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QUERVERWEISE
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellensystem-Steuerungsvorrichtung
und insbesondere die Verfahrenstechnologie zum Steuern eines Brennstoffzellensystems,
so dass das Brennstoffzellensystem durch Umschalten zwischen dem Erzeugungszustand
und dem Erzeugungsstoppzustand der Brennstoffzelle intermittierend
arbeitet.
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HINTERGRUND
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Wenn
der Stoppzustand eines Brennstoffzellensystems in einer Niedrigtemperaturumgebung, wie
z. B. im Außenbereich
in kalten Gebieten, für
lange Zeit fortbesteht, besteht die Gefahr, dass die innerhalb des
Systems bestehende Feuchtigkeit gefrieren kann. Ein derartiges Gefrieren
kann zu einem Systemausfall führen,
so dass daher bis zum heutigen Tag viele Verfahren entwickelt und
vorgeschlagen worden sind, mit denen ein Gefrieren in den Brennstoffzellensystemen
verhindert werden soll. In der
japanischen
Patentoffenlegungsschrift 2003-151601 ist ein Verfahren
zum Verhindern des Gefrierens offenbart, bei dem beim Stoppen einer Brennstoffzelle
die Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass sie stoppt, nachdem
die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht worden ist, um die Zeit
zu verlängern,
bevor das Gefrieren in der Brennstoffzelle im Stoppzustand eintritt,
wodurch verhindert wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle
auf eine Temperatur abfällt,
die ein Gefrieren bewirkt, wenn die Brennstoffzelle erneut gestartet
wird.
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KURZFASSUNG
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Wenn
ein Brennstoffzellensystem als Leistungsquelle für den Antrieb eines Elektroautos
verwendet wird, wird normalerweise eine Anordnung übernommen,
bei der zusätzlich
zur Brennstoffzelle eine Elektrizitätsspeichervorrichtung (eine
sekundäre Batterie
oder ein Kondensator) vorgesehen ist. In diesem Fall wird beispielsweise
beim Abbremsen des Elektroautos eine in einem Elektromotor regenerierte,
elektrische Leistung in der Elektrizitätsspeichervorrichtung akkumuliert.
Während
einer Normalfahrt, bei der die durch die Elektrizitätsspeichervorrichtung zugeführte Leistung
ausreichend ist (beispielsweise während einer Fahrt im unteren
Drehzahlbereich oder bei niedriger Teillast, wie z. B. wenn das
Fahrzeug vorübergehend
angehalten wird), wird dem Elektromotor alleine durch die Elektrizitätsspeichervorrichtung
Leistung zugeführt.
Wenn die alleine durch die Elektrizitätsspeichervorrichtung zugeführte Leistung
nicht ausreicht, versorgen sowohl die Elektrizitätsspeichervorrichtung als auch
die Brennstoffzelle den Elektromotor mit Leistung. In anderen Worten
wird ein Brennstoffzellensystem gesteuert, um intermittierend zu
arbeiten, indem zwischen dem Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstoppzustand
umgeschaltet wird, was von der durch das Elektroauto benötigten Leistung
und dem Zustand des Aufladens der Elektrizitätsspeichervorrichtung abhängt.
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Das
vorstehend angeführte
Problem des Gefrierens tritt sogar dann auf, wenn Brennstoffzellensysteme
so gesteuert werden, dass sie intermittierend arbeiten. In anderen
Worten besteht die Gefahr, dass, wenn das System in einer Umgebung
mit niedrigen Temperaturen betrieben wird, die Feuchtigkeit im Inneren
des Systems gefriert, wenn der Stoppzustand des Brennstoffzellensystems
für lange
Zeit bestehen bleibt.
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Bei
dem Verfahren zum Verhindern des Gefrierens, das in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift
2003-151601 offenbart ist, wird jedoch keine Maßnahme ergriffen,
um das Fortschreiten der Abkühlung
zu verhindern, nachdem das Brennstoffzellensystem einmal gestoppt
worden ist, so dass es bei diesem Verfahren nicht möglich ist,
ein Auftreten des Gefrierens während
des Stoppzustands eines intermittierenden Betriebs zuverlässig zu
verhindern. In anderen Worten heißt das, selbst wenn das in
der
japanischen Patentoffenlegungsschrift
2003-151601 offenbarte Verfahren die Zeit verlängern kann,
bevor ein Gefrieren in einer Brennstoffzelle eintritt, die Abkühlung so
lange voranschreitet, wie der Stoppzustand anhält, so dass also, wenn der
Stoppzustand während
des intermittierenden Betriebs für
lange Zeit fortbesteht, ein Gefrieren letztlich auftreten wird.
Insbesondere steigt die Wahrscheinlichkeit des Gefrierens in dem
Fall an, wo die Temperatur, wenn die Erzeugung gestoppt wird, basierend
auf einem Wert einer errechneten Zeit bis zum erneuten Starten der Brennstoffzelle
bestimmt wird, wobei diese Zeit nicht genau bekannt ist.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zuverlässig zu
verhindern, dass ein Gefrieren im Stoppzustand während eines intermittierenden
Betriebs eintritt.
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Um
das vorstehende Problem zu lösen,
wird bei der Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die
ein Brennstoffzellensystem steuert, so dass es intermittierend arbeitet,
indem zwischen dem Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstoppzustand
einer Brennstoffzelle umgeschaltet wird, bestimmt, ob der Erzeugungsbetrieb
während
des intermittierenden Betriebs basierend auf zumindest der Temperatur
einer spezifischen Komponente von den mehreren, eine Feuchtigkeit
enthaltenden Komponenten des Brennstoffzellensystems gestoppt werden
soll. Zumindest kann als die vorstehend erwähnte, spezifische Komponente
entweder ein Ventil, eine Durchgangsleitung oder eine Befeuchtungseinrichtung,
die auf einem Strömungsweg
für ein
Brenngas oder Oxidationsgas angeordnet sind, ausgewählt werden.
Gemäß dieser
Anordnung wird, wenn die Temperatur der spezifischen Komponente
niedrig ist und festgestellt wird, dass die Gefahr des Gefrierens der
Feuchtigkeit hoch ist, der Erzeugungsbetrieb im intermittierenden
Betrieb nicht gestoppt, so dass ein Gefrieren der Feuchtigkeit zuverlässig verhindert werden
kann.
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Zudem
ist es wünschenswert,
dass die Temperatur der spezifischen Komponente entweder direkt
durch einen Temperatursensor, der entsprechend der spezifischen
Komponente vorgesehen ist, oder indirekt basierend auf zumindest
entweder dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems oder der
Außenlufttemperatur
gemessen wird.
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Zudem
ist es wünschenswert,
dass beim Bestimmen, ob das Brennstoffzellensystem gestoppt werden
soll oder nicht, der Erzeugungszustand des Brennstoffzellensystems,
wenn bestimmt wird, dass es nicht gestoppt wird, so gesteuert wird,
dass die gemessene Temperatur einen Schwellwert überschreitet.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung, das eine Steuerungsvorrichtung aufweist, die das Brennstoffzellensystem
so steuert, das es intermittierend arbeitet, indem zwischen dem
Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstoppzustand einer Brennstoffzelle
umgeschaltet wird, weist folgende Merkmale auf: eine Einrichtung
zum Bestimmen des Risikos des Gefrierens einer spezifischen Komponente,
die Feuchtigkeit enthält,
von den mehreren, das Brennstoffzellensystem bildenden Komponenten;
und eine Steuerungseinrichtung, die einen intermittierenden Betrieb
verbietet, wenn bestimmt wird, dass das Risiko des Gefrierens hoch
ist.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung, das als eine elektrische Leistungsversorgungsquelle für eine Verbrauchsvorrichtung,
die eine elektrische Leistung verbraucht, eine Brennstoffzelle und
eine Elektrizitätsspeichervorrichtung
aufweist, die eine elektrische Leistung speichert, die durch die
Brennstoffzelle erzeugt wird, und das intermittierend arbeitet,
indem zwischen dem Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstoppzustand
der Brennstoffzelle umgeschaltet wird, das ferner die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung aufweist.
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Ein
Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung
auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein im Erzeugungsstoppzustand auftretendes Gefrieren während des
intermittierenden Betriebs zuverlässig verhindert werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform, wobei der Schwerpunkt
der Darstellung auf dem Leitungssystem beruht;
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2 zeigt
eine Hauptanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Flussdiagramm, das den Prozessfluss des Bestimmens darstellt, ob
die Erzeugung im intermittierenden Betrieb in der ersten Ausführungsform
gestoppt werden soll;
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4 ein
Flussdiagramm, das den Prozessfluss des Bestimmens darstellt, ob
die Erzeugung im intermittierenden Betrieb in der zweiten Ausführungsform
gestoppt werden soll;
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5 ein
Flussdiagramm, das den Fluss des Gefrierverhinderungsbetriebs darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend
erfolgt eine Erörterung
der besten Art und Weise zum Ausführen der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung.
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2 ist
eine vereinfachte Anordnung eines Brennstoffzellensystems, das in
einem Brennstoffzellen-Elektroauto installiert ist.
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Ein
Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet hauptsächlich eine
Brenngas-Zuführvorrichtung 42, einen
Oxidationsgas-Zuführvorrichtung 73,
eine Brennstoffzelle 20 und eine Steuerungseinheit 80. Bei
dem Brenngas handelt es sich beispielsweise um Wasser stoff, und
bei dem Oxidationsgas um beispielsweise Luft. Die Steuerungseinheit 80 bestimmt die
Leistungserzeugungsmenge, die von der Brennstoffzelle 20 benötigt wird,
anhand des Verstellwegs eines Fahrpedals, der durch einen Fahrpedalsensor 84 gemessen
wird, steuert die Brenngas-Zuführvorrichtung 42 und
die Oxidationsgas-Zuführvorrichtung 73,
so dass die erforderliche Leistungserzeugungsmenge erhalten wird,
und stellt die Strömungsrate des
Brenngases und des Oxidationsgases, die der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden,
ein. Bei einer PCU 82 handelt es sich um eine elektrische
Leistungssteuerungsvorrichtung, die einen Invertierer und einen
Gleichstromwandler beinhaltet, und die die Gleichstromleistung,
die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, in eine
Wechselstromleistung umwandelt und einem Elektromotor 83,
der das Fahrzeug und andere Lastgeräte betreibt, eine Leistung
zuführt sowie
eine überschüssige elektrische
Leistung in einer Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 (sekundäre Batterie
oder Kondensator) akkumuliert. Die Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 speichert
Energie, die während
dem regenerativen Bremsen regeneriert wurde, und dient als ein Energiepuffer
für Lastschwankungen
während
des Beschleunigens und Abbremsen des Fahrzeugs.
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1 zeigt
eine Anordnung des Brennstoffzellensystems 10, wobei der
Schwerpunkt der Darstellung auf dem Leitungssystem beruht. Wie in 1 gezeigt
ist, beinhaltet das Brennstoffzellensystem 10 ein System,
das ein Brenngas zuführt,
und ein System, das der Brennstoffzelle 20 ein Oxidationsgas
zuführt,
und ein System, das die Brennstoffzelle 20 abkühlt.
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Die
Brennstoffzelle 20 beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung 24,
die durch Ausbilden einer Anode 22 und einer Kathode 23 durch
Siebdruck oder dergleichen auf jeder Seite einer Polymerelektrolytmembran 21 erhalten
wird, die eine (aus einer) Ionenaustauschmembran oder dergleichen
mit einer Protonenleitfähigkeit
aufweist (besteht), die anhand einer Fluorharzmembran oder dergleichen
gebildet wird. Die Membranelektrodenanordnung 24 ist auf beiden
Seiten zwischen Separatoren (die in der Zeichnung nicht gezeigt
sind) mit Strömungswegen für das Brenngas,
Oxidationsgas und Kühlwasser sandwichartig
angeordnet, und ein rillenförmiger
Anodengaskanal 25 und ein Kathodengaskanal 26 sind jeweils
zwischen dem Separator und der Anode 22 und zwischen dem
Separator und der Kathode ausgebildet. Eine Oxidationsreaktion tritt
an einer Anode 22 gemäß einer
Formel (1) auf, und eine Reduktionsreaktion tritt an der Kathode 23 gemäß der Formel
(2) auf. Eine elektromotorische Reaktion tritt in der Brennstoffzelle 20 als
Ganzes gemäß der Formel
(3) auf. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ +
2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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Der
Einfachheit halber ist die Figur eine schematische Darstellung der
Struktur einer Einheitszelle, die die (aus dem) Membranelektrodenanordnung 24,
den (dem) Anodengaskanal 25 und den (dem) Kathodengaskanal 26 aufweist
(besteht), aber in Wirklichkeit sind eine Mehrzahl von Einheitszellen über die
Separatoren zu einer Stapelstruktur in Reihe geschaltet.
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Das
Kühlsystem
des Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Kühlweg 31,
der ein Kühlwasser zirkuliert,
einen Temperatursensor 32, der die Temperatur eines Kühlwassers
misst, das von der Brennstoffzelle 20 abgeführt wird,
einen Kühler 33 (Wärmetauscher),
der die Wärme
des Kühlwassers
nach außen
abstrahlt, ein Ventil 34, das die Strömungsrate des Kühlwassers,
das in den Kühler 33 strömt, einstellt,
eine Pumpe 35, die das Kühlwasser mit Druck beaufschlagt
und zirkuliert, und einen Temperatursensor 36, der die
Temperatur des Kühlwassers,
das der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, misst.
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Das
Brenngaszuführsystem
des Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Brenngas-Strömungsweg 41,
der dem Anodengaskanal 25 ein Brenngas zuführt, und
einen Zirkulationsströmungsweg 51,
der das von dem Anodengaskanal 25 abgeführte Brennstoff-Abgas bzw.
Fuel-Offgas dem Brenngas-Strömungsweg 41 wieder
zuführt,
wobei diese Gasströmungswege
das Brenngaszirkulationssystem ausbilden.
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Der
Brenngas-Strömungsweg 41 beinhaltet ein
Absperrventil 43, das die Zufuhr steuert und ein Brenngas
von der Brenngaszuführvorrichtung 42 abstellt,
einen Drucksensor 44, der den Druck des Brenngases misst,
einen Regler 45, der den Druck des Brenngases einstellt,
und ein Absperrventil 46, das die Brenngaszuführöffnung (Einlass)
der Brennstoffzelle öffnet
und schließt.
Die Brenngaszuführvorrichtung 41 kann
beispielsweise ein Hochdruck-Wasserstofftank, eine Wasserstoffabsorptionslegierung, ein
Reformer oder ähnliches
sein.
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Der
Zirkulationsströmungsweg 51 beinhaltet ein
Absperrventil 52, das ein Brennstoff-Abgas abführt, einen
Gas-Flüssigkeitsseparator 53,
der eine Feuchtigkeit von dem Brennstoff-Abgas wiedergewinnt, ein
Abführwasserventil 54,
das das wiedergewonnene Wasser zu einem Tank leitet, der in der Zeichnung
nicht gezeigt ist, eine Zirkulationspumpe (Druckbeaufschlagungseinrichtung) 55,
die durch einen Motor angetrieben wird, und ein Rückströmungs-Verhinderungsventil 56,
das ein Zurückströmen des
Brenngases im Brenngasströmungsweg 41 auf
die Seite des Zirkulationsströmungswegs 51 verhindert.
Basierend auf der Steuerung durch die Steuerungseinheit 80 komprimiert
die Zirkulationspumpe 55 das Brennstoff-Abgas, das an Druck
verliert, wenn es durch den Anodengaskanal 25 gelangt,
auf einen geeigneten Gasdruck und bewegt das Brennstoff-Abgas zum
Brenngas-Strömungsweg 41 wieder
zurück. Das
Brennstoff-Abgas
vermengt sich mit dem Brenngas, das von der Brenngaszuführvorrichtung 42 im Brenngas-Strömungsweg 41 zugeführt wird,
wo es der Brennstoffzelle 20 zugeführt und erneut verwendet wird.
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Ein
Abgasströmungsweg 61 ist
als ein Zweig auf dem Zirkulationsströmungsweg 51 vorgesehen, der
ein Brennstoff-Abgas abführt,
das von dem Brenngas-Zirkulationssystem nach außerhalb des Fahrzeugs über einen
Verdünner 62 (beispielsweise eine
Vorrichtung, die die Wasserstoffkonzentration reduziert) abgeführt wird.
Der Abgasströmungsweg 61 beinhaltet
ein Abgasventil (Abführeinrichtung) 63, die
das Abführen
des Brennstoff-Abgases steuert. Durch Öffnen oder Schließen des
Abgasventils 63, wird ein Brennstoff-Abgas, bei dem die
Konzentration von Verunreinigungen infolge einer wiederholten Zirkulation
innerhalb der Brennstoffzelle angestiegen ist, nach außen abgeführt, und
ein neues Brenngas wird eingeführt,
wodurch ein Rückgang
der Zellenspannung verhindert wird.
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Zudem
kann durch Pulsieren des Innendrucks innerhalb des Zirkulationsströmungswegs 51 eine
Feuchtigkeit, die sich in dem Gasströmungsweg angesammelt hat, entfernt
werden.
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Das
Oxidationsgas-Zuführungssystem
des Brennstoffzellensystem 10 ist hingegen mit einem Oxidationsgas-Strömungsweg 71,
der dem Kathodengaskanal 26 ein Oxidationsgas zuführt, und
einem Kathoden-Abgas-Strömungsweg 72 versehen, der
ein Kathoden-Abgas abführt,
das von dem Kathodengaskanal 26 abgeführt wird. Der Oxidationsgas-Strömungsweg 71 ist
mit einer Oxidationsgas-Zuführungsvorrichtung 73 versehen,
die aus einem Luftfilter 74 besteht, der Staub und Schmutz
entfernt, die in der aus der Atmosphäre hereingeführten Luft
beinhaltet sind, und einem Luftkompressor, der durch einen Elektromotor
angesteuert wird, und dem Oxidationsgas-Strömungsweg 71 eine Druckluft
als das Oxidationsgas zuführt.
Zudem geschieht in einer Befeuchtungseinrichtung 76, die
stromab der Oxidationsgas-Zuführungsvorrichtung 73 vorgesehen
ist, ein Austausch der Feuchtigkeit zwischen einem Kathoden-Abgas
in einem Zustand hoher Feuchtigkeit aufgrund des Wassers, das bei
der Zellenreaktion der Brennstoffzelle 20 erzeugt wurde,
und dem Oxidationsgas in einem Zustand geringer Feuchtigkeit, die
von der Atmosphäre
hereingeführt
wird.
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Der
Gegendruck des Kathodengaskanals 26 wird durch ein Druckstellventil 77 im
Kathodengasströmungsweg 72 so
eingestellt, dass er nahezu konstant ist. Das Kathoden-Abgas, das
in dem Kathodgas-Strömungsweg 72 strömt, wird
nach außerhalb des
Fahrzeugs über
einen Gas-Flüssigkeitsseparator,
einen Schalldämpfer
oder dergleichen abgeführt, was
von der Art der Konstruktion abhängt,
und ein Teil davon strömt
in den Verdünner 62 und
vermischt sich mit dem und verdünnt
das Brennstoff-Abgas, das in dem Verdünner 62 einbehalten
ist, und wird von dem Fahrzeug abgeführt.
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Die
Steuerungseinheit 80 beinhaltet ein Steuerungscomputersystem,
das in der Zeichnung nicht gezeigt ist, und steuert den Betrieb
eines jeweiligen Teils des Brennstoffzellensystems gemäß einem
Steuerungsprogramm, das in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Der
Steuerungscomputersystem kann aus einem allgemein bekannten und
im Handel erwerbbaren System bestehen.
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Die
Steuerungseinheit 80 empfangt Signale von den Temperatursensoren
T und Drucksensoren P, die in einem jeweiligen Strömungsweg
eingebaut sind, und steuert einen jeweiligen Elektromotor, so dass
die Umdrehungsrate der Zirkulationspumpe 55 und des Luftkompressors 74 angepasst
werden, und steuert die Öffnung
und Schließung
und den Öffnungsgrad
eines jeweiligen Ventils gemäß dem Zellenbetriebszustand
(z. B. der elektrischen Leistungslast).
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Wenn
beispielsweise die Leistung von der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 zum
Betreiben des Elektrofahrzeugs ausreicht, steuert die Steuerungseinheit 80 die
elektrische Leistung, die alleine von der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 bereitgestellt
werden soll, und wenn die Leistung nicht ausreicht, steuert die
Steuerungseinheit 80 die elektrische Leistung, die sowohl
von der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 als
auch dem Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellt werden
soll. In anderen Worten, steuert die Steuerungseinheit 80 das
Brennstoffzellensystem 10, so dass es intermittierend arbeitet, indem
zwischen dem Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstoppzustand entsprechend
der durch das Elektroauto benötigten
Leistung, dem Ladezustand der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81,
der Wassertemperatur der Brennstoffzelle 20 oder dergleichen,
umgeschaltet wird.
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Der
Betrieb der Steuerungseinheit 80 während des intermittierenden
Betriebs ist grundsätzlich der
gleiche Betrieb wie während
des intermittierenden Betriebs eines herkömmlichen Brennstoffzellen-Elektroautos.
Beispielsweise unter Bedingungen im unteren Teillastbereich, wenn
die Erzeugungseffizienz (Kraftstoffverbrauch) der Brennstoffzelle 20 niedriger
ist, wie z. B. wenn das Fahrzeug gestoppt wird, wird die Brennstoffzelle 20 gestoppt
und die Leistung wird von der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 zu geführt. Wenn
die Leistungsmenge, die in der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 gespeichert ist,
hingegen reduziert wird oder die Last ansteigt, wird bewirkt, dass
die Brennstoffzelle 20 eine Leistung erzeugt, um der Last
eine Leistung zuzuführen und
die Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 aufzuladen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
unterscheidet sich jedoch der Betrieb der Steuerungseinheit 80 von
dem eines herkömmlichen
Systems dahingehend, dass während
eines intermittierenden Betriebs, wenn vom Erzeugungszustand zum
Erzeugungsstoppzustand umgeschaltet wird, basierend auf zumindest
der Temperatur von spezifischen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystem 10, in
denen eine Feuchtigkeit enthalten ist, bestimmt wird, ob der Erzeugungszustand
gestoppt werden soll, und eine Erzeugung nur abgestellt wird, wenn
es zulässig
ist, diese zu stoppen.
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Nachstehend
erfolgt eine Erörterung
eines Beispiels des Betriebs einer Steuerungseinheit 80 bei
der Bestimmung, ob der Erzeugungsbetrieb während eines intermittierenden
Betriebs gestoppt werden soll, wobei auf 3 und 4 Bezug
genommen wird.
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(Erste Ausführungsform: 3)
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Beim
Erzeugen von Leistung während
eines intermittierenden Betriebs bestimmt die Steuerungseinheit 80,
ob die herkömmlichen
Bedingungen zum Stoppen einer Erzeugung (Bedingungen z. B. wie niedrige
Last, unzureichende Aufladung, hohe Wassertemperatur), in anderen
Worten, die Stoppbedingungen (erste Stoppbedingungen), basierend
auf der durch das Elektrofahrzeug benötigten Leistung (Last auf den
Elektromotoren oder dergleichen), dem Ladezustand der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81, der
Wassertemperatur der Brennstoffzelle 20 oder dergleichen,
erfüllt
sind oder nicht (S100), und wenn diese nicht erfüllt sind, wird der Stoppbestimmungsvorgang
beendet.
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Wenn
die ersten Stoppbedingungen hingegen erfüllt sind, bestimmt die Steuerungseinheit 80, dass
eine Anforderung zum Stoppen der Erzeugung an die Brennstoffzelle 20 ausgegeben
worden ist, und mißt
direkt die Temperatur von spezifischen eine Feuchtigkeit enthaltenden
Komponenten von verschiedenen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystem 10 unter
Verwendung von Temperatursensoren, die entsprechend den spezifischen
Komponenten vorgesehen sind (S101).
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Hier
können
zumindest entweder die Ventile, Leitungen, Befeuchtungseinrichtungen
oder dergleichen, die in den Strömungswegen
des Brenngases oder Oxidationsgases vorgesehen sind, als die spezifischen
Komponenten ausgewählt
werden, in denen eine Feuchtigkeit vorhanden ist. Hierzu zählen beispielsweise
jede Leitung, das Absperrventil 43, der Regler 45,
das Absperrventil 46 oder dergleichen des Brenngasströmungswegs 41,
jede Leitung, das Absperrventil 52, das Abführwasserventil 54,
das Rückströmungs-Verhinderungsventil 56 oder
dergleichen des Zirkulationsströmungswegs 5,
jede Leitung, das Abgasventil 63 oder dergleichen auf dem
Abgasströmungsweg 61,
jede Leitung, die Befeuchtungseinrichtung 76, das Absperrventil,
das die Oxidationsgaszuführöffnung zu
der Brennstoffzelle (Einlass) oder dergleichen auf dem Oxidationsgas-Strömungsweg 71 öffnet und
schließt,
jede Leitung, das Druckstellventil 77 oder dergleichen
der Kathoden-Abgas-Strömungswegs 72.
Von diesen Komponenten werden jene, die sich in einer Position nahe
der Außenoberfläche befinden
(beispielsweise unter der Oberfläche
des Fahrzeugs oder dergleichen) durch die Außenluft gekühlt, und die Feuchtigkeit kann ohne
weiteres gefrieren, so dass es insbesondere wünschenswert ist, diese Komponenten
als die spezifischen Komponenten auszuwählen. In anderen Worten können die
vorstehenden, spezifischen Komponenten als Komponenten außerhalb
der Brennstoffzelle (Stapels) 20 in dem Brennstoffzellensystem beschrieben
werden. Alternativ können
sie als Komponenten, die der Außenluft
ausgesetzt sind, oder Komponenten in Kontakt mit der Außenluft,
die von einer Wärmeübertragung
an die Außenluft
leicht beeinträchtigt
werden, beschrieben werden. Es ist zu beachten, das in 1 nur
ein Teil der Temperatursensoren gezeigt ist.
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Anschließend bestimmt
die Steuerungseinheit 80, ob die Temperatur, die für jede spezifische Komponente
gemessen wird, den spezifischen Schwellwert m überschreitet oder nicht (zweite Stoppbedingungen)
(S102).
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Wenn
die gemessenen Temperaturen allesamt die Schwelltemperatur m überschreiten,
wird bestimmt, dass der Erzeugungsbetrieb gestoppt werden kann,
und der Verfahrensschritt des Änderns
des Erzeugungsstoppzustands wird ausgeführt (beispielsweise Stoppen
der Brenngas-Zuführvorrichtung 42,
der Oxidationsgas-Zuführvorrichtung 73 oder
dergleichen, Starten der PCU 82 und Zuführen einer Leistung von der
Elektrizitätsspeichervorrichtung 81 an
den Elektromotor 83 oder dergleichen) (S103).
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Wenn
im Erzeugungsstoppzustand während des
intermittierenden Betriebs die Steuerungseinheit 80 bestimmt,
dass die Bedingungen zum Verlegen in den Erzeugungszustand in der
gleichen Weise wie bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem
erfüllt
werden, und zwar basierend auf der durch das Elektroauto benötigten Leistung,
dem Ladezustand der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81,
der Temperatur des Wassers in der Brennstoffzelle 20 oder
dergleichen, und wenn die Bedingungen dann erfüllt sind, wird der Verfahrensschritt
zum Verlegen in den Erzeugungszustand ausgeführt.
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Wenn
hingegen eine beliebige der Temperaturen, die direkt durch die Temperatursensoren
gemessen werden, kleiner oder gleich dem Schwellwert m ist, bestimmt
die Steuerungseinheit 80, dass es nicht möglich ist,
den Erzeugungsbetrieb zu stoppen, da das Risiko des Gefrierens der
spezifischen Komponente, deren Temperatur kleiner oder gleich dem Schwellwert
m ist, hoch ist, so dass der Erzeugungszustand fortgesetzt wird,
ungeachtet der Erfüllung der
ersten Stoppbedingungen (S104), und der Stoppbestimmungsschritt
ohne Ausführen
eines Verfahrensschritts zum Verlagern in den Erzeugungsstoppzustand
beendet wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt steuert die Steuerungseinrichtung 80 den
Erzeugungszustand der Brennstoffzelle 20 (erhöht beispielsweise
die Abgabe), so dass die Temperatur einer jeweiligen der spezifischen
Komponenten so gesteuert wird, dass sie die Schwelltemperatur durch
die erzeugte Wärme
(Abgaswärme) übersteigt,
so dass der Erzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle basierend auf
den ersten Stoppbedingungen wie bei einem herkömmlichen System gestoppt werden
kann (in anderen Worten, dass der intermittierende Betrieb durch
die zweiten Stoppbedingungen nicht eingeschränkt wird).
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Gemäß der Anordnung
der ersten Ausführungsform
werden die Temperaturen von den spezifischen Komponenten von den
verschiedenen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 gemessen,
die eine Feuchtigkeit enthalten, und es wird bestimmt, ob der Erzeugungsbetrieb
basierend auf zumindest diesen gemessenen Temperaturen zu stoppen
ist, so dass, wenn die Temperatur der spezifischen Komponenten niedrig
ist und das Risiko der gefrierenden Feuchtigkeit hoch ist, der Erzeugungsbetrieb
nicht gestoppt wird, selbst während
eines intermittierenden Betriebs, so dass es möglich ist, eine Gefrieren der
Feuchtigkeit zuverlässig
zu verhindern.
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(Zweite Ausführungsform: 4)
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Beim
Erzeugen einer Leistung während
eines intermittierenden Betriebs bestimmt die Steuerungseinheit 80 basierend
auf der durch das Elektroauto benötigten Leistung, dem Ladezustand
der Elektrizitätsspeichervorrichtung 81,
der Wassertemperatur der Brennstoffzelle 20 oder dergleichen,
ob die herkömmlichen
Bedingungen zum Stoppen einer Erzeugung erfüllt sind oder nicht, ob also,
in anderen Worten, die ersten Stoppbedingungen erfüllt sind oder
nicht (S200).
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Wenn
die ersten Stoppbedingungen erfüllt sind,
bestimmt die Steuerungseinheit 80 als nächstes, dass eine Anforderung
zum Stoppen der Erzeugung an die Brennstoffzelle 20 ausgegeben
wird, und mißt
die Temperatur T der spezifischen, eine Feuchtigkeit enthaltenden
Komponenten von den verschiedenen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 (S201).
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Hier,
bei der zweiten Ausführungsform,
wird angenommen, dass die spezifischen Komponenten, bei denen eine
Feuchtigkeit vorhanden ist, die gleichen Komponenten sind wie bei
der ersten Ausführungsform,
doch anstatt die Temperatur dieser spezifischen Komponenten unter
Verwendung von Temperatursensoren direkt zu messen, wird ein Verfahrensschritt
ausgeführt,
um die Temperatur der spezifischen Kompo nenten anhand der Außenlufttemperatur,
der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems
oder dergleichen indirekt zu messen. Der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems
kann beispielsweise die Erzeugungsabgabeleistung, die Menge des
Reaktionsgases, die Gastemperatur, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels
oder dergleichen sein.
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Ein
indirektes Verfahren der Messung der Temperatur könnte beispielsweise
die Verwendung der nachstehenden Formel (4) mit den drei Parametern
sein, TOUT: die Außenlufttemperatur,
die von einem Außenlufttemperatursensor
abgegeben wird, der am Elektroauto (oder dem Brennstoffzellensystem 10)
vorgesehen ist; V: die Fahrzeuggeschwindigkeit, die durch einen
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor abgegeben wird, der auf dem Elektroauto
vorgesehen ist, und P: die Erzeugungsleistungsabgabe (elektrische
Leistung) der Brennstoffzelle 20. Komponententemperatur T = Außenlufttemperatur TOUT – a × Fahrzeuggeschwindigkeit
V – b × Abgabe P (4)
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Bei
der vorstehenden Formel handelt es sich bei a, b um Koeffizienten,
die basierend auf den Kennfeldern des Elektroautos und des Brennstoffzellensystems 10 bestimmt
werden (fahrzeugspezifische Koeffizienten).
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Anschließend bestimmt
die Steuerungseinheit 80 basierend auf der vorstehenden
Formel (4), ob die Komponententemperaturen T, die indirekt gemessen
werden, den Schwellwert m überschreiten oder
nicht (zweite Stoppbedingungen) (S202).
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Wenn
die Komponententemperaturen T den Schwellwert m überschreiten, wird bestimmt,
dass der Erzeugungsbetrieb gestoppt werden kann, und der Verfahrensschritt
zum Wechseln in den Erzeugungsstoppzustand wird in der gleichen
Weise wie bei einem herkömmlichen
System ausgeführt
(S203).
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Wenn
die Komponententemperaturen T, die bei S202 gemessen werden, hingegen
kleiner oder gleich dem Schwellwert m sind, bestimmt die Steuerungseinheit 80,
dass es nicht möglich
ist, die Erzeugung zu stoppen, da das Risiko des Gefrierens der Komponenten
hoch ist, und setzt den Erzeugungszustand ungeachtet der Erfüllung der
ersten Stoppbedingungen fort (S204) und beendet die Stoppbestimmung
ohne Ausführen
des Verfahrensschritts des Verlegens in den Erzeugungsstoppzustand.
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Zu
diesem Zeitpunkt steuert die Steuerungseinrichtung 80 den
Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 (erhöht beispielsweise
die Leistungsabgabe), so dass die Komponententemperatur T der spezifischen
Komponenten so gesteuert wird, dass die Schwelltemperatur m durch
die erzeugte Wärme
(Abgaswärme) überschritten
wird, so dass der Erzeugungsbetrieb basierend auf den ersten Stoppbedingungen
wie in einem herkömmlichen
System gestoppt werden kann (in anderen Worten, so dass ein intermittierender
Betrieb nicht durch die zweiten Stoppbedingungen eingeschränkt wird).
In diesem Fall kann die Leistungsabgabe P der Brennstoffzelle 20 so
gesteuert werden, dass beispielsweise die nachstehend Formel (5)
erfüllt
wird. Leistungsabgabe P > (Komponententemperatur
T – Außenlufttemperatur
TOUT + a × Fahrzeuggeschwindigkeit
V)/b (5)
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Gemäß der Anordnung
der zweiten Ausführungsform
werden wie bei der ersten Ausführungsform
von den mehrere Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 die
Temperaturen der eine Feuchtigkeit enthaltenden Komponenten gemessen,
und es wird bestimmt, ob der Erzeugungsbetrieb zumindest basierend
auf diesen gemessenen Temperaturen gestoppt werden soll, so dass,
wenn die Temperatur der spezifischen Komponenten niedrig ist und
das Risiko der gefrierenden Feuchtigkeit hoch ist, der Erzeugungsbetrieb
selbst während
des intermittierenden Betriebs nicht gestoppt wird, so dass es möglich ist,
ein Gefrieren der Feuchtigkeit zuverlässig zu verhindern. Auch ist
es im Vergleich zur ersten Ausführungsform
nicht notwendig, Temperatursensoren für jede spezifische Komponente
bereitzustellen.
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(Beispiele von verschiedenen Variationen)
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Beispiele der
Ausführungsformen
beschränkt,
sondern es besteht die Möglichkeit,
die Anordnungen der ersten und der zweiten Ausführungsformen zu kombinieren
oder viele verschiedene Variationen anzuwenden.
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Zudem
kann z. B. bei den vorstehenden Beispielen der Ausführungsformen,
wenn die zweiten Stoppbedingungen nicht erfüllt sind (Komponententemperaturen
sind kleiner oder gleich der Schwelltemperatur m), ein Erzeugungsbetrieb
während
eines intermittierenden Betriebs nicht gestoppt werden, doch kann
beispielsweise ein Steuerungsverfahrensschritt (Betrieb der Steuerungseinheit 80) derart
konfiguriert sein, dass bestimmt wird, dass das Risiko des Gefrierens
der spezifischen Komponenten hoch ist und ein intermittierender
Betrieb an sich verboten wird, wenn die zweiten Stoppbedingungen nicht
erfüllt
sind. Ein Verbieten eines intermittierenden Betriebs bedeutet, dass
der Wechsel in den Erzeugungsstoppzustand während eines intermittierenden
Betriebs verboten wird.
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Zudem
sind beispielsweise die vorstehenden Beispiele der Ausführungsformen
so konfiguriert, dass die ersten Stoppbedingungen zuerst geprüft werden,
und dann die zweiten Stoppbedingungen geprüft werden, doch die vorliegende
Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diese Art von Anordnung beschränkt. Es
kann z. B. eine Anordnung übernommen
werden, bei der die zweiten Stoppbedingungen geprüft werden,
und wenn die zweiten Stoppbedingungen erfüllt sind, werden die ersten
Stoppbedingungen geprüft.
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Außerdem wurden
bei der zweiten Ausführungsform
beispielsweise eine Art von auf der Komponententemperatur T basierenden
Bedingungen als die zweiten Stoppbedingungen erörtert, doch die zweiten Stoppbedingungen
können
beispielsweise eine Vielzahl von Bedingungsarten umfassen, und diese
Vielzahl von Bedingungsarten kann aufeinanderfolgend überprüft werden.
Wenn die ersten Stoppbedingungen beispielsweise erfüllt sind,
wird als erste der zweiten Stoppbedingungen bestimmt, ob die Au ßenlufttemperatur
TOUT einen vorbestimmte Schwellwert überschreitet (beispielsweise
5°C), und wenn
die vorbestimmte Schwelle überschritten
ist, wird bestimmt, ob der Erzeugungsbetrieb gestoppt werden kann.
Wenn TOUT hingegen kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert
ist, wird die Komponententemperatur T basierend auf Formel (4) erhalten,
und S102 (und sich ihm anschließende
Verfahrensschritte) werden als zweite der zweiten Stoppbedingungen
ausgeführt.
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Ferner
ist es durch Kombinieren dieser Formen möglich, den Prozessfluss eines
Gefrierverhinderungs-Verfahrensschritts miteinzubeziehen, wie in 5 gezeigt
ist. Zunächst
wird die Außenlufttemperatur
TOUT gemessen (S300). Anschließend
wird bestimmt, ob die Außenlufttemperatur
TOUT einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet (beispielsweise
5°C) oder
nicht (S301), und wenn die vorbestimmte Temperatur überschritten
ist, wird ein normaler intermittierender Betrieb (der Betriebsmodus,
bei dem basierend auf der ersten Stoppbedingung bestimmt wird, ob
der Erzeugungsbetrieb gestoppt werden kann oder nicht) eingestellt
(S302). Wenn hingegen die Außenlufttemperatur
TOUT kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert ist, werden
die Komponententemperaturen der spezifischen Komponenten entweder
direkt oder indirekt erhalten (S303), und es wird bestimmt, ob die
Komponententemperaturen den vorbestimmten Schwellwert m überschreiten
oder nicht (S304). Wenn dann die Komponententemperaturen die Schwelltemperatur
m überschreiten,
wird ein normaler intermittierender Betriebsmodus eingestellt (S302),
und wenn sie kleiner oder gleich dem Schwellwert m sind, wird bestimmt, ob
das Risiko des Gefrierens der spezifischen Komponenten hoch ist,
und ein Modus, der einen intermittierenden Betrieb verbietet, (der
Modus, bei dem der Erzeugungsbetrieb nicht gestoppt werden kann)
wird eingestellt (S305). Durch wiederholtes Ausführen dieser Reihe von Verfahrensschritten
zu einer vorbestimmten Steuerzeitpunkt, wird ein Effekt wie bei
den vorstehenden Ausführungsformen
erhalten.
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM-STEUERUNGSVORRICHTUNG
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Um
ein Gefrieren im Erzeugungsstopp-Zustand während eines intermittierenden
Betriebs zuverlässig
zu verhindern, wird bei der Steuerungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung, die ein Brennstoffzellensystem steuert, um intermittierend
zu arbeiten, indem zwischen dem Erzeugungszustand und dem Erzeugungsstopp-Zustand
einer Brennstoffzelle umgeschaltet wird, basierend auf zumindest
der Temperatur einer spezifischen, Feuchtigkeit enthaltenden Komponente
von mehreren Komponenten, die das Brennstoffzellensystem ausbilden, bestimmt,
ob der Erzeugungsbetrieb während
eines intermittierenden Betriebs gestoppt werden soll. Ein Ventil,
eine Leitung oder eine Befeuchtungseinrichtung, die in einem Strömungsweg
für ein
Brenngas oder Oxidationsgas angeordnet sind, können als die vorstehend erwähnte spezifische
Komponente ausgewählt
werden. Die Temperatur der spezifischen Komponente wird entweder
direkt durch einen Temperatursensor, der entsprechend der spezifischen Komponente
vorgesehen ist, oder indirekt basierend auf entweder dem Betriebszustand
des Brennstoffzellensystems oder der Außenlufttemperatur gemessen.