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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem,
das mit einer Brennstoffzelle versehen ist, die in derselben eine
Katalysatorschicht hat und die eine Zufuhr eines reaktiven Gases
empfangt, um eine Leistung zu erzeugen, und ein Verfahren zum Stoppen
eines Betriebs des Systems.
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Hintergrundtechnik
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In
den letzten Jahren hat ein Brennstoffzellensystem Aufmerksamkeit
erlangt, bei dem eine Brennstoffzelle als eine Energiequelle verwendet
ist, um durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases
mit einem oxidierenden Gas (auf diese Gase wird im Folgenden als
ein reaktives Gas Bezug genommen) eine Leistung zu erzeugen. Wenn beispielsweise
eine Brennstoffzelle eines Festpolymertyps in einer Niedrigtemperaturumgebung
bei 0°C oder weniger angeordnet ist, ist infolge eines
Gefrierens in der Brennstoffzelle, insbesondere eines Gefrierens
einer Katalysatorschicht, ein Fortschreiten der elektrochemischen
Reaktion gestört. Bei einem solchen Fall ist, wenn die
Brennstoffzelle nach einem Stoppen eines Betriebs der Brennstoffzelle nicht
neu gestartet werden kann, oder selbst wenn die Brennstoffzelle
gestartet werden kann, ein Leistungserzeugungswirkungsgrad außerordentlich
beeinträchtigt.
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In
der
japanischen Patentanmeldung
Offenlegungs-Nr. 2003-151601 beispielsweise ist eine Technologie
offenbart, bei der, um das Brennstoffzellensystem zu stoppen, eine
Flussrate eines Kühlmittels zu der Brennstoffzelle reduziert
ist, um eine Kühlleistung zu senken, und bei der der Betrieb
der Brennstoffzelle fortgesetzt wird, um durch eine Verwendung einer
Wärme, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt
wird, eine Temperatur der Brennstoffzelle zu steigern. Außerdem
ist in der
japanischen Patentanmeldung
Offenlegungs-Nr. 2005-322527 eine Technologie offenbart,
bei der, nachdem die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle gestoppt
wird, und wenn eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur,
die durch einen Stapelinnentemperatursensor erfasst wird, und einer
Temperatur, die durch einen Stapelperipherietemperatursensor erfasst
wird, einen vorbestimmten Wert überschreitet, das Kühlmittel
gekühlt wird und dann in einen Brennstoffzellenstapel eingeführt
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
den Technologien, die in den vorhergehenden Veröffentlichungen
offenbart sind, wird jedoch die vorhergehende Kältemittelsteuerung
ohne Inbetrachtziehen einer Situation für den nächsten Systemstart
durchgeführt, und es besteht also eine Möglichkeit,
dass eine nutzlose Kältemittelsteuerung durchgeführt
wird.
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Um
das Problem zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Brennstoffzellensystem, das fähig
ist, eine Verschwendung bei einer Kältemittelsteuerung
während eines Systemstopps zu unterdrücken, und
ein Verfahren zum Stoppen eines Betriebs des Systems zu schaffen.
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Um
die Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem der
vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle,
die in derselben eine Katalysatorschicht hat und die eine Zufuhr
eines reaktiven Gases empfangt, um eine Leistung zu erzeugen, und
einem Kältemittelsystem, das dieser Brennstoffzelle ein
Kältemittel zuführt, um eine Temperatur der Brennstoffzelle
zu steuern, wobei bei einem Fall, bei dem angenommen wird, dass
die Temperatur der Brennstoffzelle während des nächsten
Systemstarts oder eine Temperatur, die eine Korrelation mit der
Temperatur der Brennstoffzelle hat, eine vorbestimmte Temperatur
oder weniger ist, das Kältemittelsystem während
eines Systemstopps die Zufuhr des Kältemittels stoppt und
nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit die Zufuhr des Kältemittels
wieder aufnimmt.
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Gemäß dem
vorliegenden Aufbau werden das Stoppen und das Wiederaufnehmen der
Kältemittelzufuhr (die Kältemittelsteuerung) gemäß einem Temperaturannahmeresultat
der Brennstoffzelle während des nächsten Systemstarts
gesteuert. Es sei bemerkt, dass ein Beispiel der Temperatur, die
die Korrelation mit der Temperatur der Brennstoffzelle hat, eine
Außenlufttemperatur ist.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann der Brennstoffzelle
während des Systemstopps erlaubt sein, die Leistung in
einem Zustand zu erzeugen, in dem die Zufuhr von reaktivem Gas zu
der Brennstoffzelle gesperrt ist.
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Gemäß dem
vorliegenden Aufbau wird die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle
selbst nach dem Kältemittelzufuhrstopp fortgesetzt, wodurch eine
Verdampfung eines Wassergehalts in der Brennstoffzelle durch eine
Wärmeerzeugung, die die Leistungserzeugung begleitet, gefördert
wird.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann das Kältemittelsystem
beispielsweise der Brennstoffzelle das Kältemittel intermittierend
zuführen, um die Kältemittelzufuhr zu der Brennstoffzelle
so zu steuern, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle
und dem Kältemittel, das der Brennstoffzelle zuzuführen
ist, einen vorbestimmten Wert oder weniger hat.
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Wenn
die Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle und dem Kältemittel,
das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, den vorbestimmten
Wert oder mehr hat, besteht eine Möglichkeit, dass infolge eines
thermischen Schocks aufgrund einer solchen Temperaturdifferenz ein
Bruch, wie ein Riss, in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Gemäß dem
vorliegenden Aufbau wird jedoch beispielsweise das Kältemittel
der Brennstoffzelle intermittierend zugeführt, um die Temperaturdifferenz
auf den vorbestimmten Wert oder weniger zu reduzieren, wodurch der
thermische Schock auf die Brennstoffzelle abgeschwächt
werden kann. Es sei bemerkt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle
eine Temperatur des Kältemittels, das aus der Brennstoffzelle
entladen wird, sein kann.
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Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann einen Abnormalitätsentscheidungsabschnitt
aufweisen, der basierend auf der Temperatur des Kältemittels,
das aus der Brennstoffzelle entladen wird, eine Abnormalität
des Kältemittelsystems entscheidet.
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Wenn
das Kältemittel normal durch das Kältemittelsystem
zirkuliert, während dasselbe die Brennstoffzelle kühlt,
muss die Temperatur des Kältemittels, das aus der Brennstoffzelle
entladen wird, verglichen mit der Temperatur des Kältemittels,
das der Brennstoffzelle zugeführt wird, ansteigen. Gemäß dem
vorliegenden Aufbau wird daher die Temperatur des Kältemittels,
das aus der Brennstoffzelle entladen wird, überwacht, und
wenn die Temperatur nicht ansteigt, kann in Betracht gezogen werden, dass
das Kältemittelsystem eine bestimmte Abnormalität
hat, wie eine Erzeugung einer Verstopfung in einem Kältemittelweg.
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Es
sei bemerkt, dass der Fall, bei dem die Temperatur des Kältemittels
nicht ansteigt, nicht nur einen Fall umfasst, bei dem die Temperatur
des Kältemittels überhaupt nicht ansteigt, sondern
auch einen Fall, bei dem eine Temperaturanstiegsbreite pro Zeiteinheit
oder ein Temperaturanstiegsverhältnis ein vorbestimmter
Wert oder weniger ist.
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Ein
Verfahren zum Stoppen eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Stoppen eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle,
die in derselben eine Katalysatorschicht hat und die eine Zufuhr
eines reaktiven Gases empfängt, um eine Leistung zu erzeugen,
und einem Kältemittelsystem, das dieser Brennstoffzelle ein
Kältemittel zuführt, um eine Temperatur der Brennstoffzelle
zu steuern, wobei bei einem Fall, bei dem angenommen wird, dass
die Temperatur der Brennstoffzelle während des nächsten
Systemstarts oder eine Temperatur, die eine Korrelation mit der Temperatur
der Brennstoffzelle hat, eine vorbestimmte Temperatur oder weniger
ist, während eines Systemstopps die Zufuhr des Kältemittels
gestoppt wird und nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit
die Zufuhr des Kältemittels wieder aufgenommen wird.
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Gemäß dem
vorliegenden Aufbau werden das Stoppen und das Wiederaufnehmen der
Kältemittelzufuhr (die Kältemittelsteuerung) gemäß einem Temperaturannahmeresultat
der Brennstoffzelle während des nächsten Systemstarts
gesteuert.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden das Stoppen und das Wiederaufnehmen
der Kältemittelzufuhr (die Kältemittelsteuerung)
gemäß dem Temperaturannahmeresultat der Brennstoffzelle während
des nächsten Systemstarts gesteuert, so dass eine Verschwendung
bei der Kältemittelsteuerung während des Systemstopps
unterdrückt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Systemaufbaudiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines
Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden
Erfindung schematisch zeigt; und
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Brennstoffzellensystem-Stoppbetrieb
zeigt, der durch einen Steuerungsabschnitt, der in 1 gezeigt
ist, durchzuführen ist.
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Beste Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Als
Nächstes wird ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, bei dem dieses Brennstoffzellensystem
auf ein an einem Fahrzeug angebrachtes Leistungserzeugungssystem
eines Brennstoffzellenfahrzeugs angewandt ist, die vorliegende Erfindung ist
jedoch nicht auf ein solches Anwendungsbeispiel begrenzt. Die vorliegende
Erfindung ist auf jeden mobilen Körper, wie ein Schiff,
ein Flugzeug oder einen Zug oder einen Laufroboter, anwendbar und
ist zusätzlich auf ein stationäres Leistungserzeugungssystem
anwendbar, bei dem eine Brennstoffzelle als eine Leistungserzeu gungsausrüstung
für ein Bauwerk (eine Wohnung, ein Gebäude oder
dergleichen) verwendet ist.
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Wie
in 1 gezeigt, wird einer Luftzufuhröffnung
einer Brennstoffzelle 20 über einen Luftzufuhrweg 71 Luft
(Außenluft) als ein oxidierendes Gas (ein reaktives Gas)
zugeführt. Der Luftzufuhrweg 71 ist mit einem
Luftfilter A1, das Feinpartikel aus der Luft entfernt, einem Kompressor
A3, der die Luft unter Druck setzt, einem Drucksensor P4, der einen
Zufuhrluftdruck erfasst, und einem Befeuchter A21, der der Luft
einen erforderlichen Wassergehalt hinzufügt, versehen.
Der Kompressor A3 wird durch einen Motor (eine Zusatzvorrichtung)
angetrieben. Dieser Motor wird durch einen Steuerungsabschnitt 50,
der im Folgenden beschrieben ist, angetrieben und gesteuert. Es
sei bemerkt, dass das Luftfilter A1 mit einem Luftflussmesser (nicht
gezeigt) versehen ist, der eine Luftflussrate erfasst.
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Ein
Luftabgas, das aus der Brennstoffzelle 20 entladen wird,
wird über einen Austrittsweg 72 entladen. Der
Austrittsweg 72 ist mit einem Drucksensor P1, der einen
Austrittsdruck erfasst, einem Druckanpassungsventil A4 und einem
Wärmetauscher des Befeuchters A21 versehen. Der Drucksensor
P1 ist in der Nähe einer Luftaustrittsöffnung
der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Das Druckanpassungsventil
A4 funktioniert als eine Druckanpassungs-(Druckreduzierungs-)Einheit,
die einen Zufuhrluftdruck zu der Brennstoffzelle 20 einstellt.
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Erfassungssignale
(nicht gezeigt) der Drucksensoren P4, P1 werden zu dem Steuerungsabschnitt 50 gesendet.
Der Steuerungsabschnitt 50 passt eine Motordrehungsgeschwindigkeit
des Kompressors A3 und einen Öffnungsbereich des Druckanpassungsventils
A4 an, um einen Zufuhrluftdruck und eine Zufuhrluft-Flussrate hinsichtlich
der Brennstoffzelle 20 einzustellen.
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Ein
Wasserstoffgas als das Brennstoffgas (das reaktive Gas) wird von
einer Wasserstoffzufuhrquelle 30 über einen Brennstoffzufuhrweg 74 einer Wasserstoffzufuhröffnung
der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Die Wasserstoffzufuhrquelle 30 entspricht bei spielsweise
einem Hochdruck-Wasserstofftank, kann jedoch ein Brennstoff-Reformer,
eine wasserstoff-okkludierte Legierung oder dergleichen sein.
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Der
Brennstoffzufuhrweg 74 ist mit einem Sperrventil H100,
das Wasserstoff von der Wasserstoffzufuhrquelle 30 zuführt
oder die Zufuhr stoppt, einem Drucksensor P6, der einen Zufuhrdruck
des Wasserstoffgases von der Wasserstoffzufuhrquelle 30 erfasst,
einem Wasserstoffdruck-Anpassungsventil H9, das den Zufuhrdruck
des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 20 reduziert,
um den Druck anzupassen, einem Drucksensor P9, der einen Wasserstoffgasdruck
auf einer Stromabwärtsseite des Wasserstoffdruck-Anpassungsventils
H9 erfasst, einem Sperrventil H21, das zwischen der Wasserstoffzufuhröffnung
der Brennstoffzelle 20 und dem Brennstoffzufuhrweg 74 öffnet
und schließt, und einem Drucksensor P5, der einen Einlassdruck
des Wasserstoffgases der Brennstoffzelle 20 erfasst, versehen.
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Als
das Wasserstoffdruck-Anpassungsventil H9 kann beispielsweise ein
mechanisches Druckanpassungsventil, das den Druck reduziert, verwendet sein,
es kann jedoch ein Ventil mit einem Ventilöffnungsgrad,
der durch einen Pulsmotor linear oder kontinuierlich angepasst wird,
verwendet sein. Erfassungssignale (nicht gezeigt) der Drucksensoren
P5, P6 und P9 werden dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt.
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Das
Wasserstoffgas, das durch die Brennstoffzelle 20 nicht
verbraucht wurde, wird als ein Wasserstoffabgas zu einem Wasserstoffzirkulationsweg 75 entladen
und zu einer Stromabwärtsseite des Wasserstoffdruck-Anpassungsventils
H9 des Brennstoffzufuhrwegs 74 zurückgeführt.
Der Wasserstoffzirkulationsweg 75 ist mit einem Temperatursensor T31,
der eine Temperatur des Wasserstoffabgases erfasst, einem Sperrventil
H22, das die Brennstoffzelle 20 mit dem Wasserstoffzirkulationsweg 75 verbindet
oder von demselben trennt, einem Gas-Flüssigkeits-Separator
H42, der einen Wassergehalt aus dem Wasserstoffabgas sammelt, einem
Wasserentladeventil H41, das gebildetes und gesammeltes Wasser zu
einem Tank (nicht gezeigt) oder dergleichen außerhalb des
Wasserstoffzirkulationswegs 75 zurückführt,
einer Wasserstoffpumpe H50, die das Wasserstoffabgas unter Druck
setzt, und einem Rückschlagventil H52 versehen.
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Die
Sperrventile H21, H22 schließen die Brennstoffzelle 20 auf
einer Anodenseite. Ein Erfassungssignal (nicht gezeigt) des Temperatursensors T31
wird dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt. Ein Betrieb
der Wasserstoffpumpe H50 wird durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert.
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Das
Wasserstoffabgas vereinigt sich mit dem Wasserstoffgas in dem Brennstoffzufuhrweg 74,
wird der Brennstoffzelle 20 zugeführt und wiederverwendet.
Das Rückschlagventil H52 verhindert einen Gegenfluss des
Wasserstoffgases des Brennstoffzufuhrwegs 74 auf der Seite
des Wasserstoffzirkulationswegs 75. Die Sperrventile H100,
H21 und H22 werden ansprechend auf ein Signal von dem Steuerungsabschnitt 50 getrieben.
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Der
Wasserstoffzirkulationsweg 75 ist durch einen Spülkanal 76 über
ein Entladesteuerungsventil H51 mit dem Austrittsweg 72 verbunden.
Das Entladesteuerungsventil H51 ist ein elektromagnetisches Sperrventil
und ist gemäß einem Befehl von dem Steuerungsabschnitt 50 in
Betrieb, um das Wasserstoffabgas aus dem System zu entladen (zu
spülen). Dieser Spülbetrieb wird intermittierend
durchgeführt, wodurch verhindert werden kann, dass die
Zirkulation des Wasserstoffabgases wiederholt wird, um eine Zellenspannung
infolge einer Erhöhung einer Verunreinigungskonzentration
des Wasserstoffgases auf der Seite eines Brennstoffpols zu senken.
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Ein
Kühlwasserauslass/-einlass der Brennstoffzelle 20 ist
mit einem Kühlweg 73 versehen, der Kühlwasser
(ein Kältemittel) durch denselben zirkulieren lässt.
Der Kühlweg 73 ist mit einem Temperatursensor
T1, der eine Temperatur des Kühlwassers, das aus der Brennstoffzelle 20 entladen
wird, erfasst, einem Strahler (einem Wärmetauscher) C2,
der eine Wärme des Kühlwassers aus dem System
abstrahlt, einer Pumpe C1, die das Kühlwasser unter Druck setzt
und zirkulieren lässt, und einem Temperatursensor T2, der
eine Temperatur des Kühlwassers, das der Brennstoffzelle 20 zuzuführen
ist, erfasst, versehen. Der Strahler C2 ist mit einem Kühlventilator
C13 versehen, der durch einen Motor angetrieben und gedreht wird.
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Erfassungssignale
der Temperatursensoren T1, T2 werden dem Steuerungsabschnitt 50 zugeführt,
und ein Antreiben der Pumpe C1 und des Kühlventilators
C13 wird durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert. Das
heißt, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
bauen der Kühlweg 73, der Temperatursensor T1,
der Strahler C2, die Pumpe C1, der Temperatursensor T2, der Kühlventilator
C13 und der Steuerungsabschnitt 50 ein Kältemittelsystem
der vorliegenden Erfindung auf.
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Die
Brennstoffzelle 20 ist als ein Brennstoffzellenstapel aufgebaut,
in dem eine vorbestimmte Zahl von einheitlichen Zellen zum Empfangen
einer Zufuhr des Brennstoffgases und des oxidierenden Gases, um
eine Leistung zu erzeugen, geschichtet ist. Jede einheitliche Zelle
ist aus einem Paar von Separatoren, die einen Fluidkanal (einen
Kanal für ein reaktives Gas, einen Kältemittelkanal)
haben und aus einem leitähigen Material gebildet sind,
und einer Membran-Elektroden-Baugruppe (engl.: membrane electrode
assembly; MEA), die zwischen dem Paar von Separatoren gehalten ist,
aufgebaut. Die MEA ist aus einem Elektrolytfilm und einem Paar von
Elektroden, die auf entgegengesetzten Oberflächen des Films
angeordnet sind, aufgebaut, und jede Elektrode hat eine Struktur,
bei der eine Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht von der
Seite des Elektrolytfilms geschichtet sind.
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Die
Katalysatorschicht ist benachbart zu dem Elektrolytfilm angeordnet
und weist beispielsweise einen Festelektrolyt, Kohlenstoffpartikel
(katalysatortragenden Kohlenstoff) und einen Katalysator, der durch
die Kohlenstoffpartikel getragen ist, auf. Als der Katalysator ist
beispielsweise vorzugsweise Platin, eine Platinlegierung oder dergleichen
verwendet. Andererseits ist die Diffusionsschicht ein Leiter mit
einer Funktion eines Durchlassens von Fluiden (dem Brennstoffgas,
dem oxidierenden Gas und dem gebildeten Wasser) und einer Funktion
eines Leitens eines Stroms durch die Katalysatorschicht und die
Separatoren.
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Diese
Brennstoffzelle 20 ist mit Gaskanälen versehen,
die durch die Diffusionsschicht und Fluidkanalnuten der Separatoren
auf den entgegengesetzten Oberflächen der Brennstoffzelle über
die MEA definiert sind, wodurch das Wasserstoffgas als das Brennstoffgas
und Luft als das oxidierende Gas den Gaskanälen zugeführt
werden und das Wasserstoffgas über die MEA mit Sauerstoff
in der Luft elektrochemisch reagiert, um die Leistung zu erzeugen.
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Die
Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird,
wird einer Leistungssteuerungseinheit (nicht gezeigt) zugeführt.
Die Leistungssteuerungseinheit weist einen Wechselrichter, der die
Leistung einem Antriebsmotor eines Fahrzeugs zuführt, einen
Wechselrichter, der die Leistung einer Zusatzvorrichtung, wie einem
Kompressormotor oder einem Motor für die Wasserstoffpumpe,
zuführt, einen Gleichstromwandler, der eine Speichereinrichtung, wie
eine Sekundärzelle, lädt, um die Leistung von
der Speichereinrichtung den Motoren zuzuführen, und dergleichen
auf.
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Der
Steuerungsabschnitt 50 empfangt Steuerungsinformationen
von einer erforderlichen Last, wie einem Fahrzeugbeschleunigungssignal
(nicht gezeigt), und Sensoren (einem Drucksensor, einem Temperatursensor,
einem Flussratensensor, einem Ausgangsstrommesser, einem Leistungsspannungsmesser,
etc.) von Abschnitten eines Brennstoffzellensystems 1,
um einen Betrieb von Ventilen und der Motoren der Abschnitte des
Systems zu steuern.
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Zusätzlich
schätzt der Steuerungsabschnitt 50, beispielsweise
nachdem ein Benutzer (ein Fahrer) eine Zündung oder dergleichen
ausschaltet, um einen Systemstoppbefehl zu empfangen, eine Temperatur
der Brennstoffzelle 20 während des nächsten Systemstarts
und führt einen intermittierenden Betrieb der Pumpe C1
oder dergleichen, die in dem Kühlweg 73 vorgesehen
ist, durch, um basierend auf einem geschätzten Resultat
den Wassergehalt in der Brennstoffzelle 20 zu reduzieren.
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Außerdem
kann der Benutzer bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ungeachtet eines Schätzungsresultats des Steuerungsabschnitts 50 beliebig
auswählen, ob ein Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten,
das durch Durchführen eines solchen intermittierenden Betriebs
der Pumpe C1 oder dergleichen realisiert wird (auf das im Folgenden gelegentlich
einfach als das „Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten"
Bezug genommen ist), erforderlich ist oder nicht. Bei einem Fall
beispielsweise, bei dem der Benutzer einen Auswahlschalter auf „EIN"
einstellt, fährt der Steuerungsabschnitt 50 das
Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten durch, selbst wenn die angenommene
Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Andererseits
führt der Steuerungsabschitt 50 bei einem Fall,
bei dem der Benutzer den Auswahlschalter auf „AUS" einstellt,
das Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten nicht durch, selbst wenn
die angenommene Temperatur den vorbestimmten Schwellenwert oder
weniger hat. Außerdem führt der Steuerungsabschnitt 50 bei
einem Fall, bei dem der Benutzer den Auswahlschalter auf „AUTO"
einstellt, das Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten basierend auf
der geschätzten Temperatur durch.
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Hinsichtlich
der Temperatur der Brennstoffzelle 20 während
des nächsten Systemstarts wird eine Änderung einer
Außenlufttemperatur, die durch das Fahrzeug vermutlich
von nun an empfangen werden wird, aus einer Positionskoordinate
des Fahrzeugs, die unter Verwendung von beispielsweise GPS oder
dergleichen gemessen wird, durch eine Verwendung von vergangenen
Temperaturübergangsinformationen und geschätzten
Temperaturübergangsinformationen an dem entsprechenden Ort,
die von äußeren intelligenten Transportsystemen (ITS)
erfasst werden, Kalenderinformationen (Monat, Tag, etc.) und Zeitinformationen
geschätzt. Der Steuerungsabschnitt nimmt ferner Bezug auf
eine Abbildung oder dergleichen, die eine Beziehung zwischen der
Außenlufttemperatur, die vorher in einer Speichereinheit
oder dergleichen des Steuerungsabschnitts 50 gespeichert
wird, und einer Innentemperatur (auf die im Folgenden als die Zelleninnentemperatur
Bezug genommen ist) der Brennstoffzelle 20 anzeigt, um
die Temperatur der Brennstoffzelle zu schätzen.
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Das
Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten wird beispielsweise bei einem
Fall durchgeführt, bei dem angenommen wird, dass die Zelleninnentemperatur
0 Grad oder weniger beträgt. Wie im Folgenden beschrieben,
erlaubt dieses Wassergehalt- Reduzierungsverarbeiten der Brennstoffzelle 20,
die Leistung in einem Zustand zu erzeugen, in dem sowohl die Kühlwasserzufuhr
als auch die Zufuhr von reaktivem Gas zu der Brennstoffzelle 20 gestoppt
sind. Genauer gesagt, in einem Zustand, in dem die Pumpe C1 und
der Kühlventilator C13 des Strahlers C2, die entlang dem
Kühlweg 73 vorgesehen sind, gestoppt sind, ist
der Brennstoffzelle 20 erlaubt, die Leistung zu erzeugen.
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Es
sei bemerkt, dass der Steuerungsabschnitt 50 aus einem
Steuerungscomputersystem (nicht gezeigt) aufgebaut ist. Dieses Steuerungscomputersystem
hat einen bekannten Aufbau, der eine CPU, einen ROM, einen RAM,
ein HDD, eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle, eine Anzeige und
dergleichen aufweist, und ist aus einem kommerziell verfügbaren
Computersystem für eine Steuerung aufgebaut.
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Als
Nächstes wird ein Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch
den Steuerungsabschnitt 50 beschrieben. Bei einem Fall,
bei dem der Steuerungsabschnitt 50 entscheidet, dass ein
Befehl, um einen Laufstoppbetrieb (z. B. Zündung AUS) anzuweisen,
erteilt wurde oder ein Flag eingestellt wurde (Ereigniserzeugung),
wird ein Verarbeiten, das in einem Flussdiagramm von 2 gezeigt
ist, ausgeführt.
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Zuerst
empfangt (erfasst) der Steuerungsabschnitt 50 von einem
an einem Fahrzeug angebrachten GPS die Positionskoordinate des Fahrzeugs,
an dem das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel angebracht ist (Schritt
S1). Anschließend wird die Positionskoordinate, die bei
dem Schritt S1 empfangen wird, zu einem ITS übertragen,
und die vergangenen Temperaturübergangsinformationen und
die geschätzten Temperaturübergangsinformationen
an dem entsprechenden Ort werden von dem ITS empfangen (erfasst)
(Schritt S3). Anschließend wird die Temperaturänderung,
die durch das Fahrzeug vermutlich von nun an empfangen werden wird,
basierend auf den Temperaturübergangsinformationen und
den geschätzten Temperaturübergangsinformationen,
die bei dem Schritt S3 empfangen werden, den Kalenderinformationen
(Monat, Tag, etc.) und den Zeitinformationen geschätzt,
und die Zelleninnentemperatur während des nächsten
Systemstarts wird unter Bezugnahme auf die Ab bildung, die die Beziehung
zwischen der Außenlufttemperatur und der Zelleninnentemperatur
zeigt, geschätzt (Schritt S5).
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Danach
wird entschieden, ob die geschätzte Zelleninnentemperatur
den vorbestimmten Schwellenwert (z. B. 0°C) oder weniger
hat, mit anderen Worten, ob die Zelle, insbesondere die Katalysatorschicht,
während des nächsten Systemstarts gefroren ist
(Schritt S7). Bei einem Fall, bei dem dieses Entscheidungsresultat „JA"
lautet, geht das Verarbeiten zu einem Schritt S9 weiter, bei dem
entschieden wird, ob der Benutzer eine Einstellung von „EIN", „AUS"
oder „AUTO" des Auswahlschalters auswählt, das
heißt, es wird die Benutzereinstellung entschieden.
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Bei
einem Fall, bei dem die Benutzereinstellung „AUS" ist,
wird, selbst wenn das Entscheidungsresultat des Schritts S7 „JA"
lautet, mit anderen Worten, selbst wenn die Zelle während
des nächsten Systemstarts gefroren ist, gemäß dem
Willen des Benutzers ein Verarbeiten eines Schritts S11, der als
ein Beispiel des Wassergehalt-Reduzierungsverarbeitens durchzuführen
ist, das heißt der intermittierende Betrieb der Pumpe C1
oder dergleichen, übersprungen. Andererseits wird bei einem
Fall, bei dem die Benutzereinstellung „AUTO" ist, das Verarbeiten
des Schritts S11 gemäß dem Entscheidungsresultat „JA" des
Schritts S7 durchgeführt. Bei einem Fall, bei dem die Benutzereinstellung „EIN"
ist, wird das Verarbeiten gemäß der Absicht des
Benutzers durchgeführt.
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Bei
dem Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten des Schritts S11 wird zuerst
der Betrieb des Kompressors A1 gestoppt, um die Zufuhr von oxidierendem
Gas zu der Brennstoffzelle 20 zu sperren. Außerdem
wird das Sperrventil H100 geschlossen, um die Brennstoffgaszufuhr
zu der Brennstoffzelle 20 zu sperren, wodurch der Brennstoffzelle 20 erlaubt wird,
die Leistung in einem solchen Zustand zu erzeugen, dass die Zufuhr
von reaktivem Gas gesperrt ist.
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Dann
werden der Betrieb der Pumpe C1, die entlang dem Kühlweg 73 vorgesehen
ist, und der Betrieb des Kühlventilators C13 des Strahlers
C2 gestoppt. Folglich ist der Brennstoffzelle 20 erlaubt,
die Leistung in einem Zustand zu erzeugen, in dem die Zirkulation
des Kühlwassers gestoppt ist, so dass die Temperatur der
Brennstoffzelle 20 schnell ansteigt und eine Verdampfung
des Wassergehalts, der in der Brennstoffzelle 20 verbleibt,
gefördert wird. Als ein Resultat wird das Gefrieren in
der Zelle während des nächsten Systemstarts, insbesondere
das Gefrieren der Katalysatorschicht, wirksam gehemmt.
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Wenn
die Kühlwasserzufuhr zu der Brennstoffzelle 20 gestoppt
ist und die Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf eine
vorbestimmte Katalysator-Oxidiertemperatur ansteigt, wird die Katalysatorschicht
jedoch gelegentlich oxidiert. Daher wird während des intermittierenden
Betriebs der Betrieb der Pumpe C1 und des Kühlventilators
C13 gestoppt, und nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit
wird dann der Betrieb der Pumpe C1 und des Kühlventilators
C13 wieder aufgenommen. Die Oxidation von katalysatortragendem Kohlenstoff,
der bei der Katalysatorschicht verwendet ist, kann folglich gehemmt
werden, so dass eine Haltbarkeit der Brennstoffzelle 20 verbessert
werden kann.
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Andererseits
könnte, wenn der Betrieb der Pumpe C1 und des Kühlventilators
C13 während des intermittierenden Betriebs wieder aufgenommen
wird und eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Brennstoffzelle 20 und
dem Kühlwasser, das der Brennstoffzelle 20 zuzuführen
ist, ein vorbestimmter Wert oder mehr ist, infolge eines thermischen Schocks
aufgrund dieser Temperaturdifferenz ΔT ein Bruch, wie ein
Riss, in der Brennstoffzelle 20 erzeugt werden. Die Pumpe
C1 und der Kühlventilator C13 werden daher intermittierend
betrieben, so dass die Temperaturdifferenz ΔT nicht über
dem vorbestimmten Wert liegt, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur
der Brennstoffzelle 20 übermäßig
ansteigt.
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Zu
dieser Zeit können die Pumpe C1 und der Kühlventilator
C13 gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle 20 oder
der Katalysatorschicht intermittierend betrieben werden, oder dieselben
können nach jeder vorbestimmten Zeit intermittierend betrieben werden.
Wie im Vorhergehenden beschrieben, wird die Temperaturdifferenz ΔT,
die zu einer Zeit erzeugt wird, zu der der Betrieb der Pumpe C1
und des Kühlventilators C13 während des intermittierenden
Betriebs wieder aufgenommen wird, auf den vorbestimmten Wert oder
weniger reduziert, wodurch der thermische Schock, der der Brennstoffzelle 20 während
des intermittierenden Betriebs versetzt wird, abgeschwächt
werden kann. Es sei bemerkt, dass anstelle der Temperatur der Brennstoffzelle 20 oder
der Katalysatorschicht eine Temperatur des Kühlwassers,
die durch den Temperatursensor T1 gemessen wird, verwendet sein
kann.
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Außerdem
funktioniert während des intermittierenden Betriebs der
Pumpe C1 und des Kühlventilators C13 der Steuerungsabschnitt 50 ferner
als ein Abnormalitätsentscheidungsabschnitt, der eine Abnormalität,
wie eine Verstopfung des Kühlwegs 73, des Kühlwassersystems
(des Kältemittelsystems) entscheidet. Wenn das Kühlwasser
normal durch den Kühlweg 73 zirkuliert, während
dasselbe die Brennstoffzelle 20 kühlt, muss die
Temperatur des Kühlwassers, das aus der Brennstoffzelle 20 entladen wird,
verglichen mit der Temperatur des Kühlwassers, das der
Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, ansteigen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels
wird daher die Temperatur des Kühlwassers, das aus der
Brennstoffzelle 20 entladen wird, durch den Temperatursensor
T1 überwacht, und bei einem Fall, bei dem die Temperatur
nicht ansteigt, wird entschieden, dass in einem Kühlwassersystem
eine bestimmte Abnormalität erzeugt ist, beispielsweise
der Kühlweg 73 verstopft ist. Es sei bemerkt,
dass der Fall, bei dem die Temperatur des Kühlwassers nicht
ansteigt, nicht nur einen Fall umfasst, bei dem die Temperatur des
Kühlwassers überhaupt nicht ansteigt, sondern
auch einen Fall, bei dem eine Temperaturanstiegsbreite pro Zeiteinheit
oder ein Temperaturanstiegsverhältnis ein vorbestimmter
Wert oder weniger ist.
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Bei
einem Fall, bei dem das Entscheidungsresultat des Schritts S7 „NEIN"
lautet, mit anderen Worten, einem Fall, bei dem die Zelle während
des nächsten Systemstarts nicht gefroren ist, geht das Verarbeiten
zu einem Schritt S21 weiter, bei dem entschieden wird, dass der
Benutzer die Einstellung „EIN", „AUS" oder „AUTO"
des Auswahl schalters auswählt, das heißt, es wird
die Benutzereinstellung entschieden. Dieses Entscheidungsverarbeiten
der Benutzereinstellung ist ähnlich zu dem Verarbeiten des
Schritts S9, und eine Beschreibung desselben ist also weggelassen.
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Als
ein Resultat der Entscheidung des Schritts S21 wird bei einem Fall,
bei dem die Benutzereinstellung „EIN" ist, selbst wenn
das Entscheidungsresultat des Schritts S7 „NEIN" lautet,
mit anderen Worten, selbst wenn die Zelle während des nächsten
Systemstarts nicht gefroren ist, gemäß dem Willen
des Benutzers das Verarbeiten des Schritts S11 durchgeführt.
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Andererseits
wird bei einem Fall, bei dem die Benutzereinstellung „AUTO"
ist, das Verarbeiten des Schritts S11 gemäß dem
Entscheidungsresultat „NEIN" des Schritts S7 übersprungen.
Wenn die Benutzereinstellung „AUS" ist, wird das Verarbeiten
gemäß der Absicht des Benutzers übersprungen.
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Wie
im Vorhergehenden beschrieben, wird gemäß dem
Brennstoffzellensystem 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels
und dem Verfahren zum Stoppen des Betriebs des Systems die Kühlwasserzufuhr
zu der Brennstoffzelle 20 während des Systemstopps
gestoppt, wodurch die Verdampfung des Wassergehalts in der Brennstoffzelle 20 durch
die Wärme, die durch die Brennstoffzelle 20, die
die Wärme infolge der Leistungserzeugung erzeugt hat, gehalten
wird, gefördert wird. Das Gefrieren der Katalysatorschicht
in der Brennstoffzelle 20 während des nächsten
Systemstarts kann daher gehemmt werden.
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Außerdem
wird die Kühlwasserzufuhr zu der Brennstoffzelle 20 gestoppt,
und nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit wird dann die Kühlwasserzufuhr
zu der Brennstoffzelle 20 wieder aufgenommen. Das heißt,
die Pumpe C1 und dergleichen werden intermittierend betrieben, wodurch
die Oxidation der Katalysatorschicht nach dem Systemstopp und während
des Systemstopps gehemmt werden kann. Wie aus der vorhergehenden
Beschreibung offensichtlich ist, werden gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel das Stoppen und Wiederaufnehmen
der Kältemittelzufuhr (die Kälte mittelsteuerung)
gemäß dem Temperaturschätzungsresultat
der Brennstoffzelle 20 während des nächsten
Systemstarts gesteuert, so dass eine Verschwendung der Kältemittelsteuerung
während des Systemstopps unterdrückt werden kann.
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Außerdem
kann der Benutzer gemäß beispielsweise einer Situation
(z. B. einem Monat, einem Tag, einer Zeit, einem Sonnenschein, einem
Schatten, einem Berggebiet, einem ebenen Gebiet oder dergleichen),
die durch den Benutzer während des nächsten Systemstarts
geplant oder angenommen wird, beliebig auswählen, ob das
Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten des Schritts S11 durchzuführen
ist oder nicht. Daher kann selbst bei einem Fall, bei dem der Steuerungsabschnitt 50 entscheidet, dass
das Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten erforderlich ist (Schritt
S7: „JA"), ein solches Verarbeiten zwangsweise verboten
werden. Andererseits kann umgekehrt selbst bei einem Fall, bei dem
der Steuerungsabschnitt 50 entscheidet, dass das Wassergehalt-Reduzierungsverarbeiten
nicht erforderlich ist (Schritt S7: „NEIN"), ein solches
Verarbeiten zwangsweise durchgeführt werden, und ein Komfort verbessert
sich.
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Es
sei bemerkt, dass das vorhergehende Ausführungsbeispiel
lediglich eine Darstellung der vorliegenden Erfindung ist und die
vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
begrenzt ist. Ein Handlungsmuster eines Benutzers, bei dem beispielsweise
der Benutzer jeden Morgen im Wesentlichen zu der vorbestimmten Zeit
per Auto pendelt, wird beispielsweise für eine vergleichsweise
kurze Dauer gelernt, oder es wird ein Handlungsmuster eines Benutzers
für eine mittlere oder lange Dauer, wie eine Monatseinheit
oder eine Jahreseinheit, gelernt. Während eines Betriebs
oder eines Betriebsstopps wird der nächste Startzeitpunkt
(Monat, Tag, Zeit oder dergleichen) erfasst, und die Temperatur während
des nächsten Systemstarts kann gemäß dem
Zeitpunkt und einer Wetter-(Temperatur-)Abbildung, bei der dem Zeitpunkt
eine Temperatur der Brennstoffzelle oder eine Temperatur, die eine
Korrelation mit der Temperatur hat, zugeordnet ist, geschätzt
werden. Diese Wetterabbildung kann von dem Brennstoffzellensystem 1 oder
dem Äußeren des Fahrzeugs geliefert werden oder
kann gelernt werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden ein Stoppen und ein Wiederaufnehmen
(eine Kältemittelsteuerung) einer Kältemittelzufuhr
gemäß einem Temperaturschätzungsresultat
einer Brennstoffzelle während des nächsten Systemstarts
gesteuert, so dass eine Verschwendung der Kältemittelsteuerung
während eines Systemstopps unterdrückt werden
kann. Die vorliegende Erfindung kann daher allgemein bei einem Brennstoffzellensystem,
das ein solches Erfordernis hat, und einem Verfahren zum Stoppen
eines Betriebs des Systems verwendet sein.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem und
Betriebsstoppverfahren desselben
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem,
das eine Brennstoffzelle 20, die in derselben eine Katalysatorschicht
hat und die eine Zufuhr eines reaktiven Gases empfängt,
um eine Leistung zu erzeugen, und ein Kältemittelsystem 73,
das der Brennstoffzelle ein Kältemittel zuführt,
um eine Temperatur der Brennstoffzelle zu steuern, aufweist, und
dieselbe bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Stoppen eines
Betriebs des Systems.
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Wenn
das System in einer Niedrigtemperaturumgebung betrieben wird, kann
das System infolge eines Gefrierens in der Brennstoffzelle nicht
neu gestartet werden. Während eines Stopps des Systems wurde
daher vorher eine Steuerung durchgeführt, so dass eine
Flussrate eines Kühlmittels zu der Brennstoffzelle reduziert
wird, um eine Kühlleistung zu senken, und der Betrieb der
Brennstoffzelle fortgesetzt wird, um die Temperatur der Brennstoffzelle
oder dergleichen zu steigern. Die Steuerung wird jedoch ungeachtet
einer Situation während des nächsten Systemstarts
durchgeführt, so dass ein Problem bestand, dass die Steuerung
nutzlos werden könnte.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird bei dem vorhergehenden System bei einem
Fall, bei dem angenommen wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 20 während
des nächsten Systemstarts eine vorbestimmte Temperatur
oder weniger ist, während des Systemstopps die Zufuhr des
Kältemittels gestoppt und nach einem Verstreichen einer
vorbestimmten Zeit die Zufuhr des Kältemittels wieder aufgenommen,
wodurch das vorhergehende Problem gelöst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-151601 [0003]
- - JP 2005-322527 [0003]