DE112007000300T5

DE112007000300T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007000300T5
Application number: DE112007000300T
Authority: DE
Inventors: Takahide Toyota Izutani; Nobuyuki Toyota Kitamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: KR20080091471A; US20090029200A1; KR101021996B1; JP2007207716A; CN101379644A; DE112007000300B4; DE112007000300B8; WO2007091137A1; US8277999B2; CN101379644B; JP5070707B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einer Brennstoffzelle;
einem Gaszufuhrkanal, der der Brennstoffzelle Gas zuführt;
einem Gasaustrittskanal, in den Gas von der Brennstoffzelle austritt;
einer Gassendevorrichtung, die Gas über den Gaszufuhrkanal zu der Brennstoffzelle sendet;
einem Restwassermengen-Berechnungsteil, der eine Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle, den Gaszufuhrkanal und den Gasaustrittskanal aufweist, basierend auf einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle und einer Umgebungsbedingung, unter der die Brennstoffzelle betrieben wird, berechnet;
einem Entscheidungsteil, der entscheidet, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht;
einem Betriebszeit-Berechnungsteil, der eine Zeit zum Betreiben der Gassendevorrichtung zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert gemäß der Betriebsbedingung und der Umgebungsbedingung berechnet; und
einem Steuerungsteil, der die Gassendevorrichtung bis zu dem...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Reduzieren von Wasser in einem Brennstoffzellensystem.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wenn in einer Brennstoffzelle und den Kanälen derselben überschüssiges Wasser vorhanden ist, wenn ein Festpolymer-Brennstoffzellen-(im Folgenden einfach Brennstoffzellen-)System gestoppt wird, besteht das Problem, dass der Wassergehalt gefriert, wenn das System während einer langen Zeitdauer unter dem Gefrierpunkt gelassen wird. Um einen stabilen Betrieb eines Brennstoffzellensystems selbst unter dem Gefrierpunkt zu erreichen, ist es notwendig, das Wasser aus den Kanälen in dem Brennstoffzellensystem zu entfernen, wenn das Brennstoffzellensystem gestoppt wird. Aus diesem Grund wird bei einem Brennstoffzellensystem, das Kanäle für ein Gas, das zirkuliert, aufweist, bewirkt, dass Gas in einem Kanal, der einen Gas-Flüssigkeits-Separator aufweist, zirkuliert (spült), um die Restwassermenge zu reduzieren. Wenn jedoch das Gasspülen in den Kanälen eines Brennstoffzellensystems eine lange Zeitdauer dauert, ist die Menge einer Zeit, während der das Brennstoffzellensystem gestoppt werden muss, lang, so dass bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems eine Schwierigkeit auftritt. Genauer gesagt, da eine Pumpe verwendet wird, um Spülgas und verdünnte Luft zuzuführen, bestehen die Probleme, dass für das Spülgas während einer langen Zeitdauer eine große Menge einer elektrischen Leistung verwendet wird und dass Lärm erzeugt wird, wenn die Pumpe angetrieben wird. Nachdem der Zündschalter auf „aus" gestellt wird, besteht zusätzlich das Problem, dass Zeit zum Verarbeiten des Stoppens des Brennstoffzellensystems erforderlich ist, was den Wert des Brennstoffzellensystems als ein Produkt reduziert.
Zusätzlich werden Protonen (Wasserstoffionen) innerhalb der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle durch Wassermoleküle bewegt. Bei einem Betreiben der Brennstoff zelle ist es, um eine Protonenmobilität zu erreichen, notwendig, die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle und die Nachbarschaft derselben zu befeuchten, um eine reibungslose Bewegung von Protonen zu erreichen. Aus diesem Grund ist es notwendig, das Brennstoffzellensystem selbst unterhalb des Gefrierpunkts reibungslos zu starten, und um eine stabile Betriebsbedingung zu erreichen, ist es notwendig, ein bestimmtes Maß an Wasser in der Brennstoffzelle zu haben.
Die vorhergehende verwandte Technik berücksichtigt nicht kurze Strecken, bei denen es zwischen dem Start einer elektrischen Erzeugung durch die Brennstoffzelle und dem Stoppen der elektrischen Erzeugung eine relativ kurze Dauer eines Betriebs gibt. Bei dem Fall kurzer Strecken bleibt die Temperatur in dem Brennstoffzellensystem niedrig, da die elektrische Erzeugung lediglich eine kurze Zeitdauer nach dem Starten der elektrischen Erzeugung in der Brennstoffzelle endet. Als ein Resultat gibt es innerhalb des Brennstoffzellensystems eine kleine Menge einer Verdampfung von Wasser und eine große Menge von Kondenswasser. Anders als Wasserdampf ist Kondenswasser schwierig zu spülen. Aus diesem Grund tendiert Restwasser dazu, sich in den Kanälen des Brennstoffzellensystems anzusammeln, so dass eine hohe Möglichkeit besteht, dass das Wasser nicht nach außerhalb der Kanäle entladen wird. Zusätzlich wird, wenn die Gasspülzeit gemäß der Zeit einer elektrischen Erzeugung angepasst wird, bei dem Fall einer kurzen Strecke die Gasspülzeit kurz, und es besteht eine große Möglichkeit, dass Restwasser nicht nach außerhalb der Kanäle entladen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat als eine Aufgabe die Schaffung einer Technik zum Steuern der in einem Brennstoffzellensystem verbleibenden Wassermenge auf eine geeignete Menge durch die angemessene Gasspülmenge und Gasspülzeit selbst bei dem Fall einer kurzen Strecke.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle; einem Gaszufuhrkanal, durch den Gas zu der Brennstoffzelle fließt; einem Gasaustrittskanal, der Gas aus der Brennstoffzelle austreten lässt; einer Gassendevorrichtung, die Gas über den Gaszufuhrkanal zu der Brennstoffzelle sendet; einem Restwassermengen-Berechnungsteil, der eine Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle, den Gaszufuhrkanal und den Gasaustrittskanal aufweist, basierend auf einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle und einer Umgebungsbedingung, unter der die Brennstoffzelle betrieben wird, berechnet; einem Entscheidungsteil, der entscheidet, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht; einem Betriebszeit-Berechnungsteil, der eine Zeit zum Betreiben der Gassendevorrichtung zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert gemäß der Betriebsbedingung und der Umgebungsbedingung berechnet; und einem Steuerungsteil, der die Gassendevorrichtung bis zu dem Ende der Betriebszeit betreibt, wobei der Betriebszeit-Berechnungsteil abhängig davon, ob einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht, eine unterschiedliche Betriebszeit berechnet. Bei diesem Aspekt wird basierend auf einer Zustandsgröße, die die Zeit einer elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle, die Menge der elektrischen Erzeugung und die Kühlmitteltemperatur umfasst, bestimmt, ob Restwasser in dem Brennstoffzellensystem gefriert oder nicht. Es wird eine für die Zustandsgröße passende Gasspülzeit bestimmt. Durch Durchführen eines Gasspülens während einer Gasspülzeit, die für die Zustandsgröße geeignet ist, ist es möglich, das Restwasser in dem Brennstoffzellensystem auf eine geeignete Menge zu steuern.
Das vorhergehende Brennstoffzellensystem kann ferner einen Gaszirkulationskanal, der den Gasaustrittskanal mit dem Gaszufuhrkanal verbindet, und einen Gas-Flüssigkeits-Separator haben, der Wasser von dem zu zirkulierenden Gas trennt, wobei die Gassendevorrichtung bewirkt, dass Gas in dem Gasaustrittskanal über den Gaszirkulationskanal in dem Gaszufuhrkanal zirkuliert.
Das vorhergehende Brennstoffzellensystem kann ferner einen Zähler haben, der eine Zahl von Malen aufzeichnet, bei denen es vorkommt, dass mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist, wobei der Betriebszeit-Berechnungsteil die Zeitdauer berechnet, um die Gassendevorrichtung zu betreiben, wenn die Zahl von Malen gleich einem oder größer als der vorgeschriebene Schwellenwert ist. Bei diesem Aspekt wird die Zahl von Malen gemessen, bei denen eine vorgeschriebene Zustandsgröße erreicht wird, und es ist möglich, gemäß der Zahl von Malen die für die Zustandsgröße passende Gasspülzeit zu bestimmen.
Bei dem vorhergehenden Brennstoffzellensystem kann der Steuerungsteil eine Erhöhung einer Antriebsmenge der Gassendevorrichtung um einen vorgeschriebenen Wert bewirken, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist. Dadurch ist es möglich, die Betriebszeit der Gassendevorrichtung zu reduzieren.
Bei dem vorhergehenden Brennstoffzellensystem kann der Steuerungsteil bewirken, dass die Gassendevorrichtung pulsiert, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist. Dadurch ist es möglich, die Betriebszeit der Gassendevorrichtung zu reduzieren.
Bei dem vorhergehenden Brennstoffzellensystem kann die Gassendevorrichtung eine Pumpe sein, und der Steuerungsteil kann bewirken, dass sich die Drehgeschwindigkeit der Pumpe um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist. Dadurch ist es möglich, die Betriebszeit der Pumpe zu verkürzen, und als ein Resultat ist es möglich, die Gasspülzeit zu verkürzen.
Bei dem vorhergehenden Brennstoffzellensystem kann die Gassendevorrichtung eine Pumpe sein, und der Steuerungsteil kann bewirken, dass sich die Drehgeschwindigkeit der Pumpe um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, und ferner eine Pulsation der Pumpe bewirken, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist. Dadurch ist es möglich, die Betriebszeit der Pumpe zu verkürzen, und als ein Resultat ist es möglich, die Gasspülzeit zu verkürzen.
Das vorhergehende Brennstoffzellensystem kann ferner eine Informationserfassungsvorrichtung, die Informationen erfasst, die eine Position des Brennstoffzellensystems, einen Monat und ein Datum und eine Außenlufttemperatur umfassen, und ferner eine Schätzvorrichtung haben, die basierend auf den Informationen eine Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem schätzt, wobei der Steuerungsteil bewirkt, dass sich eine Menge eines Antriebs der Gassendevorrichtung um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, wenn die Möglichkeit eines Gefrierens existiert. Dadurch ist es möglich, die Gewissheit eines Vermeidens des Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem selbst unter einer Bedingung zu erhöhen, unter der die Möglichkeit eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem besteht.
Das vorhergehende Brennstoffzellensystem kann ferner eine Informationserfassungsvorrichtung, die Informationen erfasst, die eine Position des Brennstoffzellensystems, einen Monat und ein Datum und eine Außenlufttemperatur umfassen, und ferner eine Schätzvorrichtung haben, die basierend auf den Informationen eine Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem schätzt, wobei der Steuerungsteil bewirkt, dass die Gassendevorrichtung pulsiert, wenn die Möglichkeit eines Gefrierens existiert. Dadurch ist es möglich, die Gewissheit eines Vermeidens des Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem selbst unter einer Bedingung zu erhöhen, unter der die Möglichkeit eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem besteht.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren von Wasser in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Gaszufuhrkanal zum Zuführen eines Gases zu der Brennstoffzelle und einem Gasaustrittskanal, der Gas aus der Brennstoffzelle austreten lässt. Bei diesem Verfahren sendet eine Gassendevorrichtung Gas über den Gaszufuhrkanal zu der Brennstoffzelle; ein Restwassermengen-Berechnungsteil berechnet eine Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle, den Gaszufuhrkanal und den Gasaustrittskanal aufweist, basierend auf einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle und einer Umgebungsbedingung, bei der die Brennstoffzelle betrieben wird; ein Entscheidungsteil entscheidet, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer Erzeugung einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht; ein Betriebszeit-Berechnungsteil berechnet eine Zeit zum Betreiben der Gassendevorrichtung zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert gemäß der Betriebsbedingung und der Umgebungsbedingung; ein Steuerungsteil betreibt die Gassendevorrichtung bis zu dem Ende der Betriebszeit, wobei derselbe abhängig davon, ob einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht, eine unterschiedliche Betriebszeit berechnet.
Das vorhergehende Verfahren zum Reduzieren eines Wassergehalts in einem Brennstoffzellensystem kann ferner mit einem Gaszirkulationskanal versehen sein, der den Gasaustrittskanal mit dem Gaszufuhrkanal verbindet, wobei durch die Gassendevorrichtung bewirkt wird, dass ein Gas in dem Gasaustrittskanal über den Gaszirkulationskanal in dem Gaszufuhrkanal zirkuliert, und wobei durch den Gas-Flüssigkeits-Separator Wasser von dem zu zirkulierenden Gas getrennt wird.
Gemäß dem vorhergehenden Aspekt ist es durch Spülen von Restwasser während einer für eine Zustandsgröße passenden Gasspülzeit möglich, das Restwasser in dem Brennstoffzellensystem auf eine geeignete Menge zu steuern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern verwendet sind, um gleiche Elemente darzustellen, offensichtlich. Es zeigen:
1 das Beispiel einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flussdiagramm, das den Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschreibt;
3 ein Beispiel der Beziehung zwischen einer Zustandsgröße und der Menge eines Restwassers, das in einem Brennstoffzellensystem verbleibt;
4 ein Beispiel der Beziehung einer Zustandsgröße und der Menge eines Restwassers, das in einem Brennstoffzellensystem verbleibt;
5 die Beziehung einer Entsprechung zwischen der Gasspül-(-zirkulations-)Zeit zum Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten und der Menge eines Restwassers; und
6 ein Flussdiagramm, das das Verarbeiten zum Fällen einer Entscheidung über das Vorhandensein der Möglichkeit eines Gefrierens basierend auf einem navigierten Bereich, Informationen über den Monat und Tag und Außentemperaturen und dergleichen und zum Ausführen des Aktivierens des Modus einer erzwungenen Wasserentladung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Vorrichtung für den Zweck eines Ausführens der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Folgende ist lediglich exemplarisch für den Aufbau von Ausführungsbeispielen und ist so zu verstehen, dass es den Aufbau von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht einschränkt.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Im Folgenden ist basierend auf 1 und 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt ein Beispiel der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem hat einen Brennstoffzellenstapel 1, einen Anodengaskanal 2, einen Anodenabgaskanal 3, einen Anodenabgas-Zirkulationskanal 4, einen Kathodengaskanal 5, einen Kathodenabgaskanal 6, einen Wasserstofftank 7, eine Wasserstoffpumpe 8, eine Pumpe 9, Einstellventile 10, 11, ein Filter 12, einen Befeuchter 13, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 14, einen Entwässerungstank 15, ein Wasserentladeventil 16, eine Steuerungseinheit 17, einen Restwassermengen-Berechnungsteil 18, ein Abluftventil 19, eine Zustandsgrößen-Messeinheit 20, einen Zähler 21 und eine Navigationseinheit 22.
Der Brennstoffzellenstapel 1 ist durch die Schichtung einer Mehrzahl von Zellen gebildet. Jede Zelle ist durch eine Anode (Brennstoffelektrode), eine Kathode (Luftelektrode) und einen Separator gebildet. Zwischen den Anoden und den Kathoden sind Flusskanäle für Sauerstoff und Luft gebildet. Der Anodengaskanal 2 ist ein Kanal, der der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 1 ein Anodengas zuführt, das Wasserstoff umfasst. Der Kathodengaskanal 5 ist ein Kanal, der der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 1 ein Kathodengas zuführt, das Luft umfasst.
Der Wasserstofftank 7 führt dem Anodengaskanal 2 ein Anodengas zu. Anodengas, das von dem Wasserstofftank 7 zugeführt wird, wird durch das Einstellventil 10 auf einen vorgeschriebenen Druck eingestellt. Das Anodengas wird von dem Anodengaskanal 2 den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt. Die Pumpe 9 (auch ein Luftkompressor genannt) wird angetrieben, um den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 ein Kathodengas, das von außerhalb des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, zuzuführen.
Wenn den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 ein Anodengas zugeführt wird, werden aus dem Wasserstoff, der in dem Anodengas enthalten ist, Wasserstoffionen erzeugt. Den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 wird Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, zugeführt. In dem Brennstoffzellenstapel 1 tritt eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff auf, um eine elektrische Energie zu erzeugen. Zusätzlich wird bei den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 durch die Reaktion von Wasserstoffionen, die aus dem Wasserstoff erzeugt werden, mit Sauerstoff Wasser erzeugt.
Der Befeuchter 13 befeuchtet die Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird. Die Luft wird befeuchtet, da die Elektrolytmembran bei dem Brennstoffzellenstapel 1 feucht bleiben muss, um in dem Brennstoffzellenstapel 1 eine angemessene elektrochemische Reaktion hervorzurufen. Der Wassergehalt in der Elektrolytmembran wird in feine Cluster getrennt, und da sich diese Cluster mit Sulfonsäureradikalen in der Elektrolytmembran verbinden, ist es für einen Wassergehalt in der Elektrolytmembran schwierig, zu gefrieren.
Nicht-reagiertes Gas des Anodengases, das den Anoden zugeführt wird, und Gas, das Stickstoff und dergleichen umfasst und sich von der Kathode verbreitet (worauf im Folgenden als ein Anodenabgas Bezug genommen ist) wird von dem Brennstoffzellenstapel 1 zu dem Anodenabgaskanal 3 gesandt. Nicht-reagiertes Gas des Kathodengases, das den Kathoden zugeführt wird (worauf im Folgenden als ein Kathodenabgas Bezug genommen ist) wird von dem Brennstoffzellenstapel 1 zu dem Kathodenabgaskanal 6 entladen. Kathodenabgas, das von den Kathoden entladen wird, geht durch den Kathodenabgaskanal 6 und wird nach außerhalb des Brennstoffzellensystems entladen.
Anodenabgas, das von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 entladen wurde, geht durch den Anodenabgaskanal 3 und den Anodenabgas-Zirkulationskanal 4 und wird zusammen mit Anodengas aus dem Wasserstofftank 7 erneut den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt. Da in dem Anodenabgaskanal 3 ein Gas-Flüssigkeits-Separator 14 angeordnet ist, führt der Anodenabgaskanal 3 Anodenabgas, das von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 entladen wird, dem Gas-Flüssigkeits-Separator 14 zu.
Der Gas-Flüssigkeits-Separator 14 trennt einen Wassergehalt und Gase, wie Wasserstoff und dergleichen, die in dem Anodenabgas, das von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 entladen wird, umfasst sind. Wasserstoff, der durch den Gas- Flüssigkeits-Separator 14 von dem Wassergehalt getrennt wird, geht als Anodengas durch den Anodenabgas-Zirkulationskanal 4 und wird dem Anodengaskanal 2 zugeführt. Der Anodenabgas-Zirkulationskanal 4 ist ein Kanal zum Zuführen von Anodengas, das von der Wasserstoffpumpe 8 gesandt wird, zu dem Anodengaskanal 2. Der Anodengaskanal 2 bildet durch den Anodenabgaskanal 3 und den Anodenabgas-Zirkulationskanal 4 den anodenseitigen Zirkulationsweg.
Der Entwässerungstank 15 sammelt einen Wassergehalt, der durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 14 getrennt wurde. Durch Öffnen und Schließen des Wasserentladeventils 16 wird Wasser, das sich in dem Entwässerungstank 15 angesammelt hat, nach außerhalb des Zirkulationswegs entladen. Das Wasserentladeventil 16 wird geeignet geöffnet und geschlossen, so dass Wasser, das sich in dem Entwässerungstank 15 ansammelt, nicht überfließt.
Die Steuerungseinheit 17 ist mit der Wasserstoffpumpe 8 und dem Wasserentladeventil 16 elektrisch verbunden und führt eine Steuerung eines Antreibens der Wasserstoffpumpe 8 und des Wasserentladeventils 16 durch. Der Restwassermengen-Berechnungsteil 18 sagt die Menge von Wasser voraus, die in dem Brennstoffzellensystem verbleibt. Der Ausdruck des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem bezieht sich auf Wasser, das in dem Brennstoffzellenstapel 1, dem Anodengaskanal 2, dem Anodenabgaskanal 3, dem Anodenabgas-Zirkulationskanal 4, der Wasserstoffpumpe 8, dem Gas-Flüssigkeits-Separator 14 und dem Entwässerungstank 15 existiert, und ist die Menge von Wasser, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt und das unter bestimmten Bedingungen gefrieren kann und trocknen muss.
Wenn sich die Menge von Verunreinigungen, wie Stickstoff, in dem Anodenabgas, das von den Anoden entladen wird, erhöht, entlädt das Abluftventil 19 das Anodenabgas (und das Anodengas, das durch die Wasserstoffpumpe 8 zirkuliert wird) und gibt dasselbe durch einen Verdünner (nicht dargestellt) nach außerhalb des Zirkulationswegs. Die Zustandsgrößen-Messeinheit 20 misst solche Größen wie die Impedanz (den Membranwiderstand) zwischen Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1, den angesammelten Lastwert (den angesammelten Stromwert), die Betriebszeit, die Kühlmitteltemperatur oder die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung, die Außenlufttemperatur und die Außenluftfeuchtigkeit und dergleichen.
Der Zähler 21 zeichnet die Zahl von Malen auf, bei denen kurze Strecken auftreten. Die Navigationseinheit 22 erfasst durch Empfangen eines GPS-(= Globales Positi onierungssystem)Signals von einem GPS-Satelliten die aktuellen Regionsinformationen für das Brennstoffzellensystem (Positionsinformationen) und das aktuelle Datum.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschreibt. Das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung führt das Verarbeiten von 2 aus, wenn ein Verarbeiten durchgeführt wird, um die elektrische Erzeugung in dem Brennstoffzellensystem zu stoppen. Beispielsweise wird, wenn der Zündschalter auf „aus" gestellt wird, eine Entscheidung getroffen, dass es eine Anweisung gab, das Brennstoffzellensystem zu stoppen, und es wird das Verarbeiten von 2 durchgeführt.
Zuerst wird ein Verarbeiten durchgeführt, um die elektrische Erzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu stoppen (Schritt S01). Genauer gesagt, ein Absperrventil (nicht dargestellt), das an dem Wasserstofftank 7 vorgesehen ist, wird geschlossen, um durch Absperren der Zuführung von Anodengas aus dem Wasserstofftank 7 eine elektrische Erzeugung zu stoppen. Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden, um ein Restwasser, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, zu spülen, ein Anodengas und ein Anodenabgas in dem Brennstoffzellensystem zirkuliert. Selbst nachdem ein Verarbeiten, um die elektrische Erzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu stoppen, durchgeführt wurde, wird durch Antreiben der Wasserstoffpumpe 8 ein Restwasser, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, gespült.
Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 steuert den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8, um zu bewirken, dass das Anodengas durch den Anodengaskanal 2 und in dem Brennstoffzellenstapel 1 zirkuliert. Ferner wird das Wasser, das in dem Anodenabgas, das von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 1 entladen wird, enthalten ist, durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 14 von Wasserstoff und dergleichen getrennt. Die Steuerungseinheit 17 steuert den Antrieb des Wasserentladeventils 16, um das getrennte Wasser nach außerhalb des Zirkulationswegs zu entladen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf das Verarbeiten, das Wasser, das nach einem Stoppen der elektrischen Erzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 1 in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, aus dem Gas-Flüssigkeits-Separator 14 entlädt, als ein Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten Bezug genommen.
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Spülen eines Restwassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, durch eine angemessen eingerichtete Gasspülzeit selbst bei dem Fall, bei dem eine kurze Strecke auftritt. Aus diesem Grund wird ein Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten mit unterschiedlichen Spülzeiten für das Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten bei dem Fall von kurzen Strecken und das Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten, wenn keine kurzen Strecken auftreten, durchgeführt.
Auf das Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten für den Fall, bei dem keine kurzen Strecken auftreten, wird als ein „normales Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten" Bezug genommen. Auf das Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten für den Fall, bei dem eine kurze Strecke auftritt, wird als ein „Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten" Bezug genommen. Zusätzlich ist, wenn einfach auf ein „Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten" Bezug genommen ist, dieser Ausdruck so zu verstehen, dass derselbe sowohl ein normales Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten als auch ein Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten umfasst.
Als Nächstes sagt der Restwassermengen-Berechnungsteil 18 aus einer Zustandsgröße unmittelbar vor einem Verarbeiten, um eine elektrische Erzeugung zu stoppen, die Menge eines Restwassers voraus, das zu der Zeit des Stoppens der elektrischen Erzeugung in dem Brennstoffzellensystem verbleibt (Schritt S02). Der Restwassermengen-Berechnungsteil 18 berechnet beispielsweise durch Durchführen eines Verarbeitens, um die Restwassermenge in dem Brennstoffzellensystem zu der Zeit eines Stoppens der elektrischen Erzeugung zu schätzen, ein Qini. Qini ist der geschätzte Wert der Menge von Wasser, das zu der Zeit eines Stoppens der elektrischen Erzeugung in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, der aus einer Zustandsgröße unmittelbar vor einem Verarbeiten, um die elektrische Erzeugung zu stoppen, vorausgesagt wird. Bei diesem Fall erfasst der Restwassermengen-Berechnungsteil 18 eine Zustandsgröße von der Zustandsgrößen-Messeinheit 20 und sagt die Restwassermenge in dem Brennstoffzellensystem voraus.
Zustandsgrößen umfassen die Impedanz (den Membranwiderstand) zwischen Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1, den angesammelten Lastwert (den angesammelten Stromwert), die Betriebszeit, die Temperatur oder die Menge einer Änderung der Temperatur des Kühlmittels, die Außenlufttemperatur und die Außenfeuchtigkeit oder dergleichen. Durch Messen der Impedanz zwischen Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1 ist es möglich, den Zustand einer Feuchtigkeit der Elektrolytmembran in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu kennen. Die Impedanz kann durch Anlegen eines Wechselstroms und einer Wechselspannung einer bestimmten Frequenz von einem elektrischen Hochspannungssystem zwischen den Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1 und Messen des Ansprechens gemessen werden. Die verwendete Impedanz ist der Wert unmittelbar vor dem Durchführen des Verarbeitens, um die elektrische Erzeugung zu stoppen. Durch eine konstante Messung der Impedanz, die die Bestimmung der Impedanz, direkt bevor die Erzeugung einer Elektrizität gestoppt wird, erlauben würde, ist es möglich, den Wert der Impedanz unmittelbar vor dem Verarbeiten, um die elektrische Erzeugung zu stoppen, zu verwenden.
Der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) ist die Gesamtmenge der erzeugten Elektrizität, und es ist möglich, durch Messen des angesammelten Lastwerts die Gesamtmenge des Wassers, das in der Brennstoffzelle erzeugt wird, zu kennen. Der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) kann in Einheiten von kJ bestimmt werden.
Die Betriebszeit ist die Menge einer Zeit, während der das Brennstoffzellensystem Elektrizität erzeugt. Zwischen dem Fall, bei dem die Zeit für eine Erzeugung von Elektrizität in dem Brennstoffzellensystem kurz ist, und die Zeit zum Erzeugen von Elektrizität lang ist, ist die Temperatur in den Kanälen bei dem Fall, bei dem die Zeit einer elektrischen Erzeugung kurz ist, selbst bei einer annähernd gleichen Menge einer elektrischen Erzeugung niedriger. Aus diesem Grund ist die Menge flüssigen Wassers bei dem Fall einer kurzen Zeit einer elektrischen Erzeugung größer als bei dem Fall einer langen Zeit einer elektrischen Erzeugung. Die Betriebszeit kann in Einheiten von Minuten oder Sekunden bestimmt werden.
Die Kühlmitteltemperatur ist die Temperatur des Kühlmittels (des Kühlwassers) (nicht dargestellt) in dem Brennstoffzellensystem. Hinsichtlich der Kühlmitteltemperatur oder der Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung ist anstatt des absoluten Werts die Menge einer relativen Änderung wichtig, die das Ausmaß einer Erwärmung beschreibt. Bei dem Fall, bei dem die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel 1 hoch ist, ist es für einen Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel 1 leicht, zu verdampfen und nach außerhalb des Brennstoffzellensystems zu gehen. Im Gegensatz dazu tendiert ein Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel 1 bei dem Fall, bei dem die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel 1 niedrig ist, dazu, nicht zu verdampfen und sich in dem Brennstoffzellensystem anzusammeln. Die Kühlmitteltemperatur oder die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung kann in Einheiten von °C bestimmt werden.
Da sich die Wärme, die von dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgestrahlt wird, abhängig von der Außenlufttemperatur unterscheidet, wirkt sich die Außenlufttemperatur auf die Kühlmitteltemperatur oder die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung aus. Ferner beeinflusst die Außenluftfeuchtigkeit die Feuchtigkeit in den Kanälen und beeinflusst daher die Menge eines Restwassers.
Die im Vorhergehenden beschriebenen Zustandsgrößen sind die Zustandsgrößen innerhalb einer vorgeschriebenen Menge einer Zeit unmittelbar nach dem Stoppen der elektrischen Erzeugung. Es ist ferner möglich, bei dem Voraussagen der Menge des Restwassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, nachdem die elektrische Erzeugung gestoppt wird, eine Mehrzahl der im Vorhergehenden angegebenen Zustandsgrößen zu kombinieren.
3 und 4 zeigen die Beziehung zwischen den Zustandsgrößen und der Menge des Restwassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt. In 3 ist für den Fall, bei dem der angesammelte Lastwert klein ist, ein kleiner Wert einer Restwassermenge, die in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, angezeigt, und für den Fall, bei dem der angesammelte Lastwert groß ist, ist ein großer Wert einer Restwassermenge in dem Brennstoffzellensystem angezeigt. In 4 ist für den Fall einer hohen Kühlmitteltemperatur ein kleiner Wert einer Restwassermenge in dem Brennstoffzellensystem angezeigt, und für den Fall, bei dem die Kühlmitteltemperatur niedrig ist, ist ein großer Wert eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem angezeigt.
Die Beziehungen wie diese zwischen der Impedanz (dem Membranwiderstand) zwischen den Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1, der angesammelten Lastmenge (der angesammelten Strommenge), der Betriebszeit, der Kühlmitteltemperatur oder der Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung, der Außenlufttemperatur, der Außenluftfeuchtigkeit und dergleichen und der Menge des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, können durch empirisch erhaltene Gleichungen bestimmt werden.
Alternativ ist es möglich, die Beziehung zwischen der Menge des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, und der Impedanz (dem Membranwiderstand) zwischen den Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1, dem angesammelten Lastwert (dem angesammelten Stromwert), der Betriebszeit, der Kühlmitteltemperatur oder der Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung, der Außenlufttemperatur oder der Außenfeuchtigkeit und dergleichen durch vorheriges Abbilden und Bezugnehmen auf diese Abbildung (diese Tabelle) abzubilden, um die Beziehung zu bestimmen. Der Restwassermengen-Berechnungsteil 18 berechnet ein Qini gemäß einer empirischen Gleichung oder einer Abbildung. Beispielsweise ist von den Zustandsgrößen auf die Impedanz (den Membranwiderstand) zwischen Elektroden des Brennstoffzellenstapels 1, den angesammelten Lastwert (den angesammelten Stromwert), die Betriebszeit und die Kühlmitteltemperatur oder die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung und dergleichen als eine Betriebsgeschichte oder Betriebszustände Bezug genommen. Von den Zustandsgrößen ist auf die Außentemperatur und die Außenfeuchtigkeit und dergleichen als eine Verwendungsumgebung oder Betriebsumgebung Bezug genommen.
Zu 2 zurückkehrend, weist die Steuerungseinheit 17 einen Entscheidungsteil auf, der entscheidet, ob eine kurze Strecke aufgetreten ist oder nicht. Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 trifft eine Entscheidung, ob die verstrichene Zeit Ta (die Betriebszeit) ab dem Start einer elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung unter einem vorgeschriebenen Schwellenwert A liegt (Schritt S03).
In diesem Fall erfasst die Steuerungseinheit 17 die verstrichene Zeit Ta (die Betriebszeit) ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung von der Zustandsgrößen-Messeinheit 20. Der vorgeschriebene Schwellenwert A ist ein Wert, der als ein Kriterium bei dem Entscheiden verwendet wird, ob eine kurze Strecke aufgetreten ist oder nicht. Die verstrichene Zeit Ta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung ist die Zeit eines elektrischen Erzeugens des Brennstoffzellensystems. Bei dem Fall, bei dem die Zeit einer elektrischen Erzeugung kurz ist, ist die Menge eines Wassers, das flüssig ist, verglichen mit dem Fall, bei dem die Zeit der elektrischen Erzeugung lang ist, groß. Bei diesem Fall erfolgt bei einem normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten ein unzureichendes Spülen des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem. Aus diesem Grund erfolgt bei dem Fall, bei dem die verstrichene Zeit Ta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert A ist, eine Entscheidung, dass eine kurze Strecke aufgetreten ist.
Bei dem Fall, bei dem die verstrichene Zeit Ta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert A ist, inkrementiert die Steuerungseinheit 17 den Wert des Zählers 21 um Eins (Schritt S04).
Wenn im Gegensatz dazu die verstrichene Zeit Ta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung größer als der vorgeschriebene Schwellenwert A ist, trifft die Steuerungseinheit 17 eine Entscheidung, ob der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) Wa ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung unter einem vorgeschriebenen Schwellenwert B liegt oder nicht (Schritt S05).
Der vorgeschriebene Schwellenwert B ist ein Wert, der als ein Kriterium zum Entscheiden dient, ob eine kurze Strecke aufgetreten ist oder nicht. Wenn der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) Wa ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung den vorgeschriebenen Schwellenwert B nicht erreicht hat, besteht eine Möglichkeit, dass sich das Brennstoffzellensystem im Inneren nicht erwärmt hat. In diesem Fall erfolgt bei einem normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten ein unzureichendes Spülen des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt. Aus diesem Grund führt die Steuerungseinheit 17 bei dem Fall, bei dem der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) Wa ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert B ist, das Verarbeiten des Schritts S04 durch und nimmt an, dass eine kurze Strecke aufgetreten ist.
Bei der Entscheidung des Schritts S05 trifft die Steuerungseinheit 17 bei dem Fall, bei dem der angesammelte Lastwert (der angesammelte Stromwert) Wa ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung nicht unter dem vorgeschriebenen Schwellenwert B liegt, eine Entscheidung, ob die Kühlmitteltemperaturmenge (die Temperaturänderung des Kühlwassers) Wta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung unter einem vorgeschriebenen Schwellenwert C liegt oder nicht (Schritt S06).
Der vorgeschriebene Schwellenwert C ist ein Wert, der als ein Kriterium zum Entscheiden dient, ob eine kurze Strecke aufgetreten ist oder nicht. Wenn die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung (die Temperaturänderung des Kühlwassers) Wta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung den vorgeschriebenen Schwellenwert C nicht erreicht hat, ist die Menge einer Wärme, die durch das Brennstoffzellensystem freigesetzt wird, niedrig, und es besteht eine Möglichkeit, dass die Temperatur in dem Brennstoffzellensystem nicht hoch ist. Aus diesem Grund führt die Steuerungseinheit 17 bei dem Fall, bei dem die Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung (die Temperaturänderung des Kühlwassers) Wta ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung unter dem Schwellenwert C liegt, das Verarbeiten des Schritts S04 durch und nimmt an, dass eine kurze Strecke aufgetreten ist. Bei diesem Fall ist es möglich, anstatt der Menge einer Kühlmitteltemperaturänderung (der Temperaturänderung des Kühlwassers) Wta die Kühlmitteltemperatur (die Kühlwassertemperatur) zu verwenden.
Wenn der Wert des Zählers 21 (bei dem Fall einer positiven Entscheidung bei einem der Schritte S03, S05 und S06) um Eins inkrementiert (hochgezählt) wird, trifft die Steuerungseinheit 17 eine Entscheidung, ob der Wert des Zählers 21 einen vorgeschriebenen Schwellenwert D erreicht oder überschritten hat (Schritt S07). Der vorgeschriebene Schwellenwert D kann ein Wert zwischen Eins und N sein.
Selbst wenn eine kurze Strecke aufgetreten ist, gibt es Fälle, bei denen es abhängig von der Menge des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, und den Zustandsgrößen nicht notwendig ist, ein Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten durchzuführen. In diesem Fall ist es ausreichend, dass ein Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten durchgeführt wird, wenn eine vorgeschriebene Zahl von Malen eine kurze Strecke aufgetreten ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch Vorsehen des Zählers 21 ein Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten durchgeführt, wenn eine vorgeschriebene Zahl von Malen eine kurze Strecke aufgetreten ist.
Dieses Ausführungsbeispiel ist das Beispiel, bei dem der Zähler 21 bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten vorgesehen ist. Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt, und es kann beispielsweise das folgende, in 2 gezeigte Verarbeiten durchgeführt werden, ohne den Zähler 21 bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten vorzusehen.
In diesem Fall ist es, nachdem bei einem der Schritte S03, S05 und S06 eine positive Entscheidung getroffen wurde, dass eine kurze Strecke aufgetreten ist, ausreichend, das Verarbeiten des Schritts S08 durchzuführen, ohne eine Entscheidung hinsichtlich der Zahl von aufgetretenen kurzen Strecken zu treffen (Verarbeiten der Schritte S04 und S07).
Als Nächstes verwendet bei dem Fall, bei dem der Wert des Zählers 21 den vorgeschriebenen Schwellenwert D erreicht oder überschritten hat, der in der Steuerungseinheit 17 enthaltene Betriebszeit-Berechnungsteil Qini, um die erforderliche Gasspülzeit T-f zu berechnen (Schritt S08). Genauer gesagt wird ein vorheriges Abbilden der Beziehung zwischen Qini und der Menge einer Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulations-Verarbeitungszeit, die erforderlich ist, um das Restwasser in dem Brennstoffzellensystem auf eine angemessene Größe (Qreq) zu spülen, durchgeführt. Dann wird die erforderliche Spülzeit T-f, die einem Wert von Qini entspricht, aus der Abbildung bestimmt.
Die angemessene Größe (Qreq) ist die Restwassermenge, die eine Vermeidung eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem ermöglicht. Die angemessene Menge (Qreq) kann daher als der geeignete Wert für den Zweck des Vermeidens des Gefrierens des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, bestimmt werden. Die angemessene Größe (Qreq) ist von der MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) und den Teilkomponenten abhängig. Zusätzlich ist der Wert der angemessenen Größe (Qreq) ein Wert, der abhängig davon, ob die Betriebsumgebung des Brennstoffzellensystems bei diesem Ausführungsbeispiel eine kalte Region oder eine warme Region ist, variiert.
Die erforderliche Spülzeit T-f ist die Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeitungszeit, die erforderlich ist, um das Restwasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu spülen. Die erforderliche Spülzeit T-f wird als ein geeigneter Wert für den Zweck des Vermeidens des Gefrierens des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, bestimmt. Die erforderliche Spülzeit T-f wird bei dem Durchführen des Spül- und Zirkulationsverarbeitens in dem Brennstoffzellensystem als eine Zeit bestimmt, die die geeignete Menge eines Spülens bei dem Fall ist, bei dem eine kurze Strecke auftritt. Beispielsweise besteht bei dem Fall, bei dem eine kurze Strecke auftritt, verglichen mit dem Fall einer normalen Betriebsgeschichte (einer Betriebsgeschichte, bei der keine kurze Strecke vorkommt), eine Möglichkeit, dass die Temperatur bei dem Brennstoffzellensystem niedrig ist. Aus diesem Grund gibt es, selbst wenn bei dem Fall, bei dem eine kurze Strecke aufgetreten ist, ein normales Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten durchgeführt wird, Fälle, bei denen es nicht möglich ist, das Gefrieren des Wassers, das in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, zu verhindern. Angesichts dessen wird bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten die erforderliche Gasspülzeit T-f als ein Wert bestimmt, der sich von dem normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten unterscheidet.
Genauer gesagt, es wird basierend auf einer Zustandsgröße ein Abbilden der Beziehung zwischen Qini und der erforderlichen Gasspülzeit T-f durchgeführt. Die Zustandsgröße, die als das Kurzstrecken-Kriterium dient (beispielsweise die Betriebszeit), wird zu einem kleinen Wert gemacht. Aus diesem Grund wird bei dem Fall des Abbildens der Kurzstrecken-Gasspülung und -zirkulation die Zustandsgröße zu einem kleinen Wert gemacht. Es ist daher für den Teil, der ein Abbilden unter Verwendung eines kleinen Werts einer Zustandsgröße durchführt, notwendig, eine detailliertere Erzeugung durchzuführen. Durch Durchführen einer Erzeugung mit mehr Details für den Teil, der einen kleinen Wert einer Zustandsgröße verwendet, ist es möglich, die erforderliche Gasspülzeit T-f mit einer verbesserten Genauigkeit zu berechnen. Die erforderliche Gasspülzeit T-f kann in Einheiten von Sekunden bestimmt werden.
Als Nächstes führt die Steuerungseinheit 17 eine Antriebssteuerung der Wasserstoffpumpe 8 durch (Schritt S09). Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 steuert den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8, um die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 zu erhöhen.
Alternativ kann die Steuerungseinheit 17, anstatt den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 zu steuern, um die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe zu erhöhen, den Antrieb der Drehung der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise schalten. Zusätzlich kann die Steuerungseinheit 17 den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 steuern, um die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 zu erhöhen, und ferner den Antrieb der Drehung der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise schalten.
Die in diesem Fall erforderliche Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 (das heißt, die Erhöhung der U/min der Wasserstoffpumpe 8) kann empirisch (oder durch eine Simulation) bestimmt werden. Die Speisegeschwindigkeit (die Entladegeschwindigkeit) der Wasserstoffpumpe 8 nach einem Schalten des Antriebs derselben auf eine pulsierende Art und Weise kann empirisch (oder durch eine Simulation) bestimmt werden.
Auf das (1) Steuern des Antriebs der Wasserstoffpumpe 8, um die U/min derselben zu erhöhen, (2) Durchführen einer Steuerung, um den Drehantrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise zu schalten, und (3) Steuern des Antriebs der Wasserstoffpumpe 8, um die U/min derselben zu erhöhen, und ferner Durchführen einer Steuerung, um den Drehantrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise zu schalten, ist als ein Stellen des Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" Bezug genommen.
5 zeigt die Beziehung einer Entsprechung zwischen der Menge des Restwassers und der Gasspül-(-zirkulations-)Zeit des Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens. Die Kurve X in 5 ist ein Beispiel der Beziehung einer Entsprechung zwischen der Menge des Restwassers und der Gasspül-(-zirkulations)Zeit für ein normales Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten. Die Kurve Y ist ein Beispiel der Beziehung einer Entsprechung zwischen der Menge des Restwassers und der Gasspül-(-zirkulations-)Zeit für den Fall, bei dem der Modus einer erzwungenen Wasserentladung bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten auf „ein" gestellt ist. Die Kurve Y zeigt eine größere Menge einer Reduzierung der Restwassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 1 hinsichtlich der Gasspül-(-zirkulations-)Zeit als die Kurve X.
Auf diese Art und Weise wird bei dem Fall eines Stellens des Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten die Restwassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 1 schneller reduziert als bei dem Fall eines Durchführens eines normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens. Bei dem Fall der gleichen Restwassermenge ist daher die Menge einer Zeit, die erforderlich ist, um die angemessene Menge (Qreq) zu erreichen, kürzer als bei dem Fall des Durchführens des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens. Als ein Resultat ist die Zeit, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellensystem fertig zu stellen, verkürzt.
Bei dem Fall eines Antreibens der Wasserstoffpumpe 8, um die Drehgeschwindigkeit derselben zu erhöhen, kann die Steuerungseinheit 17 die erforderliche Gasspülzeit T-f nach einem Erhöhen der U/min der Wasserstoffpumpe 8 neu berechnen. Zusätzlich kann die Steuerungseinheit 17 bei dem Fall eines Durchführens einer Steuerung des Schaltens des Drehantriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise die erforderliche Gasspülzeit T-f nach dem Schalten des Drehantriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise neu berechnen.
Bei dem Fall eines Steuerns des Antriebs der Wasserstoffpumpe 8, um die Drehgeschwindigkeit derselben zu erhöhen, und ferner eines Durchführens einer Steuerung des Schaltens des Drehantriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise kann die Einheit die erforderliche Gasspülzeit T-f nach dem Erhöhen der Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 und ferner nach dem Durchführen einer Steuerung des Schaltens des Drehantriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise neu berechnen. In diesen Fällen kann ein anschließendes Verarbeiten (Schrit te S10 und S11 in 2) unter Verwendung der neu berechneten erforderlichen Gasspülzeit T-f durchgeführt werden.
Das im Vorhergehenden beschriebene Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem der Modus einer erzwungenen Wasserentladung bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten auf „ein" gestellt ist. Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art und Weise eingeschränkt und kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Modus einer erzwungenen Wasserentladung bei dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten nicht auf „ein" gestellt ist. Das heißt, das Gasspülen für kurze Strecken kann durch Ändern der Gasspülzeit in dem Modus einer normalen Wasserentladung berücksichtigt sein. In diesem Fall wird nach dem Verarbeiten des Schritts S08 das Verarbeiten des Schritts S10 durchgeführt, ohne das Verarbeiten von S09 durchzuführen.
Die Steuerungseinheit 17 trifft eine Entscheidung, ob die Gasspül- und -zirkulationsverarbeitungszeit für eine kurze Strecke die erforderliche Gasspülzeit T-f erreicht hat oder nicht (Schritt S10). Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 erfasst die verstrichene Zeit t-f des Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens für eine kurze Strecke von einem Zeitgeber (nicht dargestellt), der die Zeit des Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens zählt, und vergleicht diese mit der erforderlichen Gasspülzeit T-f. Die Steuerungseinheit 17 trifft eine Entscheidung, ob die erfasste verstrichene Zeit t-f des Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens ein Wert ist, der gleich der oder größer als die erforderliche Gasspülzeit T-f ist.
Wenn die Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeitungszeit die erforderliche Gasspülzeit T-f nicht erreicht hat, fährt die Steuerungseinheit 17 mit dem Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten fort. Wenn jedoch die Kurzstrecken-Gasspül- und -zirkulationsverarbeitungszeit die erforderliche Gasspülzeit T-f erreicht hat, führt die Steuerungseinheit 17 eine Steuerung durch, um den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 zu stoppen (Schritt S11).
Wenn die Steuerungseinheit 17 eine Steuerung durchführt, um die Wasserstoffpumpe 8 zu stoppen, wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt.
Bei der Entscheidung des Schritts S06 berechnet der in der Steuerungseinheit 17 enthaltene Betriebszeit-Berechnungsteil, wenn die Entscheidung getroffen wird, dass die Menge einer Änderung der Kühlmitteltemperatur (einer Temperaturänderung des Kühl wassers) ab dem Start der elektrischen Erzeugung bis zu dem Stoppen der elektrischen Erzeugung nicht unter dem vorgeschriebenen Schwellenwert C liegt, die erforderliche Gasspülzeit T-u unter Verwendung von Qini (Schritt S12). Da das spezifische Berechnungsverfahren das gleiche ist wie das Verfahren zum Berechnen der erforderlichen Gasspülzeit T-f unter Verwendung von Qini bei dem Schritt S08, wird dasselbe hierin nicht beschrieben.
Die erforderliche Gasspülzeit T-u ist die Zeit, die bei dem normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten erforderlich ist, um Restwasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu spülen. Die erforderliche Gasspülzeit T-u wird als ein geeigneter Wert zum Vermeiden des Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem berechnet. Die erforderliche Gasspülzeit T-u kann in Einheiten von Sekunden bestimmt werden. Wenn die Entscheidung bei dem Schritt S07 lautet, dass der Wert des Zählers den vorgeschriebenen Schwellenwert D nicht erreicht oder überschritten hat, wird das Verarbeiten des Schritts S12 durchgeführt.
Die Steuerungseinheit 17 fällt eine Entscheidung, ob die Zeit des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens die erforderliche Gasspül- und -zirkulationszeit T-u erreicht hat oder nicht (Schritt S13). Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 erfasst die verstrichene Zeit t-u des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens von dem Zeitgeber (nicht dargestellt), der die Zeit des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens zählt, und vergleicht diese mit der erforderlichen Gasspülzeit T-u. Die Steuerungseinheit 17 entscheidet dann, ob die erfasste verstrichene Zeit t-u des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens gleich einem oder größer als die erforderliche Gasspülzeit T-u ist.
Wenn die Zeit des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens die erforderliche Gasspülzeit T-u nicht erreicht hat, fährt die Steuerungseinheit 17 mit dem normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten fort. Wenn jedoch die Zeit des normalen Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens die erforderliche Gasspülzeit T-u erreicht hat, wird das Verarbeiten des Schritts S11 durchgeführt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird, selbst wenn eine kurze Strecke auftritt, eine angemessene Gasspülzeit zum Spülen des Restwassers in dem Brennstoffzellenstapel 1 bestimmt. Aus diesem Grund ist es möglich, die Restwassermenge in dem Brennstoffzellensystem auf eine angemessene Menge zu steuern, die ein Gefrieren vermeidet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ferner bei dem Fall, bei dem eine kurze Stre cke auftritt, der Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 gesteuert, um die Drehgeschwindigkeit derselben zu erhöhen, und es wird eine Steuerung durchgeführt, um den Drehantrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise zu schalten. Als ein Resultat ist es möglich, ein Gefrieren des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem zuverlässig zu vermeiden. Bei dem Fall, bei dem eine kurze Strecke auftritt, ist es wegen der Fähigkeit, die angemessene Gasspülzeit zu berechnen, möglich, die Ansammlung von Wasser, die durch ein unzureichendes Gasspülen bewirkt wird, zu hemmen.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Im Folgenden ist das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist für den Fall beschrieben, bei dem während des Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens basierend auf der durchfahrenen Region, den Informationen über den Monat und den Tag und der Außenlufttemperatur und dergleichen eine Entscheidung getroffen wird, ob eine Möglichkeit eines Gefrierens besteht oder nicht, und bei dem der Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" gestellt wird. Da andere Teilelemente und Wirkungen die gleichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind, sind denselben die gleichen Ziffern zugewiesen und sind dieselben hierin nicht beschrieben. Je nach Notwendigkeit wird auf 1 bis 5 Bezug genommen.
6 zeigt das Verarbeiten eines Fällens einer Entscheidung, ob eine Möglichkeit eines Gefrierens besteht oder nicht, basierend auf der navigierten Region, den Informationen über den Monat und den Tag und der Außenlufttemperatur und dergleichen, und eines Stellens des Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein".
Die Steuerungseinheit 17 erfasst zuerst Navigationsdaten und die Außenlufttemperatur (Schritt S101). Genauer gesagt, die Steuerungseinheit 17 erfasst Navigationsdaten von der Navigationseinheit 22. Navigationsdaten weisen die aktuellen Regionsinformationen (Positionsinformationen) für das Brennstoffzellensystem und das aktuelle Datum und dergleichen auf. Die Navigationseinheit 22 erfasst die aktuellen Regionsinformationen (Positionsinformationen) für das Brennstoffzellensystem und das aktuelle Datum und dergleichen von einem GPS-Satelliten. Die Steuerungseinheit 17 erfasst die aktuelle Außenlufttemperatur von der Zustandsgrößen-Messeinheit 20.
Obwohl dieses Ausführungsbeispiel ein Beispiel ist, bei dem die Navigationseinheit 22 das aktuelle Datum in dem Brennstoffzellensystem von einem GPS-System er fasst, ist das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Art und Weise eingeschränkt, und die Navigationseinheit 22 kann beispielsweise das aktuelle Datum von einem Taktgeber (nicht dargestellt), der in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, erfassen.
Als Nächstes entscheidet die Steuerungseinheit 17, die einen Gefrierschätzungsteil hat, der entscheidet, ob nach dem Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten die Möglichkeit eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem besteht, die Möglichkeit eines Gefrierens (Schritt S102). Die Möglichkeit eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem bei dem Fall, bei dem ein Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten durchgeführt wird, ist die Schätzung der Wahrscheinlichkeit, dass Restwasser, das nach einem Betrieb des Brennstoffzellensystems in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, gefriert. Genauer gesagt, die Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in einem Brennstoffzellensystem wird durch eine tatsächliche Messung (oder eine Simulation) basierend auf den aktuellen Regionsinformationen (Positionsinformationen) des Brennstoffzellensystems, dem aktuellen Datum, der aktuellen Außenlufttemperatur, der angemessenen Größe (Qreq) und einer Zustandsgröße bestimmt.
Wenn die Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in einem Brennstoffzellensystem nach einem Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten besteht, stellt die Steuerungseinheit 17 den Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" (Schritt S103) und fährt dann, wenn der Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" gestellt ist, mit dem Durchführen des Gasspül- und -zirkulationsverarbeitens fort. In diesem Fall können, nachdem die U/min erhöht werden, die U/min (das heißt, kann die Erhöhung der U/min) der Wasserstoffpumpe 8 durch ein Experiment (oder eine Simulation) basierend auf den aktuellen Regionsinformationen (Positionsinformationen) des Brennstoffzellensystems, dem aktuellen Datum, der aktuellen Außenlufttemperatur, der angemessenen Größe (Qreq) und einer Zustandsgröße bestimmt werden.
Die Antriebsmenge der Wasserstoffpumpe 8 nach einem Schalten des Antriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise kann durch ein Experiment (oder eine Simulation) basierend auf den aktuellen Regionsinformationen (Positionsinformationen) des Brennstoffzellensystems, dem aktuellen Datum, der aktuellen Außenlufttemperatur und der angemessenen Menge (Qreq) und einer Zustandsgröße bestimmt werden.
Bei dem Fall, bei dem der Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 gesteuert wird, um die Drehgeschwindigkeit derselben zu erhöhen, kann die Steuerungseinheit 17 die erforderliche Gasspülzeit T-f oder die erforderliche Gasspülzeit T-u, nachdem die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 erhöht wird, neu berechnen. Zusätzlich kann die Steuerungseinheit 17 bei dem Fall, bei dem eine Steuerung durchgeführt wird, so dass der Drehantrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise geschaltet wird, die erforderliche Gasspülzeit T-f oder die erforderliche Gasspülzeit T-u, nachdem der Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise geschaltet wird, neu berechnen.
Bei dem Fall, bei dem der Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 gesteuert wird, um die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 zu erhöhen, und ferner eine Steuerung durchgeführt wird, um den Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise zu schalten, kann die Steuerungseinheit 17, nachdem die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 8 erhöht wird, und nach einem Schalten des Drehantriebs der Wasserstoffpumpe 8 auf eine pulsierende Art und Weise die erforderliche Gasspülzeit T-f oder die erforderliche Gasspülzeit T-u neu berechnen. In diesen Fällen kann das Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten unter Verwendung der neu berechneten erforderlichen Gasspülzeit T-f oder der neu berechneten Gasspülzeit T-u durchgeführt werden.
Bei dem Fall, bei dem keine Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem nach dem Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten besteht, stellt die Steuerungseinheit 17 den Modus einer erzwungenen Wasserentladung nicht auf „ein" (Schritt S104) und fahrt mit dem Gasspül- und -zirkulationsverarbeiten fort, ohne den Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" zu schalten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird basierend auf der Region, den Informationen über den Monat und den Tag und dergleichen eine Entscheidung über die Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem getroffen. Als ein Resultat ist es möglich, die Gewissheit eines Vermeidens des Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem selbst in einer Umgebung zu erhöhen, in der eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Gefrierens des Restwassers in dem Brennstoffzellensystem besteht. Da nach einem Stellen des Modus einer erzwungenen Wasserentladung auf „ein" eine angemessene Gasspülzeit berechnet werden kann, ist es möglich, ein Ansammeln von Wasser aufgrund eines unzureichenden Gasspülens zu hemmen.
(Variation)
Obwohl bei dem Brennstoffzellensystem des im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiels ein Gasspülverarbeiten durch einen Antrieb der Wasserstoffpumpe 8 durchgeführt wird, kann die Menge eines Wassergehalts in dem Brennstoffzellensystem oder in dem anodenseitigen Kanal anstatt durch Verwenden der Wasserstoffpumpe 8 durch Zuführen eines Inertgases (beispielsweise Stickstoff) reduziert werden. In diesem Fall ist die Quelle des Inertgases vorgesehen, um mit dem Anodengaskanal 2 verbunden zu sein, und es ist möglich, durch Steuern der Zufuhr des Inertgases die gleiche Wirkung wie durch Antreiben der Wasserstoffpumpe 8 zu erreichen. Bei dem Fall eines Verwendens eines Inertgases können der Anodengaskanal 2 und der Anodenabgaskanal 3 ferner als ein Zufuhrkanal für das Inertgas und ein Entladekanal für das Inertgas verwendet sein.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel hat das Brennstoffzellensystem eine Wasserstoffpumpe 8 und einen Gas-Flüssigkeits-Separator 14 auf der Anodenseite. Wie die Wasserstoffpumpe 8 kann beispielsweise die Pumpe 9 auf der Kathodenseite verwendet sein, um ein Gasspülen von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem durchzuführen.
Der Gas-Flüssigkeits-Separator 14 in dem Anodenabgaskanal 3 kann in dem Kathodenabgaskanal 6 vorgesehen sein. Zusätzlich können in diesem Fall in dem Gas-Flüssigkeits-Separator 14 ein Entwässerungstank 15 und ein Wasserentladeventil 16 vorgesehen sein.
Bei dem Fall eines Vorsehens des Gas-Flüssigkeits-Separators in dem Kathodenabgaskanal 6 kann ein Kathodenabgas-Zirkulationskanal vorgesehen sein, wobei Luft, die zu dem Kathodenabgaskanal 6 entladen wird, durch den Kathodenabgas-Zirkulationskanal geht und zusammen mit dem von außerhalb des Brennstoffzellensystems zugeführten Kathodengas den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 erneut zugeführt wird. Durch Vorsehen dieses Kathodenabgas-Zirkulationskanals ist durch den Kathodengaskanal 5, den Kathodenabgaskanal 6 und den Kathodenabgas-Zirkulationskanal ein kathodenseitiger Zirkulationsweg gebildet. Durch Steuern des Antriebs der Pumpe 9 und des Gas-Flüssigkeits-Separators 14 ist es möglich, Restwasser in dem Brennstoffzellensystem nach außerhalb des Zirkulationswegs zu entladen.
Wenn in dem Anodengaskanal 2 eine Wasserstoffpumpe 8 und ein Gas-Flüssigkeits-Separator 14 vorgesehen sind, kann beispielsweise die Pumpe 9 verwendet sein, um ein Gasspülen von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem durchzuführen. In dem Kathodenabgaskanal 6 kann ein Kathoden-Gas-Flüssigkeits-Separator vorgesehen sein, und in diesem Fall können in dem Kathoden-Gas-Flüssigkeits-Separator ein Entwässerungstank 15 und ein Wasserentladeventil 16 vorgesehen sein.
Bei dem vorhergehenden Fall kann ebenfalls ein Kathodenabgas-Zirkulationskanal vorgesehen sein, wobei Luft, die zu dem Kathodenabgaskanal 6 entladen wird, durch den Kathodenabgas-Zirkulationskanal geht und zusammen mit dem von außerhalb des Brennstoffzellensystems zugeführten Kathodengas den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 erneut zugeführt wird. Durch Vorsehen dieses Kathodenabgas-Zirkulationskanals ist ein kathodenseitiger Zirkulationsweg gebildet. Durch Steuern der Wasserstoffpumpe 8, der Pumpe 9, des Gas-Flüssigkeits-Separators 14 und des kathodenseitigen Gas-Flüssigkeits-Separators einzeln oder gemeinsam ist es möglich, Restwasser in dem Brennstoffzellensystem nach außerhalb des Zirkulationswegs zu entladen.
Obwohl es sich bei dem im Vorhergehenden angegebenen Ausführungsbeispiel um ein Beispiel handelt, bei dem ein Anodenabgas-Zirkulationsweg auf der Anodenseite vorgesehen ist, ist es durch Anordnen einer Pumpe auf die gleiche Art und Weise auf der Kathodenseite und Steuern des Antriebs derselben anstatt eines Vorsehens eines Anodenabgas-Zirkulationswegs selbst bei dem Fall, bei dem eine kurze Strecke auftritt, möglich, durch eine angemessene Gasspülmenge und Gasspülzeit das Restwasser in dem Brennstoffzellensystem auf eine angemessene Menge zu steuern.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben, die als bevorzugt betrachtet werden, beschrieben wurde, versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele oder Konstruktionen begrenzt ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Zusätzlich liegen, obwohl die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, die exemplarisch sind, gezeigt sind, andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder lediglich ein einziges Element aufweisen, ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem
Ein Brennstoffzellensystem hat eine Vorrichtung, die Gas zu der Brennstoffzelle sendet; einen Teil, der basierend auf einer Betriebs- und einer Umgebungsbedingung eine Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem berechnet; einen Teil, der entscheidet, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer erzeugten elektrischen Leistung und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist; einen Teil, der eine Sendevorrichtungsbetriebszeit zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert berechnet; und einen Steuerungsteil, der die Gassendevorrichtung bis zu dem Ende der Betriebszeit betreibt, wobei der Betriebszeit-Berechnungsteil abhängig davon, ob einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist, eine unterschiedliche Betriebszeit berechnet.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle; einem Gaszufuhrkanal, der der Brennstoffzelle Gas zuführt; einem Gasaustrittskanal, in den Gas von der Brennstoffzelle austritt; einer Gassendevorrichtung, die Gas über den Gaszufuhrkanal zu der Brennstoffzelle sendet; einem Restwassermengen-Berechnungsteil, der eine Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle, den Gaszufuhrkanal und den Gasaustrittskanal aufweist, basierend auf einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle und einer Umgebungsbedingung, unter der die Brennstoffzelle betrieben wird, berechnet; einem Entscheidungsteil, der entscheidet, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht; einem Betriebszeit-Berechnungsteil, der eine Zeit zum Betreiben der Gassendevorrichtung zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert gemäß der Betriebsbedingung und der Umgebungsbedingung berechnet; und einem Steuerungsteil, der die Gassendevorrichtung bis zu dem Ende der Betriebszeit betreibt, wobei der Betriebszeit-Berechnungsteil abhängig davon, ob gemäß dem Entscheidungsteil einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorge schriebener Schwellenwert ist oder nicht, eine unterschiedliche Betriebszeit berechnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit: einem Gaszirkulationskanal, der den Gasaustrittskanal mit dem Gaszufuhrkanal verbindet; und einem Gas-Flüssigkeits-Separator, der Wasser von dem zu zirkulierenden Gas trennt, wobei die Gassendevorrichtung bewirkt, dass Gas in dem Gasaustrittskanal über den Gaszirkulationskanal in dem Gaszufuhrkanal zirkuliert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einem Zähler, der eine Zahl von Malen eines Entscheidens, dass mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist, aufzeichnet, wobei der Betriebszeit-Berechnungsteil eine Zeit berechnet, um die Gassendevorrichtung zu betreiben, wenn die Zahl von Malen gleich einem oder größer als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Steuerungsteil eine Erhöhung einer Antriebsmenge der Gassendevorrichtung um einen vorgeschriebenen Wert bewirkt, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Steuerungsteil bewirkt, dass die Gassendevorrichtung pulsiert, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gassendevorrichtung eine Pumpe ist und der Steuerungsteil bewirkt, dass sich die Drehgeschwindigkeit der Pumpe um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gassendevorrichtung eine Pumpe ist und der Steuerungsteil bewirkt, dass sich die Drehgeschwindigkeit der Pumpe um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, und ferner eine Pulsation des Antriebs der Pumpe bewirkt, wenn mindestens einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit: einer Informationserfassungsvorrichtung, die Informationen, die eine Position des Brennstoffzellensystems, einen Monat und ein Datum und eine Außenlufttemperatur umfassen, erfasst, und ferner mit einem Schätzteil, der basierend auf den Informationen eine Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem schätzt, wobei der Steuerungsteil bewirkt, dass sich eine Menge eines Antriebs der Gassendevorrichtung um einen vorgeschriebenen Wert erhöht, wenn die Möglichkeit eines Gefrierens existiert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit: einer Informationserfassungsvorrichtung, die Informationen, die eine Position des Brennstoffzellensystems, einen Monat und ein Datum und eine Außenlufttemperatur umfassen, erfasst, und ferner mit einem Schätzteil, der basierend auf den Informationen eine Möglichkeit eines Gefrierens von Restwasser in dem Brennstoffzellensystem schätzt, wobei der Steuerungsteil bewirkt, dass die Gassendevorrichtung pulsiert, wenn die Möglichkeit eines Gefrierens existiert.
Verfahren zum Reduzieren von Wasser in einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, einen Gaszufuhrkanal, der der Brennstoffzelle Gas zuführt, und einen Gasaustrittskanal, in den Gas von der Brennstoffzelle austritt, aufweist, mit folgenden Schritten: Senden von Gas über den Gaszufuhrkanal zu der Brennstoffzelle; Berechnen einer Menge eines Restwassers in dem Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle, den Gaszufuhrkanal und den Gasaustrittskanal aufweist, basierend auf einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle und einer Umgebungsbedingung, bei der die Brennstoffzelle betrieben wird; Entscheiden, ob mindestens ein Zustandsgrößenwert, der eine Erzeugungsdauer der Brennstoffzelle, eine Menge einer Erzeugung einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle und eine Menge einer Temperaturänderung eines Kühlmittels umfasst, gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht; Berechnen einer Zeit zum Betreiben der Gassendevorrichtung zum Verringern der Restwassermenge auf einen vorgeschriebenen Wert gemäß der Betriebsbedingung und der Umgebungsbedingung; Betreiben der Gassendevorrichtung bis zu dem Ende der Betriebszeit; und Berechnen einer unterschiedlichen Betriebszeit abhängig von der Entscheidung, ob einer der Zustandsgrößenwerte gleich einem oder kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist oder nicht.
Verfahren zum Reduzieren von Wasser in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit folgenden Schritten: Vorsehen eines Gaszirkulationskanals, der den Gasaustrittskanal mit dem Gaszufuhrkanal verbindet; Bewirken, dass ein Gas in dem Gasaustrittskanal über den Gaszirkulationskanal in dem Gaszufuhrkanal zirkuliert; und Trennen des Wassers von dem zu zirkulierenden Gas.