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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem gewinnt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases, wie Wasserstoff, mit einem Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgas mittels eines Elektrolyten. Weil ein solches Brennstoffzellensystem eine definierte Betriebstemperatur besitzt, die die Erzeugung elektrischer Leistung gestattet, ist es manchmal so eingerichtet, daß, falls die Temperatur der Brennstoffzelle beispielsweise in der Startphase die Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Brennstoffzelle schnell aufgeheizt (erwärmt) wird, um die die Erzeugung elektrischer Leistung gestattende Temperatur zu erreichen. Weil der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems absinkt, wenn die Betriebstemperatur zu hoch ist, ist des weiteren die Anordnung so getroffen, daß, falls die Temperatur der Brennstoffzelle zu hoch ist, eine Wärmetauschervorrichtung, wie beispielsweise ein Kühler, benutzt wird, um einen Wärmetausch mit der Außenluft durchzuführen, um das Heizmedium abzukühlen, worauf dann das gekühlte Heizmedium benutzt wird, um die Brennstoffzelle abzukühlen.
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Eine Bauart eines konventionellen Brennstoffzellensystems ist ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Brennstoffzelle durch ein Wärmemedium aufgewärmt wird, das durch eine Heizvorrichtung des Brennstoff benutzenden Verbrennungstyps und ein bei einer solchen Heizvorrichtung anfallendes Abgas erwärmt wird (siehe beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2001-155 753 A ). Bei dieser Bauart eines Brennstoffzellensystems kann die Brennstoffzelle rasch durch die Verwendung des beheizten Heizmediums und des Abgases selbst dann erwärmt werden, wenn sich die Heizvorrichtung des Verbrennungstyps gerade nach der Startphase befindet und die Temperatur des Heizmediums noch niedrig ist.
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Eine andere Bauart eines konventionellen Brennstoffzellensystems ist ein Brennstoffzellensystem, bei welchem das Heizmedium durch Nutzung der Wärme aus einer Wasserstoffbrennkammer zur Verbrennung des aus einer Brennstoffzelle ausgestoßenen Wasserstoffs erwärmt wird, und das erwärmte Heizmedium benutzt wird, um die Brennstoffzelle zu erwärmen, wo ein Zwischenwärmetauscher stromab von einem Wärmetauscher zwischen der Wasserstoffbrennkammer und dem Heizmedium angeordnet ist, in dem das Heizmedium zu einem Kreislauf veranlaßt wird, so daß die Wärme der Wasserstoffbrennkammer über den Zwischenwärmetauscher freigesetzt wird (siehe Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung
JP 2004-235 075 A ). Bei dieser Bauart eines Brennstoffzellensystems kann die Wärme aus der Wasserstoffbrennkammer über den Zwischenwärmetauscher freigesetzt werden, und die Erwärmung des in thermischem Kontakt mit der Wasserstoffbrennkammer stehenden Heizmediums kann verringert werden. Deshalb ist es möglich, einen übermäßigen Temperaturanstieg im Heizmedium für das Abkühlen der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Zusätzlich zu den oben genannten Dokumenten offenbaren die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung
JP 06-304 087 A , die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung
JP 01-169 269 A und die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung
JP 2003-249 251 A ebenfalls Techniken in Bezug auf Brennstoffzellensysteme.
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DE 102 35 464 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einen Kreislaufpfad für das Heizmedium, eine Pumpe für das Heizmedium, einen Wärmetauscher, einen Wärmetauscherbypass, ein Durchflussermittlungsmittel und eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Heizmediums.
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JP 2001 155 753 A ,
JP 2004 303 446 A ,
JP 2004 235 075 A ,
DE 10 2004 016 375 A1 und
DE 100 18 139 A1 beschreiben weitere Brennstoffzellensysteme mit Kreislaufpfaden für das Heizmedium.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei konventionellen Brennstoffzellensystemen wird eine Temperatur einer Brennstoffzelle in eine elektronische Steuereinheit (ECU) eingegeben und die ECU regelt die oben erwähnte Heizvorrichtung, den Kreislaufpfad des Heizmediums und dergleichen gemäß einem Programm, das auf der Basis der Temperatur der Brennstoffzelle voreingestellt ist. Deshalb wird, wenn die ECU normal arbeitet, die Heizvorrichtung gestoppt oder das Heizmedium in einer Weise in Umlauf gebracht, die das Heizmedium ansprechend auf übermäßige Erwärmung des Heizmediums abkühlt, so daß eine Überhitzung des Heizmediums verhindert werden kann. Wenn jedoch die ECU nicht normal arbeitet, wird die Heizvorrichtung nicht in geeigneter Weise gestoppt oder das Heizmedium wird nicht in einer Weise in Umlauf gebracht, die das Heizmedium abkühlt, so daß das Kühlwasser möglicherweise überhitzt wird. Insbesondere, wenn das Heizmedium nicht innerhalb der Heizvorrichtung fließt, kann das Heizmedium als zu beheizendes Objekt in der Heizvorrichtung verbleiben, ohne in Umlauf zu sein, so daß das Heizmedium möglicherweise drastisch bis zum Sieden erhitzt wird.
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Des weiteren ist bei konventionellen Brennstoffzellensystemen ein Temperatursensor vorgesehen, um eine Temperatur des durch die Heizvorrichtung erwärmten Heizmediums festzustellen, und die Heizvorrichtung wird auf der Basis der festgestellten Temperatur gestoppt. Weil es jedoch eine gewisse zeitliche Verzögerung gibt, bevor das beheizte Heizmedium den Temperatursensor erreicht, kann die Heizvorrichtung möglicherweise beim Stoppen verzögert werden, was weiter eine Überhitzung des Heizmediums verursachen kann.
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Hinsichtlich der verschiedenen oben diskutierten Probleme ist es ein technischer Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, in dem das Heizmedium beheizt wird, um eine Brennstoffzelle aufzuwärmen, und bei dem das Überhitzen des Heizmediums verhindert wird. Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion gewinnt; einen Kreislaufpfad für das Heizmedium, in dem das Heizmedium für den Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle in Umlauf gehalten wird; eine Pumpe für das Heizmedium, um das Heizmedium im Kreislaufpfad für das Heizmedium in Umlauf zu halten; einen Wärmetauscher zum Herabkühlen des Heizmediums wobei der Wärmetauscher im Kreislaufpfad für das Heizmedium angeordnet ist; einen Wärmetauscherbypass, durch den das Heizmedium zirkuliert, um den Wärmetauscher im Kreislaufpfad für das Heizmedium zu umgehen; eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des Heizmediums, wobei die Heizvorrichtung im Wärmetauscherbypass angeordnet ist; ein Durchflußermittlungsmittel zur Feststellung des Durchflusswertes des den Wärmetauscherbypass durchfließenden Heizmediums, wobei das Durchflussermittlungsmittel im Wärmetauscherbypass angeordnet ist; und Wärmesteuermittel zum Steuern der Heizvorrichtung auf der Basis des vom Durchflußermittlungsmittel festgestellten Durchflusses des Heizmediums.
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Das durch den Kreislaufpfad für das Heizmedium strömende Heizmedium wird durch den Wärmetauscher herabgekühlt bzw. das über den Wärmetauscherbypass strömende Heizmedium wird durch die Heizvorrichtung aufgeheizt. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt das gekühlte bzw. aufgeheizte Heizmedium zum Abkühlen oder Aufheizen der Brennstoffzelle.
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Falls die Brennstoffzelle eine Temperatur noch nicht erreicht hat, die die Erzeugung elektrischer Leistung ermöglicht, und sie deshalb aufgewärmt werden muß, können Beispiele für die Steuerung des Durchflusses oder des Heizmediums folgendes einschließen: Führen des Heizmediums nur über den Wärmetauscherbypass, in dem die Heizvorrichtung angeordnet ist, das heißt Zulassen der Strömung des Heizmediums nur über die Heizvorrichtung, jedoch nicht über den Wärmetauscher; Zulassen eines größeren Durchflusses des Heizmediums über die Heizvorrichtung und Zulassen eines kleineren Durchflusses über den Wärmetauscher. Demgemäß ist es durch Steuerung des Durchflusses des Heizmediums auf diese Weise möglich, die Brennstoffzelle durch Benutzung des erwärmten Heizmediums aufzuwärmen.
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Andererseits können, falls sich die Brennstoffzelle auf einer hohen Temperatur befindet, Beispiele für den Durchfluß des Heizmediums folgendes einschließen: Zulassen, daß das Heizmedium nur durch den Wärmetauscher fließt, jedoch nicht durch die Heizvorrichtung; Zulassen eines größeren Durchflusses des Heizmediums über den Wärmetauscher und Zulassen eines kleineren Durchflusses des Heizmediums über die Heizvorrichtung. Demgemäß ist es durch die Steuerung des Durchflusses auf diese Weise möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle zu senken durch Benutzen des gekühlten Heizmediums.
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: das Durchflußermittlungsmittel zur Feststellung des Durchflusswertes durch die Heizvorrichtung und Wärmesteuermittel zum Steuern der Heizvorrichtung auf der Basis des ermittelten Durchflusses des Heizmediums, so daß die Heizvorrichtung auf der Basis des Durchflusses des Heizmediums über die Heizvorrichtung gesteuert werden kann. Demgemäß kann die Heizvorrichtung nur betrieben werden, wenn das Heizmedium mit einem geeigneten Durchfluß über die Heizvorrichtung strömt, oder die Heizvorrichtung kann in einer Weise gesteuert werden, daß sie auf der Basis des Durchflusses des Heizmediums über die Heizvorrichtung die Überhitzung des Heizmediums verhindert. Demgemäß ist es durch Feststellung des Durchflusses des Heizmediums über die Heizvorrichtung und Steuerung des Heizmediums auf der Basis des ermittelten Durchflusses möglich, eine Überhitzung des Heizmediums zu verhindern und es davon abzuhalten, zu sieden, wodurch Störungen des Brennstoffzellensystems vermieden werden.
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Vorzugsweise kann das Wärmesteuermittel Start und Stopp der Heizvorrichtung auf der Basis des vom Durchflußermittlungsmittel festgestellten Durchflusses des Heizmediums steuern. In diesem Falle steuert das Wärmesteuermittel die Heizvorrichtung in der Weise, daß sie auf der Basis des vom Durchflußermittlungsmittel festgestellten Durchflusses des Heizmediums eine Überhitzung des Heizmediums verhindert. Die Heizvorrichtung kann durch verschiedene Anordnungen gesteuert werden, einschließlich einer Anordnung, die die Heizvorrichtung auf der Basis des ermittelten Durchflusses des Heizmediums startet und stoppt, einer Anordnung, die auf der Basis des ermittelten Durchflusses die die Wärmemenge des Heizmediums steuert, und dergleichen mehr.
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Jedoch ist es nur erforderlich, daß das Wärmesteuermittel gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Heizmediums nicht höher hält als die Siedetemperatur des Heizmediums, aber es ist keine genaue Temperatursteuerung erforderlich. Demgemäß wird vorgezogen, daß das Wärmesteuermittel eine Anordnung so einfach wie möglich aufweist, und die Anordnung, welche die Heizvorrichtung auf der Basis des Durchflusses des Heizmediums startet und stoppt ist besser geeignet. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Steuerung durch das Wärmesteuermittel zu vereinfachen, wodurch die Verhinderung einer Fehlfunktion mit verringerten Kosten realisiert wird.
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Des weiteren wird es bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung vorgezogen, daß die Durchflußermittlungsmittel in Übereinstimmung mit einer Druckdifferenz zwischen dem in die Heizvorrichtung einströmenden und dem aus der Heizvorrichtung ausströmenden Heizmedium den Durchfluß des Heizmediums über den Wärmetauscherbypass feststellen.
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Weil die Heizvorrichtung als ein Widerstand wirkt, wenn das Heizmedium durch die Heizvorrichtung fließt, können im Wärmetauscherbypass das Heizmedium vor dem Einströmen in die Heizvorrichtung und das Heizmedium nach dem Ausströmen aus der Heizvorrichtung voneinander unterschiedliche Drücke aufweisen. Andererseits haben im Wärmetauscherbypass das Heizmedium vor dem Einströmen in die Heizvorrichtung und das Heizmedium nach dem Ausströmen aus der Heizvorrichtung keinen oder nur einen geringen Druckunterschied, falls über die Heizvorrichtung kein Heizmedium oder nur eine geringe Menge des Heizmediums fließt.
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Es ist somit möglich, den Durchfluß des über die Heizvorrichtung fließenden Heizmediums durch Ermittlung eines Druckunterschieds zwischen dem Heizmedium vor dem Einströmen in die Heizvorrichtung und dem Heizmedium nach dem Ausströmen aus der Heizvorrichtung zu ermitteln. Zusätzlich ist die oben erwähnte Anordnung zur Feststellung des Druckunterschieds einfach im Vergleich mit jenen Anordnungen, die Durchflußmesser oder dergleichen für die Ermuittlung des Durchflusses einsetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
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Ausführungsformen eines Brennstoffzellensystems nach der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
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<Ausführungsform 1>
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Die 1 ist ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt ist. Das Brennstoffzellensystem umfaßt: eine Brennstoffzelle 10; eine (nicht gezeigte) Wasserstoffversorgungseinheit; die Wasserstoff als Brennstoff zuführt, eine (nicht gezeigte) Luftversorgungseinheit; ein Heiz- und Kühlsystem; und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20.
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Die Brennstoffzelle 10 gewinnt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff mittels eines Elektrolyten. Die Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, d. h. ein Typ von Brennstoffzellen, der im Allgemeinen für mit Brennstoffzellen betriebene elektrische Fahrzeuge als Leistungsquelle benutzt wird.
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Die Brennstoffzelle 10 ist derart gestaltet, daß Wasserstoff aus der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführt wird und Sauerstoff enthaltende Luft aus der Luftversorgungseinheit. Beispielsweise kann eine Aufarbeitungseinheit oder ein Tank zur Wasserstoffspeicherung als Wasserstoffversorgungseinheit dienen und dabei kann ein Verdichter, der ein adiabatischer Verdichter ist, als Luftversorgungseinheit benutzt werden.
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Während eines Verfahrens der elektrischen Leistungsversorgung in der Brennstoffzelle 10 werden durch die chemische Reaktion zur elektrischen Leistungsgewinnung Wasser und Wärme erzeugt, und das führt zu einem Temperaturanstieg in der Brennstoffzelle 10. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Leistungsgewinnung ist es jedoch vorzuziehen, daß die Temperatur der Brennstoffzelle 10 während der Erzeugung elektrischer Leistung nicht höher gehalten wird als ein gewisser Schwellenwert. Die Brennstoffzelle 10 schließt deshalb ein Kühlsystem ein, das das Heizmedium zum Abfuhren der in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Wärme benutzt.
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Das Kühlsystem schließt ein: einen Kühlwasserkreislaufpfad 11 für die Zirkulation des als Heizmedium dienenden Kühlwassers durch die Brennstoffzelle 10; eine als Wärmetauscher zur Abkühlung des Kühlwassers dienenden Kühler 12; eine als Pumpe für das Heizmedium zur Einstellung des Durchflusses des zu zirkulierenden Kühlwassers dienende Kühlwasserpumpe 13; und einen Temperaturfühler 14, der als Temperaturfeststellungsmittel dazu dient, die Temperatur des Kühlwassers zu ermitteln, das die Brennstoffzelle 10 durchflossen hat. Das durch die Brennstoffzelle 10 aufgeheizte Kühlwasser durchströmt den Kühlwasserzirkulationspfad 11 und dann den Kühler 12, in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlwasser und der Außenluft stattfindet, wodurch das Kühlwasser abgekühlt wird. Das abgekühlte Kühlwasser strömt wieder durch die Brennstoffzelle 10, wo ein Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle 10 stattfindet, und strömt dann nach Erwärmung aus der Brennstoffzelle 10.
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Das Brennstoffzellensystem schließt auch ein mit dem Kühlsystem integriertes Heizsystem ein. Das Heizsystem ist ein System zum Aufheizen (Aufwärmen) der Brennstoffzelle 10, wenn sie noch nicht die Temperatur erreicht hat, die die Erzeugung elektrischer Leistung erlaubt, wie zum Startzeitpunkt bei niedriger Temperatur.
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Das Heizsystem schließt ein: einen Kühlerbypass 15 verbunden mit dem Kühlwasserzirkulationspfad 11 und agierend als Wärmetauscherbypass, der dem Kühlwasser die Umgehung des Kühlers 12 gestattet; eine Heizvorrichtung 16 im Wärmetauscherbypass 15, die als Heizmittel zum Erwärmen des Kühlwassers dient; und einen Differenzdrucksensor 17, der als Durchflußfeststellungsmittel zur Ermittlung des Durchflusses des Kühlwassers durch die Heizvorrichtung 16 dient. Weil es die einzige Anforderung an die Heizvorrichtung 16 ist, befähigt zu sein, das Kühlwasser als Heizmedium zu erwärmen, kann eine elektrische Heizvorrichtung oder eine Heizvorrichtung der Verbrennungsbauart benutzt werden.
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Der Differenzdrucksensor 17 ermittelt eine Druckdifferenz zwischen dem im Bypass 15 in die Heizvorrichtung 16 einströmenden Kühlwasser und dem aus der Heizvorrichtung 16 ausströmenden Kühlwasser. Weil die Heizvorrichtung 16 als ein Widerstand wirkt, wenn sie vom Kühlwasser durchströmt wird, kann ein Druckunterschied zwischen dem Kühlwasser vor seinem Einströmen in die Heizvorrichtung und dem Kühlwasser nach dem Ausströmen aus der Heizvorrichtung auftreten. Der Differenzdrucksensor 17 bemerkt den Druckunterschied und ermittelt dadurch den Durchfluß des die Heizvorrichtung 16 durchströmenden Kühlwassers (nachfolgend als Heizvorrichtungsdurchfluß Fh bezeichnet). Dabei können zur Feststellung des Heizvorrichtungdurchflusses Fh auch andere Verfahrensweisen statt der Anwendung des Differenzdrucksensors 17 benutzt werden, wie ein Durchflußsensor, der den Durchfluß des Kühlwassers direkt ermittelt, oder ein indirektes Verfahren basierend auf einer anderen physikalischen Größe als dem Druck, beispielsweise der Temperatur, des Kühlwassers.
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Zur Zeit der Aufwärmung der Brennstoffzelle 10, z. B. in der Startphase des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur, findet ein Kühlwasserkreislauf im Kühlerbypass 15 statt. Das Kühlwasser wird durch die im Kühlerbypass 15 befindliche Heizvorrichtung 16 erwärmt und dann durch die Brennstoffzelle 10 geführt, um sie aufzuwärmen. Ein Dreiwegeventil 18 ist an der Verbindungsstelle des Kühlwasserzirkulationspfads 11 und des Kühlerbypasses 15 angeordnet und ermöglicht es, das Kühlwasser entweder über den Kühlwasserzirkulationspfad 11 oder den Kühlerbypass 15 umlaufen zu lassen.
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Die elektrische Steuereinheit (ECU) 20 ist so gestaltet, daß sie Eingaben einer vom Temperatursensor 14 ermittelten Temperatur der Brennstoffzelle 10 (nachfolgend als Brennstoffzellentemperatur Tfc bezeichnet) und des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh empfängt. Die ECU 20 steuert die Heizvorrichtung 16, das Dreiwegeventil 18 und die Kühlwasserpumpe 13 nach einem vorher eingegebenen Programm auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc und des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh und fungiert als Steuermittel für den Durchfluß des Heizmediums als Wärmesteuermittel gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das Folgende beschreibt unter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Ablaufdiagramm die Steuerung der Brennstoffzellentemperatur im Brennstoffzellensystem mit der oben erwähnten Ausgestaltung. Die durch das Ablaufdiagramm in 2 dargestellte Steuerung der Brennstoffzellentemperatur wird durch die ECU 20 durchgeführt. Die Steuerung der Brennstoffzellentemperatur ist eine Routine, die in regelmäßigen Intervallen wiederholt wird.
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Zunächst wird die Brennstoffzellentemperatur berechnet (Schritt 1) und dann wird festgestellt, ob sie niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur T1 (Schritt 2). Die Brennstoffzellentemperatur wird berechnet auf der Basis der durch den Temperatursensor 14 festgestellten Temperatur des gerade aus der Brennstoffzelle ausgeströmten Kühlwassers. Die vorgegebene Temperatur T1 wird erhalten, indem einer die Erzeugung elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 10 ermöglichenden Minimaltemperatur eine vorgegebene Toleranz hinzugefügt wird. Die Brennstoffzelle 10 führt keine Erzeugung elektrischer Leistung durch, falls ihre Temperatur nicht höher ist als die vorgegebene Temperatur T1. Bei Ausführung des Schritts 2 ist es möglich festzustellen, ob sich die Brennstoffzelle 10 in einem Zustand befindet, in dem sie zur Erzeugung elektrischer Leistung in der Lage ist oder nicht.
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Falls durch das Ergebnis der Ermittlung beim Schritt 2 festgestellt wird, daß die Temperatur Tfc der Brennstoffzelle niedriger ist als die vorgegebene Temperatur T1, befindet sich die Brennstoffzelle 10 in einem nicht zur Erzeugung elektrischer Leistung geeigneten Zustand. Es wird deshalb ein Aufwärmverfahren durchgeführt, um die Brennstoffzelle 10 in einen Zustand aufzuheizen, in dem sie zur Erzeugung elektrischer Leistung befähigt ist.
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Beim Aufheizverfahren wird das Dreiwegeventil 18 benutzt, um den Kreislaufpfad des Kühlwassers zu steuern (Schritt 3), Insbesondere wird das Dreiwegeventil 18 derart gesteuert, daß das Kühlwasser durch den Kühlerbypass 15 fließt, in dem sich die Heizvorrichtung 16 befindet, statt daß es über den Pfad 11 zirkuliert, in dem der Kühler 12 angeordnet ist. Wenn das Kühlwasser über den Kühlerbypass 15 fließt, ist es möglich, das Kühlwasser durch die im Kühlerbypass 15 angeordnete Heizvorrichtung 16 zu erwärmen und dann das erwärmte Kühlwasser zur Aufwärmung der Brennstoffzelle 10 zu verwenden.
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Die Wärmemenge für die Heizvorrichtung 16 und der Durchfluß des zu zirkulierenden Kühlwassers werden auf der Basis der Brennnstoffzellentemperatur Tfc (Schritt 4) bestimmt. Die Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 wird berechnet auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc und einer Wärmemenge für das Kühlwasser, die von der Brennstoffzellentemperatur Tfc abhängt. Insbesondere, wenn die Bennstoffzellentemperatur Tfc niedrig ist, ist eine große Wärmemenge erforderlich, um die Brennstoffzelle 10 zu erwärmen, so daß die Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 wie auch der Kühlwasserdurchfluß erhöht werden.
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Auf der Grundlage des beim Schritt 4 festgestellten Kühlwasserdurchflusses wird die Kühlwasserpumpe 13 gesteuert (Schritt 5), um den Kühlwasserdurchfluß einzustellen. Das ermöglicht einen vorgegebenen Durchfluß des über die Brennstoffzelle 10 in Umlauf zu bringenden Kühlwassers. Nach der Einstellung des Kühlwasserdurchflusses wird der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh ermittelt (Schritt 6). Der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh wird durch den Differenzdrucksensor 17 ermittelt, der eine Druckdifferenz zwischen dem Kühlwasser auf der Einströmseite und dem Kühlwasser auf der Ausströmseite der Heizvorrichtung 16 feststellt. Wenn Kühlwasser über die Heizvorrichtung 16 strömt, wirkt die Heizvorrichtung als Widerstand und bewirkt einen Druckunterschied zwischen dem Kühlwasser vor dem Einströmen und dem Kühlwasser nach dem Ausströmen. Je größer der Kühlwasserdurchfluß ist, desto größer ist der Druckunterschied. Der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh wird somit auf der Grundlage des vom Differenzdrucksensor 17 festgestellten Druckunterschieds berechnet.
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Nach der Berechnung des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh wird bestimmt, ob der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh gleich oder größer ist als ein vorgegebener Durchfluß F1 (Schritt 7). Der vorgegebene Durchfluß F1 ist ein Wert, der auf der Basis der beim Schritt S4 berechneten Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 bestimmt wird, sowie eines Durchflusses, der nicht zu einer Überhitzung des Kühlwassers führt, das heißt, bei einer Aktivierung der Heizvorrichtung 16 das Kühlwasser nicht zum Kochen bringt. Der Grund ist, daß die Temperatur des Kühlwassers drastisch ansteigen kann und das Kühlwasser örtlich zum Kochen kommen kann, wenn die Heizvorrichtung 16 aktiviert wird, während nur ein geringer Durchfluß des Kühlwassers an der Heizvorrichtung 16 stattfindet. Außerdem kann das Kühlwasser zum Kochen kommen und einen Defekt des Brennstoffzellensystems verursachen, wenn aufgrund eines Fehlers der ECU 20, eines Fehlers bei der Steuerung des Dreiwegeventils 18 und dergleichen, die Heizvorrichtung 16 aktiviert wird, ohne daß Kühlwasser über den Kühlerbypass 15 fließt. Demgemäß ist es die einzige Anforderung an den vorgegebenen Durchfluß F1, daß er ein Durchfluß ist, der ein Kochen des Kühlwassers verhindert, wenn das Kühlwasser durch die Heizvorrichtung 16 beheizt wird, und der deshalb vorzugsweise auf der Basis der Wärmekapazität der Heizvorrichtung 16, des Durchflußwiderstands der Heizvorrichtung 16 oder dergleichen bestimmt wird.
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Falls als Ergebnis der Ermittlungen beim Schritt 7 festgestellt wird, daß der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh gleich oder größer ist als der vorgegebene Durchfluß F1, wird der Durchfluß des Kühlwassers über die Heizvorrichtung 1 als ausreichend angesehen. Es wird somit durch die Heizvorrichtung 16 ein Heizverfahren durchgeführt.
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Es wird eine Feststellung getroffen, ob die Heizvorrichtung 16 sich in einem aktiven Zustand befindet oder nicht (Schritt 8). Falls festgestellt wird, daß sich die Heizvorrichtung 16 in einem aktiven Zustand befindet, steuert das Heizverfahren die Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 auf der Basis der beim Schritt 4 festgestellten Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 (Schritt 10). Andererseits, falls festgestellt wird, daß sich die Heizvorrichtung 16 nicht in einem aktiven Zustand befindet, aktiviert das Heizverfahren die Heizvorrichtung 16 (Schritt 9) und steuert dann die Wärmemenge der Heizvorrichtung 16 (Schritt 10).
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Falls als Ergebnis der beim Schritt S7 getroffenen Ermittlungen festgestellt wird, daß der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh geringer ist als der vorgegebene Durchfluß F1, wird der Kühlwasserdurchfluß über die Heizvorrichtung 16 als nicht ausreichend angesehen. Es wird deshalb durch die Heizvorrichtung 16 kein Heizverfahren durchgeführt. Dies dient dem Zweck, die Heizvorrichtung 16 vor einer Überhitzung des Kühlwassers zu bewahren. Falls durch die Heizvorrichtung 16 kein Heizverfahren durchgeführt werden soll, wird ermittelt, ob sich die Heizvorrichtung 16 in einem aktiven Zustand oder nicht befindet (Schritt 11), und falls festgestellt wird, daß sich die Heizvorrichtung in einem aktiven Zustand befindet, wird die Heizvorrichtung 16 gestoppt (Schritt 12). Nachdem die Heizvorrichtung 16 gestoppt worden ist oder festgestellt wurde, daß sich die Heizvorrichtung 16 in einem gestoppten Zustand befindet, wird die Kühlwasserpumpe 13 wieder gesteuert, um den Kühlwasserdurchfluß zu veranlassen, sich dem beim Schritt 4 bestimmten Durchfluß anzunähern (Schritt 5), um den Kühlwasserdurchfluß einzustellen, worauf dann erneut der Heizvorrichtungsdurchfluß Fh festgestellt wird (Schritt 6). Die Verfahrensabläufe sind danach die gleichen wie oben beschrieben.
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Falls beim Schritt 2 festgestellt wird, daß die Temperatur Tfc der Brennstoffzelle gleich der vorgegebenen Temperatur T1 oder größer ist, wird ermittelt, ob die Brennstoffzellentemperatur Tfc niedriger als eine vorgegebene Temperatur T2 ist oder nicht (Schritt 14). Die vorgegebene Temperatur T2 ist eine Temperatur, auf oder unterhalb der die Brennstoffzelle 10 vorzugsweise im Hinblick auf ihren Erzeugungswirkungsgrad gehalten wird, und sie wird als erforderlich eingestellt in Abhängigkeit von, beispielsweise, der Bauart der Brennstoffzelle.
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Wenn festgestellt wird, daß die Temperatur Tfc der Brennstoffzelle gleich oder höher ist als die vorgegebene Temperatur T2, wird ein Kühlverfahren für die Brennstoffzelle 10 unter Anwendung des Kühlwassers durchgeführt, um eine Abnahme des Erzeugungswirkungsgrades der Brennstoffzelle 10 zu verhindern. Zunächst ermittelt das Kühlverfahren, ob die Heizvorrichtung 16 sich in einem aktiven Zustand befindet oder nicht (Schritt 15). Falls festgestellt wird, daß sich die Heizvorrichtung 16 in einem aktiven Zustand befindet, stoppt das Kühlverfahren die Heizvorrichtung 16 (Schritt 16). Der Grund ist, daß kein Aufwärmverfahren mehr erforderlich ist, weil die Brennstoffzellentemperatur Tfc gleich oder höher ist als die vorgegebene Temperatur T2, obwohl sich die Heizvorrichtung 16 manchmal aufgrund des oben beschriebenen Aufwärmverfahrens in Betrieb befinden kann.
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Nachdem die Heizvorrichtung 16 gestoppt worden ist, oder falls als Ergebnis der Ermittlung festgestellt worden ist, daß die Heizvorrichtung 16 sich nicht in einem aktiven Zustand befindet, wird die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff gestartet (Schritt 17). Mit der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff wird von der Brennstoffzelle 10 ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung durchgeführt.
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Danach wird das Dreiwegeventil 18 gesteuert, um den Zirkulationspfad für das Kühlwasser einzustellen (Schritt 18). Insbesondere wir das Dreiwegeventil 18 so gesteuert, daß das Kühlwasser über den Kühlwasserzirkulationspfad 11 fließt, in dem der Kühler 12 angeordnet ist, statt über den Kühlerbypass 15, in dem die Heizvorrichtung 16 angeordnet ist. Der Kreislauf des Kühlwassers im Kühlwasserzirkulationspfad 11 ermöglicht es dem Kühlwasser über den Kühler 12 zu fließen. Die Wärme wird durch den Kühler 12 zwischen dem Kühlwasser und der Außenluft ausgetauscht und das durch den Kühler geflossene Kühlwasser durchquert nach der Kühlung die Brennstoffzelle 10, so daß die Brennstoffzelle 10 herabgekühlt werden kann.
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Nach der Steuerung des Dreiwegeventils 18 wird ein Durchfluß des in Umlauf zu haltenden Kühlwassers auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc berechnet (Schritt 19). Der Durchfluß des Kühlwassers wird auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc der der Kühlung ausgesetzten Brennstoffzelle 10 berechnet. Insbesondere wenn die Brennstoffzellentemperatur Tfc hoch ist, ist eine große Wärmemenge erforderlich, um die Brennstoffzelle 10 abzukühlen so daß der Durchfluß des Kühlwassers erhöht wird. Die Kühlwasserpumpe 13 wird auf der Basis des auf diese Weise festgestellten Durchflusses des Kühlwassers gesteuert (Schritt 20), um den Kühlwasserdurchfluß einzustellen.
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Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das ausgeführt wird, wenn festgestellt wird, daß die Brennstoffzellentemperatur niedriger ist als die beim Schritt 14 vorgegebene Temperatur T2. Wenn festgestellt wird, daß die Brennstoffzellentemperatur Tfc niedriger ist als die vorgegebene Temperatur T2, ist die Brennstoffzellentemperatur gleich oder höher als die vorgegebene Temperatur T1, die die Erzeugung elektrischer Leistung ermöglicht, und auch niedriger ist als die vorgegebene Temperatur T2, die die untere Grenze ist, bei der oder oberhalb der der Erzeugungswirkungsgrad beginnt abzunehmen. Deshalb befindet sich die Brennstoffzelle 10 auf einer für die Erzeugung elektrischer Leistung geeigneten Temperatur.
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Die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff wird begonnen (Schritt 21) und das Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung wird durchgeführt. Danach werden ähnliche Verfahren wie jene im Aufwärmverfahren durchgeführt, wie Steuerung des Kreislaufpfads für das Kühlwasser (Schritt 3), während die Brennstoffzellentemperatur Tfc auf der geeigneten Temperatur gehalten wird.
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Wie oben beschrieben, ist es gemäß dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform möglich, das Aufwärmverfahren zum Aufheizen der Brennstoffzelle 10 und das Abkühlverfahren zur Abkühlung der Brennstoffzelle 10 auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tcf auszuführen. Das Aufwärmverfahren wird durch Erhitzen des Kühlwassers mittels der Heizvorrichtung 16 und Durchleiten erhitzten Kühlwassers durch die Brennstoffzelle 10 durchgeführt. Weil die Heizvorrichtung 16 auf der Basis des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh gesteuert wird, ist es möglich, die Heizvorrichtung 16 an einer Überhitzung des Kühlwassers zu hindern, wodurch sowohl ein Sieden des Kühlwassers wie auch diese begleitende Defekte oder dergleichen des Brennstoffzellensystems vermieden werden.
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<Ausführungsform 2>
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform 1 wird die Strömung des Kühlwassers als des Heizmediums durch das Dreiwegeventil 18 auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc gesteuert, die auf der Basis der durch den Temperatursensor 14 ermittelten Temperatur des gerade aus der Brennstoffzelle 10 ausgeflossenen Kühlwassers berechnet wird. Mit anderen Worten, falls gemäß der Brennstoffzellentemperatur Tfc festgestellt wird, daß für die Brennstoffzelle 10 das Aufwärmverfahren erforderlich ist, wird das Dreiwegeventil 18 ansprechend auf einen Befehl aus der ECU 20 so gesteuert, daß das Kühlwasser über den Kühlerbypass 15 fließt. Falls gemäß der Brennstoffzellentemperatur Tfc festgestellt wird, daß für die Brennstoffzelle 10 das Abkühlverfahren erforderlich ist, wird das Dreiwegeventil 18 ansprechend auf einen Befehl aus der ECU 20 so gesteuert, daß das Kühlwasser über den Kühler 12 fließt.
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Selbst wenn das Dreiwegeventil 18 nicht in einer proaktiven (vorausschauenden) Weise auf der Basis der Brennstoffzellentemperatur Tfc gesteuert wird, ist die in 2 dargestellte Steuerung der Brennstoffzellentemmperatur, insbesondere die Steuerung der Heizvorrichtung 16 auf der Basis des Durchflusses des in die Heizvorrichtung 16 einströmenden Kühlwassers (über den Heizvorrichtungsdurchfluß Fh) noch immer nützlich. Beispielsweise kann statt des Dreiwegeventils 18 ein temperatursensitives Drehventil benutzt werden, um als aktive Antwort auf die Temperatur des durch den Kühlwasserzirkulationspfad 11 strömenden Kühlwassers den Strömungsweg des Kühlwassers zu schalten. Mit dieser Anordnung kann der Kühlwasserfluß ohne irgendwelche Befehle aus der ECU 20 umgeschaltet werden.
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Selbst in einem solchen Falle sind die durch die Heizvorrichtung 16 auf der Basis des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh durchgeführten Verfahren (insbesondere die Verfahren S6 bis S10) bei der Steuerung der Brennstoffzellentemperatur noch immer anwendbar. Es ist deshalb möglich, die Heizvorrichtung 16 an einer Überhitzung des Kühlwassers zu hindern, wodurch das Sieden des Kühlwassers ebenso vermieden wird, wie auch Störungen und dergleichen des mit ihr verbundenen Brennstoffzellensystems.
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Die von der Heizvorrichtung 16 auf der Basis des Heizvorrichtungsdurchflusses Fh durchgeführten Verfahren sind weiter nützlich selbst bei Brennstoffzellensystemen ohne Steuerventil für die Steuerung des Durchflusses des in die Heizvorrichtung 16 und den Kühler 12 einströmenden Kühlwassers, wie das Dreiwegeventil 18, das temperatursensitive Drehventil und dergleichen. Bei solchen Brennstoffzellensystemen können die oben erwähnten Aufwärm- und Abkühlverfahren für die Brennstoffzelle durch Steuerung der Kühlkapazität des Kühlers 12 (beispielsweise der Drehzahl des Kühllüfters) und der Heizkapazität der Heizvorrichtung 16 (beispielsweise im Falle eines elektrischen Heizgeräts die ihm zur Verfügung gestellte Leistung). Selbst in solchen Fällen kann noch immer eine Möglichkeit bestehen, daß der Durchfluß des in die Heizvorrichtung einströmenden Kühlwassers reduziert wird. Dies deshalb, weil der Kühlwasserdurchfluß durch die Kühlwasserpumpe 13 eingestellt wird. Deshalb wird das auf dem Heizvorrichtungsdurchfluß Fh basierende Verfahren durch die Heizvorrichtung 16 ausgeführt, wodurch die Heizvorrichtung 16 daran gehindert wird, das Kühlwasser zu überhitzen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Bei einem Brennstoffzellensystem, in dem das Heizmedium erhitzt wird, um eine Brennstoffzelle aufzuwärmen, ist es möglich, den Durchfluß des eine Heizvorrichtung zur seiner Erwärmung durchfließenden Heizmediums festzustellen und die Heizvorrichtung auf der Basis des festgestellten Durchflusses zu steuern, wodurch eine Überhitzung des Heizmediums verhindert wird.
