abgas ausgetragen.
Ventile und Pumpen des Systems zum Zuführen des Wasserstoffgases und das System zum Zuführen der Luft können basierend auf einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 angetrieben werden.
Die Steuereinheit 20 besteht aus einem gut bekannten Computersystem für allgemeine Zwecke für die Automobilsteuerung, wie beispielsweise einer ECU (Elektronische Steuereinheit), die aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) (die in der Figur nicht gezeigt ist), einem RAM, einem ROM usw. besteht, und kann das Brennstoffzellensystem als Kühlvorrichtung betreiben, und zwar in Einklang mit der vorliegenden Erfindung und durch Ausführen eines Computerprogramms, welches in dem ROM usw. gespeichert ist. Ein spezifisches Merkmal der Steuereinheit 20 besteht darin, daß diese in ihr selbst die Korrelation zwischen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels in Form einer Datentabelle gespeichert enthält, wie in 3 oder 4 gezeigt ist. Da diese Korrelation eine lineare Beziehung darstellt, kann sie in einem Relations-Ausdrucksformat gespeichert werden. Wenn die Steuereinheit 20 die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels zu einem bestimmten Zeitpunkt beurteilt, kann die Steuereinheit die elektrische Leitfähigkeit abschätzen, und zwar durch Bezugnahme auf die zuvor erläuterte Korrelation, wenn die Temperatur des Flüssigkühlmittels sich danach ändert. Wie in 3 und 4 gezeigt ist, wird ein Punkt eingestellt, wenn die elektrische Leitfähigkeit und die Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmt werden, und die elektrische Leitfähigkeit ändert sich linear mit der Zunahme der Temperatur von diesem Punkt an. Wenn die anfängliche elektrische Leitfähigkeit hoch ist, steigt die nachfolgende elektrische Leitfähigkeit von da aus an, und zwar mit der Zunahme der Temperatur. Wenn die anfängliche elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, steigt sie von dieser niedrigen Position aus an, und das Anstiegsverhältnis (Variationskoeffizient) ist das gleiche, ungeachtet des Wertes der anfänglichen elektrischen Leitfähigkeit.
Ferner ist die Korrelation zwischen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels, die in 3 und 4 gezeigt ist, lediglich als einfaches Beispiel dargestellt, und die Korrelation kann abhängig von einer Vielzahl von Faktoren abweichend sein. Daher sollte diese Korrelation in bevorzugter Weise durch tatsächliche Messungen für jedes Brennstoffzellensystem herausgefunden werden.
Bei der oben beschriebenen Struktur erzeugt der Brennstoffzellenstapel 10 Energie, wenn Wasserstoffgas zu der Brennstoffelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt wird und wenn Luft der Luftelektrodenseite zugeführt wird. Um Wärme abzuleiten, die mit der Energieerzeugung einhergeht, treibt die Steuereinheit 20 die Flüssigkühlmittel-Pumpe 18 an, läßt das Flüssigkühlmittel innerhalb des Zirkulierkanals 11 zirkulieren, und es wird das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 gekühlt. Die Steuereinheit 20 erkennt die Flüssigkühlmittel-Temperatur durch Bezugnahme auf ein Detektionssignal von dem Thermometer St. Wenn die Kühlung nicht erforderlich ist, z.B. dann, wenn der Brennstoffzellenstapel startet, wird das Dreiwegeventil 17 auf den Umgehungskanal 12 geschaltet, um das Flüssigkühlmittel zirkulieren zu lassen, wenn jedoch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 ansteigt und dann eine Kühlung erforderlich wird, gibt die Steuereinheit 20 ein Steuersignal zum Antreiben des Motors 15 aus, und der Ventilator 16 wird in Drehung versetzt, so daß eine Luftkühlung des Flüssigkühlmittels mit Hilfe des Radiators 14 ausgeführt wird und die Temperatur des Flüssigkühlmittels abgesenkt wird.
Ferner besteht das Flüssigkühlmittel, welches in dem Kühlsystem fließt, aus reinem Wasser oder einem Frostschutzmittel, welches eine aufgelöste Substanz (Äthylenglykol usw.) enthält, welches den Gefrierpunkt absenkt. Die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Ionen werden in dem Lösungsmittel des Flüssigkühlmittels aufgelöst oder es werden Rohrmaterialien in das Lösungsmittel durchgelassen, und selbst in dem Falle von reinem Wasser ist eine geringe Menge an Ionen in diesem enthalten, wodurch eine geringe elektrische Leitfähigkeit realisiert wird.
3 zeigt das Korrelationsdiagramm zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur des Flüssigkühlmittels. Wie in 3 gezeigt ist, steigt die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels mit anwachsender Temperatur an, da die Wirkung der Ionenmoleküle proportional zur Temperatur aktiviert wird. In den Brennstoffzellen wird das Flüssigkühlmittel dazu verwendet, um die Wärme abzubauen oder zu verteilen, und wenn die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels ansteigt, werden ein Kurzschluß, ein Absinken der erzeugten Energie und ein Abfallen der generierten Spannung induziert. Aus diesem Grund muß die elektrische Leitfähigkeit der Brennstoffzelle unter einem bestimmten Wert gehalten werden.
Jedoch korreliert die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels mit der Temperatur, und wenn die Temperatur des Flüssigkühlmittels ansteigt, kann die Temperatur des Flüssigkühlmittels nicht unmittelbar abgesenkt werden. Aus diesem Grund kann auch die elektrische Leitfähigkeit nicht abgesenkt werden. Selbst wenn ferner die die elektrische Leitfähigkeit absenkende Vorrichtung verwendet wird, kann die elektrische Leitfähigkeit nicht schlagartig abgesenkt werden. Wenn aus diesem Grund die Last plötzlich ansteigt und die Flüssigkühlmittel-Temperatur plötzlich ansteigt, kann die elektrische Leitfähigkeit den zulässigen Bereich überschreiten. Wenn ferner die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels zu hoch wird, kann ein Kurzschluß innerhalb der Brennstoffzelle auftreten, es kann die Menge an erzeugter Energie abfallen und es kann die Energieerzeugung aufhören. Aus diesem Grund ist es zu bevorzugen, daß die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels innerhalb des zulässigen Bereiches gehalten wird. Demzufolge wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des vorbestimmten Bereiches mit Hilfe des weiter unten beschriebenen Prozesses gehalten.
Die Verarbeitung in der Kühlvorrichtung des Brennstoffzellensystems der Ausführungsform 1 wird im Folgenden unter Hinweis auf das Flußdiagramm in 2 erläutert und auch anhand der Korrelation zwischen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels, welche in 4 gezeigt ist. Aufgrund der langsamen Änderungen kann die Temperaturregelung des Flüssigkühlmittels nicht schlagartig wie bei einer anderen Verarbeitung durchgeführt werden. Daher wird eine Priorität auf eine andere Verarbeitung gelegt, bevor die Temperaturregelung bzw. Zeitsteuerung erfolgt (S1: NEIN).
In dem Korrelationsdiagramm, welches in 4 gezeigt ist, bildet die Zone zwischen den elektrischen Leitfähigkeitswerten S_max-S_min, die durch geneigte Linien als ein elektrischer Soll-Leitfähigkeitsbereich gezeigt ist, in welchem die elektrische Leitfähigkeit in bevorzugter Weise mit Hilfe einer vorwärts verlaufenden Steuerung oder Regelung gehalten werden soll. Bei der weiter unten beschriebenen Operation werden die elektrische Leitfähigkeit und die Temperatur des Flüssigkühlmittels beim Start des Systems (T₀) gemessen, und es wird dann die zukünftige elektrische Leitfähigkeit gesteuert oder geregelt, wobei diese Steuerung oder Regelung jedoch nicht auf den Start beschränkt ist und auch während eines Neustarts eines intermittierenden Betriebes oder zu anderen geeigneten Zeitlagen implementiert werden kann. Ein spezifisches Merkmal dieser Steuerung oder Regelung besteht darin, daß die Flüssigkühlmittel-Temperatur auf der Grundlage der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur bei einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert oder geregelt wird, um die zukünftige elektrische Leitfähigkeit in einen festgelegten Bereich einzupassen. Die Steuereinheit 20 kann die Solltemperatur des Flüssigkühlmittels einstellen, jedoch wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Temperatur T_H nach dem Aufwärmen in dem üblichen Betrieb als Standard-Solltemperatur verwendet, die den Anfangszustand enthält, und es wird eine niedrigere Solltemperatur T_L rückgestellt, und zwar entsprechend dem Wert der elektrischen Leitfähigkeit während des Aufwärmens.
Wenn einmal die Zeitsteuerung für die Temperaturregelung des Flüssigkühlmittels bereit ist (S1: JA), liest die Steuereinheit 20 ein Detektionssignal von dem Meßgerät Sc für die elektrische Leitfähigkeit und mißt die elektrische Leitfähigkeit So zu einem bestimmten Zeitpunkt (S2). Zur gleichen Zeit wird auch das Detektionssignal von dem Thermometer St gelesen, und es wird auch die Temperatur T₀ ebenso gemessen (S3). Dann schätzt die Steuereinheit 20 die elektrische Leitfähigkeit S_H nach dem Aufwärmen anhand der elektrischen Leitfähigkeit S₀ und anhand der Temperatur T₀ zu dem vorliegenden Zeitpunkt (S4) ein. Bei den Brennstoffzellensystemen wie denjenigen, die in Elektro-Automobilen installiert sind, steigt die Temperatur des Flüssigkühlmittels von dem Startzeitpunkt an aufgrund von elektrochemischen Reaktionen an, die in der Brennstoffzelle voranschreiten, wenn jedoch die Last (Fahrmodus) der Brennstoffzelle konstant ist, gibt es eine Temperatur, bei der ein Abgleich erreicht wird, und zwar bei der Kühlung durch das Kühlsystem und der Wärmeerzeugung durch die Brennstoffzelle, und die Änderung in der Temperatur verlangsamt sich, wenn diese Temperatur erreicht wird. Welche Temperatur durch die Brennstoffzelle erreicht wird, wird durch die Spezifikationen von jedem System festgelegt, es kann jedoch eine geeignete oder angenäherte Gleichgewichtstemperatur des Flüssigkühlmittels abgeschätzt oder eingeschätzt werden, und zwar anhand der erforderlichen Last der Brennstoffzelle zum gegenwärtigen Zeitpunkt, anhand der Größe der Last in dem üblichen Fahrmodus oder auch statistisch abgeleitet werden, und zwar mit Hilfe der geschätzten Lastgröße. Die Steuereinheit 20 leitet die elektrische Leitfähigkeit S_H bei der Temperatur T_H nach dem Aufwärmen ab, und zwar basierend auf der Tabelle oder einer Berechnungsformel, welche die Korrelation wiedergibt, wie dies in 4 gezeigt ist, indem diese Gleichgewichtstemperatur als Temperatur T_H nach dem Aufwärmen angenommen wird.
Wenn, wie in 3 gezeigt ist, das Brennstoffzellensystem betrieben wird, und zwar so, wie es gewöhnlich bei der Temperaturregelung betrieben wird, wenn die elektrische Leitfähigkeit bei der Temperatur T0 zum gegenwärtigen Zeitpunkt gleich S0 ist und der Position entspricht, welche durch den Punkt A in dem Korrelationsdiagramm wiedergegeben ist, welches in 3 gezeigt ist, steigt die elektrische Leitfähigkeit entlang dieser geraden Linie an und erreicht die Position des Punktes A' bei der Temperatur TH nach dem Aufwärmvorgang. Es ergeben sich keine Probleme, wenn die elektrische Leitfähigkeit an dem Punkt A' gleich ist mit oder kleiner ist als (Punkt A') der oberen Grenze S_max des geeigneten elektrischen Leitfähigkeitsbereiches, wie dies durch das Korrelationsdiagramm in 3 dargestellt ist. Wenn jedoch, wie in dem Korrelationsdiagramm in 4 gezeigt ist, die elektrische Leitfähigkeit AH bei der Temperatur T_H nach dem Aufwärmvorgang die obere Grenze S_max des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereichs überschreitet, der durch geneigte Linien wiedergegeben ist, und zwar aufgrund einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit So an dem Punkt A, welches der Startpunkt ist, muß die elektrische Leitfähigkeit abgesenkt werden.
Demzufolge ändert die Steuereinheit 20 die Solltemperatur des Flüssigkühlmittels nach dem Aufwärmvorgang auf T_L (S7), wenn die Solltemperatur des Flüssigkühlmittels die gewöhnlich eingestellte Temperatur T_H (S5: JA) erreicht und wenn die elektrische Leitfähigkeit S_H, die anhand des Korrelationsdiagramms abgeschätzt wird, den oberen Grenzwert S_max (JA) überschreitet.
Wie sich aus 4 ergibt, ist bei der Solltemperatur T_L des Flüssigkühlmittels selbst dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit sich von dem Punkt A aus ändert, die elektrische Leitfähigkeit A_L gleich mit oder kleiner als der obere Grenzwert S_max des Sollwertbereiches der elektrischen Leitfähigkeit. Daher kann die elektrische Leit fähigkeit in geeigneter Weise gesteuert oder geregelt werden, wenn der Anstieg in der Temperatur des Flüssigkühlmittels auf die Sollwerttemperatur T_L des Flüssigkühlmittels unterdrückt werden kann.
Hierbei wird die Flüssigkühlmittel-Temperatur durch verschiedene Faktoren bestimmt. Einer von diesen Faktoren ist die erforderliche Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10. Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zunimmt, verstärkt sich die Erzeugung der Wärme, die mit der elektrochemischen Reaktion einhergeht, und die Flüssigkühlmittel-Temperatur steigt weiter an. Ferner stellt auch der Betriebszustand des gesamten Brennstoffzellensystems einen Faktor dar. Wenn die Last anwächst, die für das System erforderlich ist, anwächst, steigt auch die Flüssigkühlmittel-Temperatur leicht an. Auch die Außenlufttemperatur beeinflußt direkt die Luftkühlintensität. Wenn die Außenlufttemperatur ansteigt, steigt die Flüssigkühlmittel-Temperatur ebenfalls leicht an.
Ferner umfassen die Elemente, die eine gezwungene Steuerung oder Regelung durch die Steuereinheit 20 der Flüssigkühlmittel-Temperatur ermöglichen, die abhängig von den zuvor genannten Faktoren variiert, die Kühlintensitäts-Steuerung in dem Radiator 14, die Strömungsratensteuerung des Flüssigkühlmittels durch die Flüssigkühlmittel-Pumpe 18 und die Unterdrückungssteuerung der Energieerzeugung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegeben wird. Die Steuereinheit 20 hält die Flüssigkühlmittel-Temperatur innerhalb des Sollwert-Temperaturbereiches durch Verwenden solcher Steuer- oder Regelelemente individuell oder in Kombination.
Wenn einmal die Sollwert-Flüssigkühlmittel-Temperatur auf eine niedrige Temperatur eingestellt worden ist, muß die Kühlintensität des Flüssigkühlinittels innerhalb des Bereiches angehoben werden, der durch die Kühlkapazität zugelassen wird. Demzufolge schaltet die Steuereinheit 20 das Dreiwegeventil 17 auf den Kühlkanal 13, wodurch ein Umschalten auf die natürliche Luftkühlung erfolgt, und zwar mit der Luft, die durch den Radiator 14 hindurchströmt. Wenn die natürliche Luftkühlung unzureichend ist, liefert die Steuereinheit 20 ein Steuersignal zu dem Motor 15, der Ventilator 16 wird in Drehung versetzt, und die Intensität der Luftkühlung mit dem Radiator 13 wird erhöht. Wenn die Temperatur der Außenluft hoch ist und die Kühlintensität, die durch die übliche Lüfter-Rotation geliefert wird, unzureichend ist, wie dies zum Beispiel im Sommer der Fall sein kann, liefert die Steuereinheit 20 ein Steuersignal zum Erhöhen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 15, es wird der Lüfter oder Ventilator 16 mit höherer Drehzahl in Drehung versetzt, und die Intensität der Luftkühlung wird erhöht. Ferner stellt die Steuereinheit 20 auch die Umdrehungsgeschwindigkeit ein entsprechend der erforderlichen Kühlintensität für die Flüssigkühlmittel-Pumpe 18.
Bei dem üblicherweise erforderlichen Kühlintensitätsbereich kann das Flüssigkühlmittel auf der Sollwert-Einstelltemperatur T_L mit Hilfe der oben beschriebenen Kühlsteuertypen gehalten werden, wenn jedoch die Außenlufttemperatur weiter ansteigt, läuft die Kühlung hinterher, und die Flüssigkühlinittel-Temperatur überschreitet manchmal die Sollwert-Einstelltemperatur T_L. Wenn demzufolge die Kühlung mit dem Flüssigkühlmittel als unzureichend beurteilt wird (S8: NEIN), und zwar basierend auf den Parametern, welche auf die Temperatur bezogen sind, stellt die Steuereinheit 20 selbst dann, wenn die Kühlkapazität des Systems an einem maximalen Limit verwendet wird, das erforderliche Ausgangsventil selbst zurück, welches in dem Brennstoffzellenstapel 10 eingestellt worden ist, und zwar auf eine niedrigere Ausgangsleistung (S9). Diese niedrige Ausgangsleistung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem der Druck abgesenkt wird, der durch das Druckeinstellventil 21 eingestellt wird, indem zeitweilig die Absperrventile 22 und 23 geschlossen werden oder indem die Antriebsgröße des Kompressors 30 abgesenkt wird.
Wenn die Flüssigkühlmittel-Temperatur auf T_L mit Hilfe der oben beschriebenen Steuerung oder Regelung gehalten werden kann, dann kann die elektrische Leitfähigkeit SL bei der niedrigen Temperatureinstellung ebenfalls in den elektrischen Leitfähigkeits-Sollwertbereich eingepaßt werden.
Auf der anderen Seite ist es manchmal zu bevorzugen, daß die Flüssigkühlmittel-Temperatur auf einer etwas höheren Seite liegt. Aus diesem Grund ist es noch mehr zu bevorzugen, die Flüssigkühlmittel-Temperatur innerhalb eines Bereiches hoch einzustellen, bei dem der obere Grenzwert S_max der elektrischen Leitfähigkeit nicht überschritten wird. Wenn demzufolge die Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels auf eine niedrige Temperatur T_L (S5: NEIN) eingestellt wird und die elektrische Leitfähigkeit S_H gleich ist mit oder kleiner ist als der obere Grenzwert S_max, führt die Steuereinheit 20 selbst bei der gewöhnlich eingestellten Temperatur T_H des Kühlmittels (S10: JA) die Sollwert-Flüssigkühlmittel-Temperatur, die auf niedrig eingestellt worden ist, auf die übliche Temperatur T_H zurück (S11).
Beispielsweise ist in dem Fall der Position C zum Startzeitpunkt, wie in 4 gezeigt ist, die elektrische Leitfähigkeit (Position C_L) bei der niedrigen Flüssigkühlmittel-Temperatur T_L offensichtlich gleich oder kleiner als der obere Grenzwert S_max, ist jedoch auch gleich oder kleiner als der obere Grenzwert S_max, und zwar selbst bei der üblichen Temperatur T_H (Position C_H). Als ein Ergebnis wird die Flüssigkühlmittel-Temperatur zu niedrig. In einem solchen Fall muß die Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels auf T_H zurückgeführt werden.
Um die Flüssigkühlmittel-Temperatur erneut anzuheben, kann beispielsweise die Steuereinheit 20 die Umdrehungsgeschwindigkeit des Lüfters oder Ventilators 16 absenken oder kann die Drehung anhalten und auf die natürliche Luftkühlung umschalten oder kann das Dreiwegeventil 17 schalten, um den Kanal 12 zu umgehen und um die Kühlung mit Hilfe des Radiators 14 anzuhalten. Eine andere Option besteht in einer Reduzierung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Flüssigkühlmittel-Pumpe 18.
Mit Hilfe des Kühlprozesses der Ausführungsform 1, der weiter oben beschrieben wurde, kann die elektrische Leitfähigkeit bei der Temperatur nach dem Aufwärmvorgang eventuell innerhalb des Bereiches der elektrischen Soll-Leitfähigkeit gehalten werden (geneigte Linien in 4), die durch die Neigung der geraden Linien eingestellt wird, welche die Korrelation wiedergeben.
Wenn, mit anderen Worten, die elektrische Leitfähigkeit S_H bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet, wird die Regelung so durchgeführt, daß die Sollwert-Einstelltemperatur geändert wird, so daß die elektrische Leitfähigkeit in den Bereich hineinpaßt, und auch in solcher Weise, daß die Kühlintensität erhöht oder angehoben wird. Daher wird eine anormale Zunahme in der elektrischen Leitfähigkeit verhindert.
Wenn ferner die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur unterhalb des elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches liegt, wird die Regelung so durchgeführt, daß die Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels angehoben wird. Daher kann ein geeigneter Systembetrieb aufrechterhalten werden.
(Ausführungsform 2)
Die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung betrifft im Gegensatz zu der Ausführungsform 1 eine Kühlsteuerung oder Regelung, welche eine die elektrische Leitfähigkeit absenkende Vorrichtung verwendet und welche die direkte Absenkung in der elektrischen Leitfähigkeit mit in Betracht zieht. 5 veranschaulicht die Gesamtkonfiguration des vorliegenden Brennstoffzellensystems. Wie in 5 gezeigt ist, ist in dem Brennstoffzellensystem ein Ionenaustauscher 19, der äquivalent zu der die elektrische Leitfähigkeit absenkenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, in dem Zirkulierkanal 11 eines Flüssigkühlmittels in der Ausführungsform 1 vorgesehen. Ferner ist ein Wärmeaustauscher 30 in dem Zirkulierkanal 11 vorgesehen, und eine zweite Kühlvorrichtung dient dazu, einen Wärmeaustausch über diesen Wärmeaustauscher mit dem Flüssigkühlmittel durchzuführen, welches durch den Zirkulierkanal 11 strömt, der aus einem primären Kanal besteht. Die sekundäre Kühlvorrichtung umfaßt ein Druckeinstellventil 31, einen Kondensator 32 und eine Zirkulierpumpe 33 und ist so konfiguriert, daß die Wärme von dem Wärmeaustauscher 30 immer von dem Flüssigkühlmittel aufgenommen werden kann, welches durch den Zirkulierkanal 11 strömt, wodurch die Temperatur des Flüssigkühlmittels abgesenkt wird. Andere Aspekte der Struktur sind identisch mit denjenigen der Ausführungsform 1.
In dem Ionenaustauscher 19 ist ein Gehäuse, welches einen Kanal formt, mit einem Ionenaustauscherharz in Form von Kugeln oder Fasern mit großer Oberfläche gefüllt. Das Ionenaustauscherharz besteht aus einem synthetischen Harz, zusammengesetzt aus einem Kationen-Austauscherharz und einem Anionen-Austauscherharz und ist mit funktionellen Gruppen versehen. Die Kationen werden durch das Kationen-Austauscherharz absorbiert, und die Anionen werden durch das Anionen-Austauscherharz absorbiert. Ionen werden beseitigt, wenn das Flüssigkühlmittel durch den Ionenaustauscher 19 hindurch verläuft und die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels abgesenkt wird. Andererseits erfolgt, da das Flüssigkühlmittel durch den Raum hindurchströmt, der mit dem Ionenaustauscherharz gefüllt ist, ein Druckverlust in dem Ionenaustauscher 19, und eine große Menge des Flüssigkühlmittels kann nur schwer zirkulieren. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine sekundäre Kühlvorrichtung vorgesehen, die den Wärmeaustauscher 30 verwendet, es wird die Flüssigkühlmittel-Temperatur weiter abgesenkt und es wird eine bestimmte Kühlintensität aufrechterhalten, und zwar selbst bei einer kleinen Menge eines zirkulierenden Flüssigkühlmittels. Da ferner eine solche sekundäre Kühlvorrichtung vorgesehen ist, kann die Kapazität des Ionenaustauschers 19 erhöht werden und die Abnahmekapazität in der elektrischen Leitfähigkeit kann erhöht werden. Daher kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Abnahme in der elektrischen Leitfähigkeit, die durch den Ionenaustauscher 19 verursacht wird, ebenfalls in Betracht gezogen werden, und zwar bei der Kühlsteuerung oder Regelung nach der vorliegenden Erfindung, die durchgeführt wird, um die elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.
Ferner kann zusätzlich zu der Verwendung des zuvor beschriebenen Wärmeaustauschers 30 ein Umgehungskanal parallel zu dem Zirkulierkanal vorgesehen sein, und es kann ein Ionenaustauscher in dem Umgehungskanal angeordnet sein, um auf einen Druckabfall in dem Ionenaustauscher anzusprechen.
Die Verarbeitung, welche in der Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems bei der Ausführungsform 2 durchgeführt wird, wird nun weiter unten unter Hinweis auf das Flußdiagramm erläutert, welches in 6 gezeigt ist.
In Ausdrücken einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit So und der Temperatur T₀ des Flüssigkühlmittels während des Starts oder Neustarts bei einem intermittierenden Betrieb und zum Finden der geschätzten elektrischen Leitfähigkeit S_H oder S_L bei der Sollwert-Einstelltemperatur T_H oder T_L, ist diese Ausführungsform identisch mit der Ausführungsform 1 (S21-S24).
Bei der Ausführungsform 2 ist ein Ionenaustauscher 19 vorgesehen. Es kann daher eine Absenkung der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigkühlmittels, verursacht durch den Ionenaustausch, erwartet werden. Das Ausmaß dieser Absenkung in der elektrischen Leitfähigkeit wird in Relation zu der Menge des Wassers in dem Flüssigkühlmittel gesetzt, welches durch den Ionenaustauscher 19 hindurchfließen kann, das heißt der Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkühlmittel-Pumpe 18. Da die Umlaufrate der Flüssigkühlmittel-Pumpe 18 veränderlich ist, und zwar entsprechend der Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels, kann die Menge des zirkulierenden Wassers, welches durch die Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkühlmittel-Pumpe eingestellt wird, und dann die Absenkgröße der elektrischen Leitfähigkeit eingeschätzt werden, und zwar entsprechend einer Abhängigkeit davon, ob die Sollwert-Einstelltemperatur bei dem momentanen Zeitpunkt die gewöhnliche Temperatur T_H ist oder eine niedrige Temperatur T_L ist.
Wenn demzufolge die momentane Sollwert-Einstelltemperatur die gewöhnliche Temperatur T_H ist (525: JA), schätzt die Steuereinheit 20 den Absenkbetrag ΔS_H der elektrischen Leitfähigkeit ein, und zwar nach dem Aufwärmen entsprechend der Menge des zirkulierenden Wassers vor der üblichen oder gewöhnlichen Temperatur (S26). Dann wird der Absenkungsbetrag ΔS_H der elektrischen Leitfähigkeit, der durch den Ionenaustauscher 19 bewirkt wird, von der elektrischen Leitfähigkeit S_H nach dem Aufwärmen subtrahiert, die bei dem Schritt S24 eingeschätzt wurde, und das Ergebnis wird dann als elektrische Leitfähigkeit S_H nach dem Aufwärmen genommen (S27).
Wenn ferner die momentane Sollwert-Einstelltemperatur aus der niedrigen Temperatureinstellung T_L besteht (S25: NEIN), wird der Absenkungsbetrag ΔS_L der elektrischen Leitfähigkeit nach dem Aufwärmen abgeschätzt, und zwar entsprechend der Menge des zirkulierenden Wassers bei der niedrigen Einstelltemperatur T_L (S35). Es wird dann der Absenkungsbetrag ΔS_L der elektrischen Leitfähigkeit, der durch den Ionenaustauscher 19 bewirkt wird, von der elektrischen Leitfähigkeit S_L nach dem Aufwärmen subtrahiert, die bei dem Schritt S24 eingeschätzt wurde, und das Ergebnis wird dann als die elektrische Leitfähigkeit S_L nach dem Aufwärmen genommen (S36).
Die Kühlsteuerung, die nach der Einschätzung der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt wird, und zwar durch Inbetrachtziehen der Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in dem Ionenaustauscher, ist nahezu identisch mit derjenigen bei der Ausführungsform 1. Wenn somit die geschätzte Größe S_H den oberen Grenzwert S_max (S28: JA) überschreitet, ändert sich die Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels auf die niedrige Temperatur (S29) und, wenn die Kühlkapazität eingeholt wird (S30: NEIN), wird die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 auf niedriger eingestellt (S31). Wenn ferner die elektrische Leitfähigkeit S_H den oberen Grenzwert S_max nicht überschreitet, kehrt selbst bei einer Einstellung der üblichen Temperatur T_H auf eine niedrige Temperatur (S37: JA) die Sollwert-Einstelltemperatur des Kühlmittels auf die gewöhnliche Temperatur T_H zurück (S38).
Bei der Ausführungsform 2 wird beispielsweise gemäß der Darstellung in 7 die Absenkung in der elektrischen Leitfähigkeit, verursacht durch den Ionenaustauscher 19, berücksichtigt. Wenn daher das Flüssigkühlmittel auf eine niedrige Temperatur TL eingestellt ist, nimmt die elektrische Leitfähigkeit S_L nach dem Aufwärmen um den Absenkbetrag ΔS_L der elektrischen Leitfähigkeit ab (Position E_L), und zwar im Vergleich mit derjenigen, wenn der Ionenaustauscher 19 nicht vorhanden ist (Position A_L). Wenn ferner das Flüssigkühlmittel auf der üblichen Temperatur einstellung T_H steht, nimmt die elektrische Leitfähigkeit S_H nach dem Aufwärmen um den Absenkbetrag ΔS_H der elektrischen Leitfähigkeit ab (Position E_H), und zwar im Vergleich mit derjenigen, wenn der Ionenaustauscher 19 nicht vorhanden ist (Position A_H). Aus diesem Grund kann gemäß der Darstellung in 7 die elektrische Leitfähigkeit immer auf einen konstanten Wert geregelt werden, und zwar ungeachtet der Temperatur des Flüssigkühlmittels.
Der andere oder weitere Betrieb und Wirkung sind identisch mit denjenigen der Ausführungsform 1.
(Andere Ausführungsformen)
9 zeigt ein Funktions-Blockdiagramm des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann modifiziert werden und kann auch außerhalb des Rahmens der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, vorausgesetzt, daß die weiter unten beschriebenen Funktionen in einer gewissen Form realisiert werden können.
Somit umfaßt gemäß der Darstellung in 9 die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung als Funktionsblöcke eine Meßeinheit 1 für die elektrische Leitfähigkeit, um die elektrische Leitfähigkeit eines Kühlmittels zu messen, eine Temperaturmeßeinheit 2 zum Messen der Temperatur des Kühlmittels, eine Einheit 3 zum Einschätzen der elektrischen Leitfähigkeit bei einer Sollwert-Einstelltemperatur basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und einer Korrelation 4 zwischen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, die in einer gewissen Form zusammengefaßt ist, und eine Einheit 5 zum Reduzieren der Sollwert-Einstelltemperatur, wenn die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet. Es ist ferner zu bevorzugen, daß die Vorrichtung eine Einheit 6 enthält, um die Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines Bereiches anzuheben, in welchem die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert- Leitfähigkeitsbereich nicht überschreitet. Spezifischer ausgedrückt wurde beispielsweise bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Steuerung oder Regelung so durchgeführt, daß die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des vorbestimmten Bereiches gehalten wurde, und zwar durch Steuern der Sollwert-Einstelltemperatur des Flüssigkühlmittels, wobei aber die Steuerung auch so ausgeführt werden kann, daß die elektrische Leitfähigkeit nach dem Aufwärmen in dem vorbestimmten Bereich gehalten wird, und zwar durch Steuern des Reduzierungsverhältnisses der elektrischen Leitfähigkeit. Somit kann die elektrische Leitfähigkeit auch dadurch geregelt oder gesteuert werden, indem eine elektrische Soll-Leitfähigkeit eingestellt wird, und zwar nach dem Aufwärmen, und indem beispielsweise die Umdrehungsgeschwindigkeit der Flüssigkühlmittel-Pumpe 18 so gesteuert wird, daß der Ionenaustauscher 19 veranlaßt wird, Ionen zu entfernen, um die elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, die eingestellt wurde.
Beispielsweise kann gemäß der Darstellung in 8 mit einer solchen aktiven Steuerung oder Regelung der Absenkung in der elektrischen Leitfähigkeit die Steuerung oder Regelung auch in solcher Weise durchgeführt werden, daß weitere Absenkungen in der elektrischen Leitfähigkeit nach dem Aufwärmen in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit während des Starts durch Erhöhen der Kapazität des Ionenaustauschers 19 erreicht werden, das heißt, die Kapazität der Absenkung der elektrischen Leitfähigkeit erhöht wird.
Die Kühlvorrichtung stellt lediglich ein Beispiel dar, und es können eine Vielfalt von Kühlverfahren mit Flüssigkühlmitteln in Betracht gezogen werden, und die oben beschriebenen Ausführungsformen sind darauf nicht beschränkt.
Ferner kann die vorliegende Erfindung nicht nur während des Aufwärmens des Brennstoffzellensystems implementiert werden. Beispielsweise kann die Steuerung oder Regelung zur Aufrechterhaltung der elektrischen Leitfähigkeit auch dadurch ausgeführt werden, indem eine Zunahme in der Temperatur der Brennstoffzelle abgeschätzt wird basierend auf der Last-Leistungsanforderung von einer Lastvorrichtung (beispielsweise als Antriebsmotor für ein Fahrzeug oder als Hilfsvorrichtung für eine Brennstoffzelle), zu welcher die Brennstoffzelle Energie während des Betriebes des Brennstoffzellensystems zuführt.
Ferner wurde bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Erhöhung in der Temperatur eingeschätzt, die erläuterten Ausführungsformen sind jedoch darauf nicht beschränkt. Wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle oder die Temperatur des Flüssigkühlmittels (Kühlmittel) direkt oder indirekt erfaßt wird, und zwar mit einem Temperatursensor, und wenn diese Temperatur die obere Grenztemperatur der elektrischen Leitfähigkeit überschreitet entsprechend dem elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich, kann die Temperatursteuerung oder Regelung des Flüssigkühlmittels oder der Betriebszustand der Brennstoffzelle geändert werden (Rückkopplungs-Steuerung bzw. Regelung). In diesem Fall kann die obere Grenzwerttemperatur der elektrischen Leitfähigkeit im voraus eingestellt werden, indem die Grenze in Betracht gezogen wird, die ausreichend zugestanden werden kann, und zwar für die inherente elektrische Leitfähigkeitsgrenze.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann die elektrische Leitfähigkeit in zuverlässiger Weise innerhalb eines Sollwertbereiches gehalten werden, und zwar basierend auf der Korrelation zwischen den Parametern, welche die Kühlmitteltemperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels betreffen. Daher kann die vorliegende Erfindung allgemein in Energiezellensystemen eingesetzt werden, bei denen eine Erhöhung in der elektrischen Leitfähigkeit zu Problemen führen kann. Ein solches Brennstoffzellensystem kann in Landfahrzeugen wie beispielsweise Automobilen, Seefahrzeugen wie beispielsweise Schiffen, Unterwasserfahrzeugen wie submarinen Fahrzeugen und Luftfahrzeugen wie Flugzeugen installiert werden, oder auch in stationären Installationen, wie beispielsweise Energieerzeugungsanlagen.
Zusammenfassung
Es wird eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle geschaffen, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Flüssigkühlmittels innerhalb eines vorbestimmten Bereiches halten kann, und zwar selbst dann, wenn sich eine Last plötzlich ändert. In der Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle (10) können die Parameter T_H, T_L), welche sich auf die Kühlmitteltemperatur beziehen, gesteuert oder geregelt werden, so daß die elektrische Leitfähigkeit (S) bei einer Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches (S_max-S_min) gehalten wird, und zwar basierend auf der Korrelation zwischen den Parametern, welche sich auf die Kühlmitteltemperatur beziehen, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels. Da die elektrische Leitfähigkeit entsprechend einer vorwärtsgerichteten Steuerung oder Regelung gesteuert bzw. geregelt wird, und zwar basierend auf der Korrelation zwischen den Parametern, die auf die Kühlmitteltemperatur bezogen sind, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, kann die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels in zuverlässiger Weise innerhalb des Sollwertbereiches gehalten werden, und zwar selbst dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit mit einer vergleichsweise geringen Ansprechempfindlichkeit geregelt wird.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle, welche eine Temperatur der Brennstoffzelle auf eine Sollwert-Einstelltemperatur durch Zuführen eines Kühlmittels einstellt, bei der ein auf eine Temperatur des Kühlmittels bezogener Parameter steuerbar ist, um eine elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereiches zu halten, und zwar basierend auf der Korrelation zwischen dem Parameter, der auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist, und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels.
Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der auf die Temperatur des Kühlmittels bezogene Parameter aus wenigstens einem Element besteht, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend die Temperatur des Kühlmittels, einen Kühlungsgrad des Kühlmittels, eine erforderliche Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, einen Betriebszustand der Brennstoffzelle und eine Außenlufttemperatur.
Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Temperatur des Kühlmittels gesteuert oder geregelt wird, und zwar durch Ändern von wenigstens einer der Größen gemäß dem Kühlungsgrad des Kühlmittels und dem Betriebszustand der Brennstoffzelle.
Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Absenkeinrichtung für die elektrische Leitfähigkeit zum Absenken der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, wobei der auf die Temperatur des Kühlmittels bezogene Parameter basierend auf der Absenkgröße der elektrischen Leitfähigkeit mit Hilfe der Absenkeinrichtung für die elektrische Leitfähigkeit gesteuert wird.
Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, mit: einer Meßeinrichtung für die elektrische Leitfähigkeit, um die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels zu messen; einer Temperatur-Meßeinrichtung zum Messen der Temperatur des Kühlmittels; einer Einrichtung zum Einschätzen der elektrischen Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und der Korrelation der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels; und einer Einrichtung zum Absenken der Sollwert-Einstelltemperatur, wenn die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet.
Vorrichtung zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5, ferner mit einer Einrichtung zum Erhöhen der Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines Bereiches, in welchem die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich nicht überschreitet.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle, wonach eine Temperatur der Brennstoffzelle auf eine Sollwert-Einstelltemperatur durch Zuführen eines Kühlmittels eingestellt wird, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Messen einer elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels; Messen einer Temperatur des Kühlmittels; Einschätzen der elektrischen Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, der Temperatur des Kühlmittels und einer Korrelation der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels; und Absenken der Sollwert-Einstelltemperatur, wenn die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich überschreitet.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, ferner mit einem Schritt gemäß einer Erhöhung der Sollwert-Einstelltemperatur innerhalb eines Bereiches, in welchem die elektrische Leitfähigkeit bei der Sollwert-Einstelltemperatur den elektrischen Sollwert-Leitfähigkeitsbereich nicht überschreitet.