DE112006003150T5 - Brennstoffzellensystem und mobiler Gegenstand - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer elektrischen Energie aufweist und das durch Zuführen eines Gases zu der Brennstoffzelle Wasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, äußerlich entlädt, mit: einer Entlademengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen der Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und einen mobilen Gegenstand.
  • Hintergrundtechnik
  • Derzeit wurde ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die nach einem Empfangen von Quellgasen (einem Brennstoffgas und einem Oxidiergas) eine elektrische Energie erzeugt, vorgeschlagen und in eine praktische Verwendung genommen. Wenn durch dieses Brennstoffzellensystem eine elektrische Energie erzeugt wird, wird innerhalb der Brennstoffzelle durch eine elektrochemische Reaktion Wasser erzeugt; es gibt jedoch einen Fall, bei dem in dem Quellgaskanal der Brennstoffzelle Wasser zurückgehalten wird und den Zufluss von Quellgas blockiert. Ferner gibt es, wenn das Brennstoffzellensystem in einer Niedrigtemperaturumgebung, wie einer Unter-Null-Umgebung, zu betreiben ist, einen Fall, bei dem Wasser, das in den Elektroden (einer Katalysatorschicht und einer Diffusionsschicht) der Brennstoffzelle zurückgehalten wird, gefriert und die Startfunktion deutlich verschlechtert.
  • Als frühere Technik, die die im Vorhergehenden beschriebene Vielfalt von Problemen, die aufgrund des innerhalb einer Brennstoffzelle erzeugten Wassers auftreten, löst, wurde ein Verfahren (ein Spülverfahren) vorgeschlagen, durch das, wenn der Betrieb einer Brennstoffzelle angehalten wird, einem Quellgaskanal trockener Sauerstoff oder trockener Wasserstoff zugeführt wird, wodurch Wasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, entfernt wird. Ferner wurde kürzlich ein Verfahren vorgeschlagen, durch das eine Berechnung durchgeführt wird, um den Rest des in einer Brennstoffzelle verbleibenden Wassers zu bestimmen, und basierend auf dem so erhaltenen Wasserrest wird die Flussrate eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Gases erhöht oder verringert, um den inneren Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle anzupassen (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2004-119052 ).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Nebenbei bemerkt, um eine Brennstoffzelle in einer Niedrigtemperaturumgebung zu starten, muss die Wassermenge in der Brennstoffzelle gleich oder kleiner als ein vorbestimmter zulässiger Wert (die Wassermenge, um ein Starten zu ermöglichen) sein. Und um in der Brennstoffzelle eine Wassermenge gleich oder kleiner als ein solcher vorbestimmter zulässiger Wert zu erhalten, muss die exakte Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle entladen wird, berechnet (geschätzt) werden, und der innere Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle muss genau bestimmt werden.
  • Gemäß dem Verfahren, das in der im Vorhergehenden beschriebenen Veröffentlichung beschrieben ist, wird die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge beispielsweise basierend auf der Flussrate des Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, berechnet; es besteht jedoch insofern ein Problem, als eine genaue zu entladende Wassermenge zu dieser Zeit nicht berechnet werden kann, da der Zustand der Brennstoffzelle (z. B. die Restwassermenge in der Brennstoffzelle und die Neigung der Brennstoffzelle) nicht berücksichtigt wird. Wenn die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge nicht wie beschrieben präzise berechnet (geschätzt) werden kann, könnte die Startfunktion der Brennstoffzelle in einer Niedrigtemperaturumgebung verschlechtert sein.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht dieser Situationen geschaffen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das basierend auf dem Zustand einer Brennstoffzelle die genaue Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, genau schätzen kann.
  • Um die im Vorhergehenden beschriebene Aufgabe zu lösen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer elektrischen Energie aufweist und das durch Zuführen eines Gases zu der Brennstoffzelle Wasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, äußerlich entlädt, eine Entlademengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen der aus der Brennstoffzelle zu entladenden Wassermenge basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle auf.
  • Die Entlademengen-Schätzeinrichtung kann beispielsweise basierend auf der Wassermenge, die in der Brennstoffzelle verbleibt, die Wassermenge schätzen, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist. Die Entlademengen-Schätzeinrichtung kann ferner basierend auf einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle geneigt ist oder einem Zustand, in dem an die Brennstoffzelle eine Kraft angelegt ist, schätzen, welche Wassermenge aus der Brennstoffzelle zu entladen ist.
  • Gemäß dieser Anordnung kann durch Berücksichtigen des Zustands der Brennstoffzelle (z. B. der in der Brennstoffzelle verbleibenden Wassermenge oder der Schräglage der Brennstoffzelle) die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge genau geschätzt werden. Beispielsweise kann bei einem Fall, bei dem eine große (kleine) Wassermenge in der Brennstoffzelle verbleibt, geschätzt werden, dass eine große (kleine) Wassermenge aus der Brennstoffzelle zu entladen ist. Ferner sollte, da nicht immer eine proportionale Beziehung zwischen der in der Brennstoffzelle verbleibenden Wassermenge und der zu entladenden Menge eingerichtet ist, für jede Brennstoffzelle eine Beziehung zwischen der verbleibenden Wassermenge und der zu entladenden Menge festgelegt werden, und es sollte basierend auf dieser Beziehung eine Korrektur durchgeführt werden, so dass die zu entladende Wassermenge präzise geschätzt werden kann. Zusätzlich kann bei einem Fall, bei dem das Entladen von Wasser aus der Brennstoffzelle leicht (oder schwierig) wird, da die Brennstoffzelle geneigt ist oder an die Brennstoffzelle eine Trägheitskraft angelegt ist, geschätzt werden, dass die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge erhöht (verringert) wird. Dies kann daher, da der innere Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle präzise bestimmt werden kann, zu einer Verbesserung der Startfunktion der Brennstoffzelle in einer Niedrigtemperaturumgebung beitragen, und die verbrauchte Brennstoffmenge kann reduziert werden.
  • Ferner weist ein mobiler Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung das im Vorhergehenden beschriebene Brennstoffzellensystem auf.
  • Da diese Anordnung ein Brennstoffzellensystem aufweist, das den Zustand einer Brennstoffzelle verwenden kann, um die Wassermenge, die aus einer Brennstoffzelle zu entladen ist, genau zu schätzen, kann ein mobiler Gegenstand geschaffen sein, der eine überlegene Startfunktion in einer Niedrigtemperaturumgebung zeigt und der die verbrauchte Brennstoffmenge reduzieren kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem geschaffen sein, das den Zustand einer Brennstoffzelle verwenden kann, um die Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, genau zu schätzen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Modus der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 ist eine Tabellenabbildung, die eine Beziehung zwischen der Restwassermenge in der Brennstoffzelle des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems und einer aus der Brennstoffzelle zu entladenden Wassermenge darstellt;
  • 3 ist ein Flussdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Starten des Brennstoffzellensystems in 1;
  • 4A ist ein konzeptionelles Diagramm, das den Zustand darstellt, in dem ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Modus der vorliegenden Erfindung aufweist, auf einer Gefällestrecke gestoppt ist;
  • 4B ist ein konzeptionelles Diagramm, das den Zustand darstellt, in dem das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, das das Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Modus der vorliegenden Erfindung aufweist, auf einer Steigungsstrecke gestoppt ist;
  • 5 ist eine Tabellenabbildung, die eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gemäß dem zweiten Modus der vorliegenden Erfindung und der aus der Brennstoffzelle zu entladenden Wassermenge darstellt; und
  • 6 ist ein Flussdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Starten des Brennstoffzellensystems gemäß dem zweiten Modus der vorliegenden Erfindung.
  • Beste Modi zum Ausführen der Erfindung
  • Ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß den Modi der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf Zeichnungen beschrieben. Für die Modi der Erfindung wird eine Beschreibung für ein Beispiel geliefert, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein eingebautes Energieerzeugungssystem in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S (einem mobilen Gegenstand) angewandt ist.
  • <Erster Modus>
  • Ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem ersten Modus der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 1 bis 3 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, weist das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Modus Folgendes auf: eine Brennstoffzelle 10, die nach einem Empfangen von Quellgasen (einem Oxidiergas und einem Brennstoffgas) eine elektrische Energie erzeugt; ein Oxidiergas-Rohrleitungssystem 2, das der Brennstoffzelle 10 Luft als ein Oxidiergas zuführt; ein Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem 3, das der Brennstoffzelle 10 Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas zuführt; und eine Steuerungseinheit 4, die das Gesamtsystem steuert.
  • Die Brennstoffzelle 10 hat eine Stapelstruktur, die durch ein Schichten einer vorbestimmten Zahl von elektrischen Zellen, die nach einem Empfangen von Quellgasen eine elektrische Energie erzeugen, geliefert ist. Die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Energie wird einer PCU (= power control unit = Energiesteuerungseinheit) 11 zugeführt. Die PCU 11 weist einen Wechselrichter, einen Gleichstromwandler etc. auf, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Traktionsmotor 12 angeordnet sind.
  • Das Oxidiergas-Rohrleitungssystem 2 weist einen Luftzufuhrkanal 21 zum Zuführen eines Oxidiergases (Luft), das durch einen Befeuchter 20 befeuchtet wurde, zu der Brennstoffzelle 10, einen Luftentladekanal 22 zum Leiten eines aus der Brennstoffzelle 10 entladenen Oxidierabgases zu dem Befeuchter 20 und einen Austrittskanal 23 zum Leiten des Oxidierabgases von dem Befeuchter 20 nach außen auf. Ein Verdichter 24 zum Holen eines in der Luft enthaltenen Oxidiergases und Übertragen des Gases zu dem Befeuchter 20 unter Druck befindet sich entlang dem Luftzufuhrkanal 21. Der Betrieb des Verdichters 24 wird durch die Steuerungseinheit 4 gesteuert.
  • Das Wasserstoffgas-Rohrleitungssystem 3 weist einen Wasserstofftank 30, der als eine Brennstoffzufuhrquelle dient, in der ein Hochdruck-Wasserstoffgas gespeichert ist, einen Wasserstoffzufuhrkanal 31 zum Zuführen von Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 30 zu der Brennstoffzelle 10 und einen Zirkulierkanal 32 zum Zurückführen eines Wasserstoffabgases, das aus der Brennstoffzelle 10 entladen wird, zu dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 auf. Es sei bemerkt, dass eine Reformiervorrichtung, die unter Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs ein wasserstoffreiches reformiertes Gas erzeugt, und ein Hochdruck-Gastank, in dem das durch die Reformiervorrichtung erzeugte reformierte Gas unter einem hohen Druck gespeichert ist, als eine Ersatz-Brennstoffzufuhrquelle für den Wasserstofftank 30 verwendet sein können. Ferner kann ein Tank, der eine Wasserstoff okkludierende Legierung enthält, als eine Brennstoffzufuhrquelle verwendet sein.
  • Ein Absperrventil 33, das die Zufuhr von Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 30 blockiert oder zulässt, und ein Regulierer 34, der den Druck von Wasserstoffgas anpasst, sind entlang dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 vorgesehen. Bei diesem Modus ist ein Regulierer 34 eines Typs mit einem anpassbaren Druck verwendet, bei dem ein Zielwert für einen zuzuführenden Druck durch einen Schrittmotor geändert werden kann. Der Betrieb des Absperrventils 33 und des Regulierers 34 wird durch die Steuerungseinheit 4 gesteuert.
  • Ein Entladekanal 37 ist über einen Gas-Flüssigkeits-Separator 35 und ein Austritts-/Auslassventil 36 mit dem Zirkulierkanal 32 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 35 sammelt Wasser von dem Wasserstoffabgas. Das Austritts-/Auslassventil 36 ist gemäß einer Anweisung, die durch die Steuerungseinheit 4 ausgegeben wird, zu betreiben und entlädt (entleert) äußerlich Wasser, das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 35 gesammelt wird, und Wasserstoffabgas, das in dem Zirkulierkanal 32 verbleibt und eine Verunreinigung enthält. Zusätzlich ist entlang dem Zirkulierkanal 32 eine Wasserstoffpumpe 38 vorgesehen, um Wasserstoffabgas in dem Zirkulierkanal 32 unter Druck zu dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 zu transportieren. Es sei bemerkt, dass das Gas in dem Entladekanal 37 durch eine Verdünnungsvorrichtung (nicht gezeigt) verdünnt wird, so dass sich das Gas bei einem Entladerohr 39 mit einem Gas in dem Austrittskanal 23 mischt.
  • Die Steuerungseinheit 4 erfasst eine gehandhabte Quantität für eine Beschleunigungssteuerung (ein Gaspedal etc.), die in dem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S angebracht ist, und steuert nach einem Empfangen von Steuerungsinformationen, wie einem Beschleunigungsanfragewert (z. B. die Menge einer elektrischen Energie, die für eine Erzeugung durch eine Lastvorrichtung, wie den Traktionsmotor 12, angefragt wird), den Betrieb verschiedener Vorrichtungen in dem System. Es sei bemerkt, dass eine Lastvorrichtung ein allgemeiner Ausdruck für Elektrizität verbrauchende Vorrichtungen ist, der nicht nur den Traktionsmotor 12, sondern auch eine Zusatzausrüstung (z. B. Motoren für den Verdichter 24, die Wasserstoffpumpe 38 und eine Kühlpumpe), Betätigungsvorrichtungen, die durch verschiedene Vorrichtungen (ein Schaltgetriebe, eine Radsteuerung, ein Lenkgetriebe, ein Fahrwerksystem etc.), die auf das Fahren des Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs S bezogen sind, verwendet sind, ein Luftkonditioniersystem (eine Klimaanlage), das für einen Fahrgastraum verwendet ist, eine Beleuchtung und ein Audiosystem umfasst.
  • Die Steuerungseinheit 4 ist durch ein Computersystem (nicht gezeigt) gebildet. Dieses Computersystem weist eine CPU, einen ROM, einen RAM, ein HDD, eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle und eine Anzeigevorrichtung auf. Wenn die CPU verschiedene Steuerungsprogramme, die in dem ROM gespeichert sind, liest und ausführt, werden verschiedene Steuerungsoperationen durchgeführt.
  • Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 4 führt der Brennstoffzelle 10 durch Treiben des Verdichters 24, des Absperrventils 33 und des Regulierers 34 Gas (ein Oxidiergas und ein Wasserstoffgas) zu und führt ein „Spülen" zum äußerlichen Entfernen von Wasser aus der Brennstoffzelle 10 durch. Wenn ein Spülen durchzuführen ist, reduziert die Steuerungseinheit 4 temporär das Befeuchten eines Oxidiergases unter Verwendung des Befeuchters 20 oder hält dasselbe temporär an. Es sei bemerkt, dass die Steuerungseinheit 4 dieses Modus ein Spülen ungeachtet dessen durchführen soll, ob der Betrieb der Brennstoffzelle 10 angehalten ist (ob eine Energieerzeugung angehalten ist) oder während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 ein Entleeren durchgeführt wird (ein Gas in dem Zirkulierkanal 32 entladen wird).
  • Die Steuerungseinheit 4 schätzt ferner basierend auf der Wassermenge, die in der Brennstoffzelle 10 verbleibt, die Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladen ist, wenn ein Spülen durchgeführt wird. Das heißt, die Steuerungseinheit 4 dient als ein Beispiel für die Entlademengen-Schätzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einem Fall beispielsweise, bei dem die in der Brennstoffzelle 10 verbleibende Wassermenge „W1" ist, schätzt die Steuerungseinheit 4 basierend auf einer Abbildung, die in 2 dargestellt ist, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge „Q1" ist. Ähnlich schätzt die Steuerungseinheit 4 bei einem Fall, bei dem die in der Brennstoffzelle 10 verbleibende Wassermenge „W4 (> W1)" ist, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge „Q4 (> Q1)" ist. Das heißt, da in der Brennstoffzelle 10 eine große Restwassermenge vorhanden ist, schätzt die Steuerungseinheit 4, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge erhöht ist.
  • Es sei bemerkt, dass die Steuerungseinheit 4 beispielsweise eine Änderung des Gewichts der Brennstoffzelle 10 verwendet, um bei der Anfangs-Steuerungsstufe die Wassermenge (die Anfangs-Restwassermenge), die in der Brennstoffzelle 10 verbleibt, zu schätzen. Dann wird basierend auf der Abbildung in 2 die zu entladende Wassermenge, die der Anfangs-Restwassermenge entspricht, geschätzt und von der Anfangs-Restwassermenge abgezogen, so dass eine neue verbleibende Wassermenge (eine neue Restwassermenge) erhalten wird. Danach wird basierend auf der Abbildung in 2 eine neue zu entladende Wassermenge, die der neuen Restwassermenge entspricht, geschätzt. Durch Durchführen des gleichen Verfahrens werden eine Berechnung für die neueste Restwassermenge und eine Schätzung für die neueste zu entladende Wassermenge durchgeführt.
  • Als Nächstes wird nun ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 gemäß diesem Modus durch Verwenden des Flussdiagramms in 3 beschrieben.
  • Während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 entlang dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 30 zugeführt, während der Oxidationselektrode der Brennstoffzelle 10 entlang dem Luftzufuhrkanal 21 Luft, für die die Feuchtigkeit angepasst wurde, zugeführt wird, und es wird eine elektrische Energie erzeugt. Zu dieser Zeit wird durch die Steuerungseinheit 4 die der Brennstoffzelle 10 zuzuführende elektrische Energie (die angefragte elektrische Energie) berechnet, und gemäß der Quantität einer erhaltenen elektrischen Energie wird der Brennstoffzelle 10 eine Mischung entsprechender Mengen von Wasserstoffgas und Luft zugeführt. Da während eines normalen Betriebs der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 nass ist, wird Wasser in der Brennstoffzelle 10 zurückgehalten, wenn der Betrieb angehalten wird. In diesem Modus sollte daher, nachdem ein normaler Betrieb angehalten wurde, und bevor die Brennstoffzelle 10 gestartet wird, ein Spülen durchgeführt werden, und zu der Zeit, zu der das Spülen durchgeführt wird, erfolgt eine Schätzung der zu entladenden Wassermenge.
  • Das heißt, zuerst schätzt die Steuerungseinheit 4 des Brennstoffzellensystems 1 bei der Anfangs-Steuerungsstufe (dem Anfangs-Restwassermengen-Schätzschritt: S1) basierend auf einer Änderung des Gewichts der Brennstoffzelle 10 etc. die Wassermenge (die Anfangs-Restwassermenge), die in der Brennstoffzelle 10 verbleibt. Darauf folgend bestimmt die Steuerungseinheit 4, ob die Anfangs-Restwassermenge kleiner als ein vorbestimmter zulässiger Wert (eine derartige Restwassermenge, dass die Brennstoffzelle 10 gestartet werden kann) ist (Anfangs-Restwassermengen-Bestimmungsschritt: S2), und bei einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass die Anfangs-Restwassermenge kleiner als der zulässige Wert ist, wird die Brennstoffzelle 10 gestartet, ohne ein Spülen durchzuführen (Startschritt: S8).
  • Andererseits verwendet die Steuerungseinheit 4 bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit 4 bei dem Anfangs-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S2 bestimmt hat, dass die Anfangs-Restwassermenge gleich oder größer als der zulässige Wert ist, die Abbildung in 2, um im Einklang mit der Anfangs-Restwassermenge, die bei dem Anfangs-Restwassermengen-Schätzschritt S1 geschätzt wurde, zu schätzen, welche Wassermenge zu entladen ist (Entlademengen-Schätzschritt: S3). Bei einem Fall beispielsweise, bei dem die Anfangs-Restwassermenge „W3" ist, wird geschätzt, dass die zu entladende Wassermenge „Q3" ist.
  • Auf den Entlademengen-Schätzschritt S3 folgend, zieht die Steuerungseinheit 4 die zu entladende Wassermenge ( Q ) , die bei dem Entlademengen-Schätzschritt S3 geschätzt wurde, von der Anfangs-Restwassermenge (W3), die bei dem Anfangs-Restwassermengen-Schätzschritt S1 geschätzt wurde, ab, und erhält einen neuen Wert fit die Wassermenge, die in der Brennstoffzelle 10 verbleibt (eine neue Restwassermenge: „W3 – Q3") (Neu-Restwassermengen-Berechnungsschritt: S4). Dann bestimmt die Steuerungseinheit 4, ob die neue Restwassermenge kleiner als der vorbestimmte zulässige Wert ist (Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt: S5).
  • Bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit 4 bei dem Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S5 bestimmt hat, dass die neue Restwassermenge kleiner als der zulässige Wert ist, führt die Steuerungseinheit 4 ein normales Spülen durch (Normalspülschritt: S6) und startet die Brennstoffzelle 10 (Startschritt: S8). Andererseits führt die Steuerungseinheit 4 bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit 4 bei dem Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S5 bestimmt hat, dass die neue Restwassermenge gleich oder größer als der zulässige Wert ist, ein Spülen auf einem höheren Niveau als normal durch (Höheres-Niveau-Spülschritt: S7) und startet danach die Brennstoffzelle 10 (Startschritt: S8).
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 des im Vorhergehenden beschriebenen Modus kann die aus der Brennstoffzelle 10 äußerlich zu entladende Wassermenge genau geschätzt werden, während der Zustand der Brennstoffzelle 10 (die in der Brennstoffzelle 10 verbleibende Wassermenge) berücksichtigt wird, und bei einem Fall, bei dem eine große (kleine) Wassermenge in der Brennstoffzelle 10 verbleibt, kann geschätzt werden, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge ebenfalls erhöht (reduziert) sein wird. Zu dieser Zeit ist nicht immer eine proportionale Beziehung zwischen der in der Brennstoffzelle 10 verbleibenden Wassermenge und der entladenen Wassermenge eingerichtet, und die zu entladende Wassermenge kann basierend auf der in 2 gezeigten Beziehung der Restwassermenge und der Menge des entladenen Wassers genau geschätzt werden. Da der korrekte Feuchtigkeitsstatus der Brennstoffzelle 10 erhalten werden kann, kann dies daher zu der Verbesserung der Startfunktion der Brennstoffzelle 10 in einer Niedrigtemperaturumgebung beitragen und kann die Durchführung eines unnötigen Spülens verhindern und die Menge von Brennstoff (Wasserstoffgas), die verbraucht wird, reduzieren.
  • Ferner kann, da das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S (der mobile Gegenstand) gemäß dem im Vorhergehenden beschriebenen Modus das Brennstoffzellensystem 1 aufweist, das basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle 10 die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge genau schätzen kann, ein überlegenes Startverhalten in einer Niedrigtemperaturumgebung gezeigt werden und die Menge eines verbrauchten Brennstoffs reduziert werden.
  • <Zweiter Modus>
  • Als Nächstes wird Bezug nehmend auf 4 bis 6 ein Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Modus der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Modus verwendet eine Modifikation der Anordnung (der Funktion) der Steuerungseinheit des Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem ersten Modus, und der Rest der Anordnung ist im Wesentlichen gleich wie dieselbe für den ersten Modus. Es wird daher hauptsächlich der modifizierte Abschnitt der Anordnung beschrieben, während für die Abschnitte, die gemeinsam mit dem ersten Modus verwendet sind, durch Vorsehen entsprechender Ziffern keine Beschreibung geliefert wird.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Modus ist eine Brennstoffzelle 10 in einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 10 der Länge nach, fast in der Mitte eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs S, das in 4 dargestellt ist, positioniert ist, an einem Fahrzeugkörper befestigt. Und der innere Gaskanal für die Brennstoffzelle 10 ist gebildet, um bei einem Fall, bei dem das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S horizontal fährt, im Wesentlichen horizontal zu sein, und an der Hinterseite der Brennstoffzelle 10 ist eine Ablassöffnung für Wasser, das entlang dem Gaskanal fließt, angeordnet. Wenn das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S, wie in 4A gezeigt, entlang einer Gefällestrecke fährt, ist daher die Brennstoffzelle 10 so geneigt, dass die Wasserablassöffnungsposition höher als die Vorderseite ist, und wenn das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S, wie in 4B gezeigt, entlang einer Steigungsstrecke fährt, ist die Brennstoffzelle 10 so geneigt, dass die Wasserablassöffnungsposition niedriger als die Vorderseite ist.
  • In dem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S ist ferner ein Neigungssensor (nicht gezeigt) angebracht, der einen Längsneigungswinkel θ der Brennstoffzelle 10 erfasst. Bei diesem Modus ist bei einem Fall, bei dem, wie in 4A gezeigt, die Hinterseite (die Wasserablassöffnung) der Brennstoffzelle 10 höher als die Vorderseite positioniert ist, ein Neigungswinkel bezüglich der horizontalen Ebene der Brennstoffzelle 10 als positiv definiert (+θ). Ferner ist bei einem Fall, bei dem, wie in 4B gezeigt, die Hinterseite (die Wasserablassöffnung) der Brennstoffzelle 10 niedriger als die Vorderseite positioniert ist, ein Neigungswinkel bezüglich der horizontalen Ebene der Brennstoffzelle 10 als negativ definiert (–θ). Informationen, die durch den Neigungssensor bezüglich des Neigungswinkels θ der Brennstoffzelle 10 erfasst werden, werden zu der Steuerungseinheit übertragen und für eine Schätzung der zu entladenden Wassermenge verwendet.
  • Ebenso wie bei dem ersten Modus treibt die Steuerungseinheit des Brennstoffzellensystems gemäß diesem Modus einen Verdichter 24, ein Absperrventil 33 und einen Regulierer 34, um der Brennstoffzelle 10 Gas (ein Oxidiergas und ein Wasserstoffgas) zuzuführen, und veranlasst somit die Durchführung eines „Spülens", um Wasser aus der Brennstoffzelle 10 äußerlich zu entfernen.
  • Die Steuerungseinheit schätzt ferner basierend auf dem Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 die Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladen ist, wenn ein Spülen durchgeführt wird. Genauer gesagt, die Steuerungseinheit schätzt, dass in dem Zustand eines positiven Neigungswinkels (+θ), der in 4A gezeigt ist, in dem Wasser in der Brennstoffzelle 10 äußerlich schwierig zu entladen ist, die zu entladende Wassermenge reduziert sein wird. Andererseits schätzt die Steuerungseinheit, dass in dem Zustand eines negativen Neigungswinkels (–θ), der in 4B gezeigt ist, in dem Wasser in der Brennstoffzelle 10 äußerlich leicht zu entladen ist, die zu entladende Wassermenge erhöht sein wird. Das heißt, die Steuerungseinheit dient als ein Beispiel für die Entlademengen-Schätzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Steuerungseinheit für diesen Modus verwendet eine Abbildung, die in 5 dargestellt ist, um eine Schätzung der zu entladenden Wassermenge durchzuführen. Bei einem Fall beispielsweise, bei dem der Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 „–θ3" ist, wird basierend auf der in 5 gezeigten Abbildung geschätzt, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge „Q11" ist. Ebenso wird bei einem Fall, bei dem der Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 „θ3 (> –θ3)" ist, geschätzt, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge „Q17 (< Q11)" ist. Das heißt, die Steuerungseinheit schätzt, dass, wenn der Neigungswinkel θ der Brennstoffzelle 10 groß wird (der Neigungswinkel positiv ist und dessen absoluter Wert groß ist), die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge reduziert sein wird.
  • Es wird nun durch Verwenden eines Flussdiagramms in 6 ein Startverfahren für das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Modus beschrieben.
  • Da der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems nass ist, wird Wasser in der Brennstoffzelle 10 zurückgehalten, wenn der Betrieb angehalten wird. In diesem Modus sollte daher, nachdem ein normaler Betrieb angehalten wurde, und bevor die Brennstoffzelle 10 gestartet wird, ein Spülen durchgeführt werden, und zu der Zeit, zu der das Spülen durchgeführt wird, erfolgt eine Schätzung der zu entladenden Wassermenge.
  • Das heißt, zuerst schätzt die Steuerungseinheit des Brennstoffzellensystems basierend auf einer Änderung des Gewichts der Brennstoffzelle 10 etc. die Wassermenge, die bei der Anfangs-Steuerungsstufe in der Brennstoffzelle 10 verbleibt (die Anfangs-Restwassermenge: z. B. „W0") (Anfangs-Restwassermengen-Schätzschritt: S11). Dann bestimmt die Steuerungseinheit, ob die Anfangs-Restwassermenge (W0) kleiner als ein vorbestimmter zulässiger Wert (die Restwassermenge, bei der die Brennstoffzelle 10 gestartet werden kann) ist (Anfangs-Restwassermengen-Bestimmungsschritt: S12). Und bei einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass die Anfangs-Restwassermenge (W0) kleiner als der zulässige Wert ist, wird die Brennstoffzelle 10 gestartet, ohne ein Spülen durchzuführen (Startschritt: S19).
  • Andererseits verwendet die Steuerungseinheit bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit bei dem Anfangs-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S12 bestimmt hat, dass die Anfangs-Restwassermenge (W0) gleich oder größer als der zulässige Wert ist, einen Neigungssensor, um den Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 zu erfassen (Neigungswinkel-Erfassungsschritt: S13). Dann schätzt die Steuerungseinheit basierend auf der Abbildung, die in 5 dargestellt ist, die zu entladende Wassermenge im Einklang mit dem Neigungswinkel, der bei dem Neigungswinkel-Erfassungsschritt S13 erhalten wurde (Entlademengen-Schätzschritt: S14). Bei einem Fall beispielsweise, bei dem der Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 „θ2" ist, wird geschätzt, dass die zu entladende Wassermenge „Q16" ist.
  • Auf den Entlademengen-Schätzschritt S14 folgend, zieht die Steuerungseinheit die zu entladende Wassermenge (Q16), die bei dem Entlademengen-Schätzschritt S14 geschätzt wurde, von der Anfangs-Restwassermenge (Wo), die bei dem Anfangs-Restwassermengen-Schätzschritt S11 geschätzt wurde, ab, und erhält einen neuen Wert für die Wassermenge, die in der Brennstoffzelle 10 verbleibt (eine neue Restwassermenge: „W0 – Q16") (Neu-Restwassermengen-Berechnungsschritt: S15). Darauf folgend bestimmt die Steuerungseinheit, ob die neue Restwassermenge kleiner als der vorbestimmte zulässige Wert ist (Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt: S16).
  • Bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit bei dem Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S16 bestimmt hat, dass die neue Restwassermenge kleiner als der zulässige Wert ist, wird ein normales Spülen durchgeführt (Normalspülschritt: S17), und die Brennstoffzelle 10 wird gestartet (Startschritt: S19). Andererseits führt die Steuerungseinheit bei einem Fall, bei dem die Steuerungseinheit bei dem Neu-Restwassermengen-Bestimmungsschritt S16 bestimmt hat, dass die neue Restwassermenge gleich oder größer als der zulässige Wert ist, ein Spülen auf einem höheren Niveau als normal durch (Höheres-Niveau-Spülschritt: S18) und startet dann die Brennstoffzelle 10 (Startschritt: S19).
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem des im Vorhergehenden beschriebenen Modus kann durch Berücksichtigen des Zustands (des Neigungswinkels) der Brennstoffzelle 10 eine aus der Brennstoffzelle 10 äußerlich zu entladende genaue Wassermenge geschätzt werden, und bei einem Fall, bei dem das äußere Entladen von Wasser in der Brennstoffzelle 10 leicht (oder schwierig) ist, da die Brennstoffzelle geneigt ist, kann geschätzt werden, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge erhöht (oder reduziert) sein wird. Da der Feuchtigkeitsstatus der Brennstoffzelle 10 genau bestimmt werden kann, kann dies daher zu einer Verbesserung der Startfunktion der Brennstoffzelle 10 in einer Niedrigtemperaturumgebung beitragen, und es kann ferner die Durchführung eines unnötigen Spülens verhindert werden und die Menge von Brennstoff (Wasserstoffgas), die verbraucht wird, reduziert werden.
  • Ferner kann sich, da das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S (der mobile Gegenstand) gemäß dem im Vorhergehenden beschriebenen Modus das Brennstoffzellensystem aufweist, das basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle 10 die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge genau schätzen kann, ein überlegenes Startverhalten in einer Niedrigtemperaturumgebung zeigen und ferner die Menge eines verbrauchten Brennstoffs reduziert werden.
  • Es sei bemerkt, dass für den zweiten Modus ein Beispiel verwendet wurde, bei dem die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge gemäß dem Neigungswinkel der Brennstoffzelle 10 geschätzt wird, und die Menge eines entladenen Wassers auch basierend auf dem Zustand einer Kraft, die auf die Brennstoffzelle 10 ausgeübt wird, geschätzt werden kann. Bei einem Fall beispielsweise, bei dem, da das Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug S plötzlich beschleunigt (verlangsamt) wird, auf die Brennstoffzelle 10 eine rückwärts (vorwärts) gerichtete Trägheitskraft ausgeübt wird, die bewirkt, dass Wasser in der Brennstoffzelle 10 leicht (schwierig) nach außen zu entladen ist, kann geschätzt werden, dass die aus der Brennstoffzelle 10 zu entladende Wassermenge erhöht (reduziert) sein wird. Zu dieser Zeit wird eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen der Trägheitskraft, die auf die Brennstoffzelle 10 ausgeübt wird, und der entladenen Wassermenge darstellt, im Voraus vorbereitet, und die zu entladende Wassermenge kann basierend auf dieser Abbildung geschätzt werden.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie bei den vorhergehenden Modi beschrieben, kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen und ferner an verschiedenen anderen Typen von mobilen Gegenständen als Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge (Robotern, Schiffen, Flugzeugen etc.) angebracht sein. Das Brennstoffzellensystem dieser Erfindung kann ferner auf ein stationäres Energieerzeugungssystem angewandt sein, das als eine Energieerzeugungsausrüstung für Gebäude (Häuser, Bürogebäude etc.) verwendet ist.
  • Zusammenfassung Brennstoffzellensystem und mobiler Gegenstand
  • Ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer elektrischen Energie aufweist und das durch Zuführen eines Gases zu der Brennstoffzelle Wasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, äußerlich entlädt, weist eine Entlademengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen der Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle (der Restwassermenge oder einem Neigungswinkel) auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-119052 [0003]

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer elektrischen Energie aufweist und das durch Zuführen eines Gases zu der Brennstoffzelle Wasser, das in der Brennstoffzelle verbleibt, äußerlich entlädt, mit: einer Entlademengen-Schätzeinrichtung zum Schätzen der Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, basierend auf dem Zustand der Brennstoffzelle.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Entlademengen-Schätzeinrichtung die Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle zu entladen ist, basierend auf der Wassermenge schätzt, die in der Brennstoffzelle verbleibt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Entlademengen-Schätzeinrichtung die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge basierend auf einem Zustand schätzt, in dem die Brennstoffzelle geneigt ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Entlademengen-Schätzeinrichtung die aus der Brennstoffzelle zu entladende Wassermenge basierend auf einem Zustand schätzt, in dem an die Brennstoffzelle eine Kraft angelegt ist.
  5. Mobiler Gegenstand, der ein Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
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