-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und die Verwendung des Brennstoffzellensystems in einer beweglichen Karosserie und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Kühlmittelpumpe zum Befördern eines Kühlmittels aufweist, wobei die Kühlmittelpumpe in einer Kühlmittelleitung angeordnet ist, in der das Kühlmittel an eine Brennstoffzelle weitergeleitet wird; eine Heizeinrichtung zum Aufheizen bzw. Erwärmen des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, wobei die Heizeinrichtung in der Kühlmittelleitung angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie zum Zuführen einer Leistung zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung, wobei die Sekundärbatterie mit der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist, wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, das erwärmte Kühlmittel an die Brennstoffzelle weitergeleitet wird, um die Brennstoffzelle zu trocknen, und eine bewegliche Karosserie aufweist, die das Brennstoffzellensystem beinhaltet.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Brennstoffzellen haben in jüngster Zeit als hoch effizient arbeitende und umweltfreundliche Zellen an Bedeutung gewonnen. Typischerweise erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie, indem bewirkt wird, dass ein als ein Brenngas dienender Wasserstoff mit dem als ein Oxidationsgas dienenden Sauerstoff in der Luft elektrochemisch reagiert. Dabei wird infolge der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Wasser erzeugt.
-
Die unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen beinhalten beispielsweise Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen und Polymerelektrolytbrennstoffzellen. Von diesen gilt besondere Aufmerksamkeit den Brennstoffzellenzellensystemen, in denen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen verwendet werden, die beispielsweise dahingehend von Vorteil sind, dass sie ein schnelles Starten bei normalen Temperaturen erlauben. Derartige Brennstoffzellensysteme werden als Leistungsquelle für Fahrzeuge oder andere bewegliche Karosserien verwendet.
-
Wenn ein Brennstoffzellensystem in einer Niedrigtemperaturumgebung betrieben wird, wie z. B. im Freien unter kalten klimatischen Bedingungen, kann entstandenes Wasser in einem Gasströmungsweg oder anderswo in der Brennstoffzelle gefrieren. Aus diesem Grund hat man bislang ein Trocknungsverfahren angewendet, in dem eine Spülung vorgenommen wird, indem ein Oxidationsgas oder dergleichen durch die Brennstoffzelle geleitet wird, so dass ein in der Brennstoffzelle verbleibendes Wasser abgeführt wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist. Die japanische Patentanmeldung
JP 2006-79864 A beschreibt, dass eine Spülung vorgenommen wird, indem ein Brenngas oder ein Oxidationsgas durch die Brennstoffzelle geleitet wird, nachdem die elektrische Leistungserzeugung der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, so dass verbleibendes Wasser aus der Brennstoffzelle abgeführt wird.
-
Demgegenüber ist bisher außerdem ein Trocknungsvorgang zur Anwendung gekommen, bei dem die Brennstoffzelle durch Aufheizen bzw. Erwärmen eines Kühlmittels unter Verwendung eines Heizgeräts oder dergleichen erwärmt wird und das erwärmte Kühlmittel unter Verwendung einer Kühlmittelpumpe zur Brennstoffzelle weitergeleitet wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist. In diesem Fall sind das Heizgerät, die Kühlmittelpumpe und dergleichen mit einer Sekundärbatterie (wiederaufladbaren Batterie) verbunden, und die Leistungsversorgung erfolgt durch die Sekundärbatterie. Weil jedoch die Entladekapazität einer Sekundärbatterie begrenzt ist, kann der Trocknungsvorgang der Brennstoffzelle möglicherweise nicht zufriedenstellend ausgeführt werden, weil beispielsweise nach der Hälfte des Trocknungsvorgangs die verbleibende bzw. restliche Batteriekapazität zur Neige geht.
-
Ferner offenbart die
CA 2 588 889 A1 ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, die Zeit zum Entfernen der verbliebenen Feuchtigkeit zu verkürzen ohne eine Zunahme der Verbrauchsleistung oder einen vergrößerten Aufbau zu verursachen. Hierzu wird das Brennstoffzellensystem nach einer Anweisung zum Stoppen des Betriebs dazu gesteuert, eine Leistungserzeugung über eine bestimmte Zeit fortzuführen während ein erhöhter Austrag einer Feuchtigkeitsmenge erzielt wird, und, nach einem Stopp der Leistungserzeugung eine bestimmte Zeit unter Verwendung von Oxidationsgas zu spülen.
-
Die
CA 2 555 928 A1 lehrt ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren, bei dem ein Brennstoffzellensystem während einer Unterbrechung des Systems effizient beheizt wird ohne eine große Energiemenge zu verbrauchen, wodurch eine Herabsetzung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund eines Temperaturabfalls verhindert wird. Hierfür wird ein Beheizungsmechanismus derart gesteuert, dass die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls der Brennstoffzelle gleich bleibt oder niedriger als eine gegebene Geschwindigkeit ist.
-
Darüber hinaus beschreibt die
JP 2002 050 378 A ein Brennstoffzellensystem und eine externe Leistungsquelle, die eine Erzeugungshilfseinheit als startende Leistungsquelle antreibt, falls eine Sekundärbatterie tiefentladen ist. Dabei wird die Leistungsquelle mit einer Erzeugungshilfseinheit verbunden, welche die Funktion hat, der Brennstoffzelle Brennstoffgas und Luft zuzuführen.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Vor dem vorstehend beschriebenen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, die Brennstoffzelle zu trocknen, selbst wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie unzureichend ist.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das eine Kühlmittelpumpe zum Befördern eines Kühlmittels aufweist, wobei die Kühlmittelpumpe in einer Kühlmittelleitung angeordnet ist, in der das Kühlmittel zu einer Brennstoffzelle weitergeleitet wird; eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, wobei die Heizeinrichtung in der Kühlmittelleitung angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie zum Zuführen von einer Leistung zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung, wobei die Sekundärbatterie mit der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist, wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, das erwärmte Kühlmittel an die Brennstoffzelle weitergeleitet, um die Brennstoffzelle zu trocknen, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist; eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung zum Zuführen einer Leistung von einer externen Leistungsquelle zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung, wobei die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist; eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Restkapazität der Sekundärbatterie, die durch die Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung abgeschätzt wurde; und eine Benachrichtigungseinrichtung zum Benachrichtigen, dass die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, wenn die Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem in einer beweglichen Karosserie verwendet. Das in der beweglichen Karosserie verwendete Brennstoffzellensystem weist ebenfalls auf; eine Kühlmittelpumpe zum Befördern eines Kühlmittels, wobei die Kühlmittelpumpe in einer Kühlmittelleitung angeordnet ist, die das Kühlmittel zur Brennstoffzelle weiterleitet; eine Heizeinrichtung zum Aufheizen bzw. Erwärmen des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, wobei die Heizeinrichtung in der Kühlmittelleitung angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie zum Zuführen von einer Leistung zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung, wobei die Sekundärbatterie mit der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist, wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, das erwärmte Kühlmittel zur Brennstoffzelle weitergeleitet, um die Brennstoffzelle zu trocknen, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung zum Zuführen einer Leistung von einer externen Leistungsquelle zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung aufweist, wobei die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist; eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen einer Restkapazität der Sekundärbatterie; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Restkapazität der Sekundärbatterie, die durch die Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung abgeschätzt wird; und eine Benachrichtigungseinrichtung zum Benachrichtigen, dass die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, wenn die Bestimmungseinrichtung bestimmt hat, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität ist.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann durch Verwendung des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Brennstoffzelle getrocknet werden, selbst wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie unzureichend ist, weil Leistung von einer externen Leistungsquelle zugeführt werden kann.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
1 zeigt eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
-
Eine ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
-
1 zeigt eine Struktur eines Brennstoffzellensystems 10. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Brennstoffzelle 12, eine Brenngaszuführvorrichtung 14, die der Brennstoffzelle 12 ein Brenngas zuführt, eine Oxidationsgaszuführvorrichtung 16, die der Brennstoffzelle 12 ein Oxidationsgas zuführt, eine Sekundärbatterie 18 und eine Steuerungsvorrichtung 20.
-
Die Funktion der Brennstoffzelle 12 ist es, elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, und einem Oxidationsgas, wie z. B. Sauerstoff, zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 12, wie z. B. die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 12, beinhaltet einen Stapel, der dadurch gebildet wird, dass eine Mehrzahl von einzelnen Zellen aneinander gestapelt wird. In diesem Fall wird eine einzelne Zelle dadurch gebildet, dass Katalysatorschichten jeweils auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet werden, und eine Gasdiffusionsschicht auf jeder der Katalysatorschichten angeordnet wird, wodurch eine Membranelektrodenanordnung entsteht, und zusätzlich ein Separator auf der Membranelektrodenanordnung angeordnet wird. Ferner kann durch Anordnen von Stromkollektoren auf beiden Seiten eines solchen Stapels ein elektrischer Strom durch diese Stromkollektoren erfasst werden.
-
Eine der Funktionen der Elektrolytmembran ist es, Wasserstoffionen, die auf der Seite der Anodenelektrode erzeugt werden, so zu bewegen, dass diese auf die Seite der Kathodenelektrode gelangen. Als ein Material für die Elektrolytmembran wird ein chemisch stabiles Harz auf Fluorbasis, wie z. B. eine Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure-Ionenaustauschmembran, verwendet. Als die Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure-Ionenaustauschmembran kann eine Nafion-Membran (ein eingetragenes Warenzeichen der Firma DuPont) oder dergleichen verwendet werden.
-
Die Funktion der Katalysatorschichten ist es, eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff auf der Seite der Anodenelektrode oder eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff auf der Kathodenelektrodenseite zu beschleunigen. Die Katalysatorschichten beinhalten jeweils einen Katalysator einen Katalysator und einen Katalysatorträger. Um die aktive Elektrodenfläche zu vergrößern, wird der Katalysator typischerweise in der Form von Partikeln verwendet, die am Katalysatorträger haften. Als Katalysator werden Elemente der Platingruppe, wie z. B. Platin und dergleichen, verwendet, die in Bezug auf eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff oder eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff eine geringe Aktivierungsüberspannung aufweisen. Für den Katalysatorträger werden Kohlenstoffmaterialien, wie z. B. Ruß und dergleichen, verwendet.
-
Die Funktion der Gasdiffusionsschicht ist es, Wasserstoff, der als ein Brennstoff dient, oder Sauerstoff, der als ein Oxidationsmittel dient, durch die Katalysatorschicht hindurch zu diffundieren, die Elektronen und andere Funktionen zu bewegen. Als Gasdiffusionsschicht kann Kohlefasergewebe, Kohlepapier und ähnliches verwendet werden, bei denen es sich um elektrisch leitfähige Materialen handelt. Die Membranelektrodenanordnung kann beispielsweise durch Aneinanderstapeln und Heißpressen der Elektrolytmembran, der Katalysatorschichten und der Gasdiffusionsschichten hergestellt werden.
-
Der Separator wird auf die Gasdiffusionsschicht der Membranelektrodenanordnung gestapelt, und es ist seine Funktion, den als Brenngas dienenden Wasserstoff und die als ein Oxidationsmittel dienende Luft für die benachbarten einzelnen Zellen abzuscheiden. Ferner ist es die Funktion des Separators, eine elektrische Verbindung zwischen einer einzelnen Zelle und einer weiteren einzelnen Zelle herzustellen. Der Separater kann beispielsweise durch Pressen einer Titanlage, einer Lage aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem gebildet werden.
-
Die Funktion einer Widerstandsmessvorrichtung 22 ist es, einen Innenwiderstand (Impedanz) der Brennstoffzelle 12 zu messen, und diese ist beispielsweise auf der Brennstoffzelle 12 angeordnet. Je mehr Wasser in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, desto geringer ist der Widerstandswert. Je weniger Wasser in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, desto höher der Widerstandswert. Somit kann durch Messen des Widerstandswerts der Brennstoffzelle 12 abgeschätzt werden, wie trocken die Brennstoffzelle 12 ist. Die durch die Widerstandsmessvorrichtung 22 gemessenen Widerstandswertdaten werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
-
Ein Brenngaszuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 beinhaltet die Brenngaszuführvorrichtung 14 zum Zuführen eines Brenngases, wie z. B. Wasserstoff, zur Brennstoffzelle 12, eine Brenngaszuführleitung 24 zum Weiterleiten des Brenngases zur Anode der Brennstoffzelle 12 und eine Brenngasumwälzleitung 26 zum Umwälzen des Brenngases, das von der Anode der Brennstoffzelle 12 an die Brenngaszuführleitung 24 abgegeben wird.
-
Die Brenngaszuführleitung 14 besteht beispielsweise aus einem Hochdrucktank, einer Wasserstoffspeicherungslegierung, einer Reformiereinrichtung und ähnlichem. Die Brenngaszuführleitung 24 ist mit einem Sperrventil, das eine Zuführung und einen Zuführstopp des Brenngases von der Brenngaszuführvorrichtung 14 steuert, einem Drucksensor, der den Druck des Brenngases erfasst, einem Druckregelventil, das den Druck des Brenngases reguliert, einem Sperrventil, das eine Brenngaszuführöffnung der Brennstoffzelle 12 öffnet und schließt, und ähnlichem versehen.
-
Die Brenngasumwälzleitung 26 ist mit einem Sperrventil, das das Brenngas abführt, einem Drucksensor, der den Druck des Brenngases erfasst, einer Umwälzpumpe, die durch einen Elektromotor angetrieben wird, einem Rückschlagventil, das verhindert, dass das Brenngas in der Brenngaszuführleitung 24 rückwärts in die Brenngasumwälzleitung 26 strömt, und ähnlichem versehen. Basierend auf der durch einen Steuerungsabschnitt vorgenommenen Steuerung setzt die Umwälzpumpe das Brenngas, dessen Druck abgefallen ist, wenn es durch die Anode der Brennstoffzelle 12 gelangt, unter Druck, um den Gasdruck auf einen entsprechenden Wert zu erhöhen, und befördert das Brenngas zurück zur Brenngaszuführleitung 24. Das Brenngas strömt mit dem von der Brenngaszuführvorrichtung 14 durch die Brenngaszuführleitung 24 zugeführten Brenngas zusammen und wird der Brennstoffzelle 12 zur Wiederverwendung zugeführt. Ferner wird das Brenngas, das aufgrund der wiederholten Umwälzung durch die Brennstoffzelle 12 eine erhöhte Verunreinigungskonzentration aufweist, durch eine Brenngasabführleitung 28 ausgestoßen.
-
Ein Oxidationsgaszuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 beinhaltet die Oxidationsgaszuführvorrichtung, die eine unter Druck stehende Luft als ein Oxidationsgas zuführt, eine Oxidationsgaszuführleitung 30, deren Funktion es ist, das Oxidationsgas an die Kathode der Brennstoffzelle 12 weiterzuleiten, und eine Oxidationsgasabführleitung 32, deren Funktion es ist, das von der Kathode der Brennstoffzelle 12 ausgestoßene Oxidationsgas abzuführen.
-
Die Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 beinhaltet eine Luftpumpe oder einen Luftkompressor, der durch einen Elektromotor angetrieben wird und als eine Pumpeinrichtung zum Befördern des Oxidationsgases fungiert. Ferner ist die Luftpumpe oder der Luftkompressor beispielsweise mit einem Luftfilter versehen, der Staubpartikel oder dergleichen entfernt, die in der aus der Atmosphäre eingeführten Luft enthalten sind. Die Oxidationsgaszuführleitung 30 oder die Oxidationsgasabführleitung 32 ist beispielsweise mit einem Drucksensor, der den Druck des Oxidationsgases erfasst, und einem Druckregulierventil versehen, dessen Funktion es ist, den Drucks des Oxidationsgases an der Kathode zu regulieren.
-
Eine Befeuchtungseinrichtung 34 ist zwischen der Brennstoffzelle 12 und der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 angeordnet, und es ist deren Funktion, die Feuchtigkeit zwischen einem Oxidationsgas, das aufgrund des infolge der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 12 erzeugten Wassers in einen hochfeuchten Zustand versetzt worden ist, und einem feuchtigkeitsarmen Oxidationsgas, das von der Atmosphäre eingeführt wird, auszutauschen. Somit kann die Befeuchtungseinrichtung 34 das aus der Atmosphäre eingeführte, feuchtigkeitsarme Oxidationsgas befeuchten.
-
Ein Kühlmittelsystem des Brennstoffzellensystems 10 ist beispielsweise mit einer Kühlmittelleitung 36 versehen, die ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 12 weiterleitet, um darin umgewälzt zu werden, einer Kühleinrichtung 38, die die Wärme des Kühlmittels nach außen abstrahlt, einem Kühlmittelmengen-Regulierventil 40, das die Menge des in die Kühleinrichtung 38 einströmenden Kühlmittels reguliert, und mit einer Kühlmittelpumpe 42, die das Kühlmittel unter Druck setzt und befördert. Ferner ist die Kühlmittelleitung 36 mit einer Umgehungsleitung 44 parallel zur Kühleinrichtung 38 versehen, um die in die Kühleinrichtung 38 strömende Kühlmittelmenge zu reduzieren.
-
Die Funktion des Kühlmittelmengen-Regulierventils 40 ist es, die Menge des Kühlmittels, das in die Kühleinrichtung 38 strömt, zu regulieren, und dieses Ventil 40 ist in der Kühlmittelleitung 36 angeordnet. Um die Brennstoffzelle 12 zu kühlen, wird die Menge des Kühlmittels, das in die Kühleinrichtung 38 strömt, basierend auf einer Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 20 erhöht, und das durch die Kühleinrichtung 38 gekühlte Kühlmittel kann der Brennstoffzelle 12 zugeführt werden. Um dagegen die Brennstoffzelle 12 zu erwärmen, wird das Kühlmittelmengen-Regulierventil 40 basierend auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerungsvorrichtung 20 umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die Umgehungsleitung 44 strömen kann, die parallel zur Kühleinrichtung 38 angeordnet ist, so dass die in die Kühleinrichtung 38 strömende Kühlmittelmenge reduziert werden kann. Für das Kühlmittelmengen-Regulierventil 40 kann beispielsweise ein Dreiwegeventil oder dergleichen verwendet werden.
-
Ein Kühlmitteltemperatursensor 46 ist in der Kühlmittelleitung 36 auf der Seite angeordnet, von der das Kühlmittel abgeführt wird, und es ist die Funktion dieses Sensors 46, die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlmittels zu messen. Somit kann durch Messen der Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlmittels die Temperatur in der Brennstoffzelle 12 abgeschätzt werden. Als der Kühlmitteltemperatursensor 46 kann ein normales Thermometer, ein Thermoelement oder ähnliches verwendet werden. Die Kühlmitteltemperaturdaten, die durch den Kühlmitteltemperatursensor 46 gemessen werden, werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
-
Eine Kühlmittelheizvorrichtung 48 fungiert als Heizeinrichtung zum Erwärmen des Kühlmittels, während die Brennstoffzelle 12 nicht in Betrieb ist, und sie ist in der Umgehungsleitung 44 oder einer anderen Stelle in der Kühlmittelleitung 36 angeordnet. Indem das Kühlmittel, das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmt worden ist, unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 42 zur Brennstoffzelle 12 befördert wird, kann die Brennstoffzelle 12 erwärmt werden. Für die Kühlmittelheizvorrichtung 48 kann beispielsweise eine Widerstandsheizungs-Heizeinrichtung oder dergleichen verwendet werden.
-
Die Sekundärbatterie 18 ist mit der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden, und es ist deren Funktion, die Kühlmittelpumpe 42 und die Kühlmittelheizvorrichtung 48 mit Leistung zu versorgen. Für die Sekundärbatterie 18 kann beispielsweise eine Bleisäurebatterie, eine Nickelmetallhydrid-Batterie, eine Lithiumionenbatterie oder ähnliches verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Sekundärbatterie 18 nicht auf die Sekundärbatterien 18 der vorstehend beschriebenen Typen begrenzt ist. Ein Inverter 50, eine Gleichspannungswandler- bzw. Chopper-Steuerungsschaltung 52 oder ähnliches ist entweder zwischen der Sekundärbatterie 18 und der Kühlmittelpumpe 42 oder zwischen der Sekundärbatterie 18 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 angeordnet.
-
Ferner kann die Sekundärbatterie 18 mit der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 verbunden sein, so dass der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 Leistung zugeführt werden kann. Dementsprechend ist ein Inverter 54 oder ähnliches zwischen der Sekundärbatterie 18 und der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 angeordnet. Indem während des Aufwärmens der Brennstoffzelle 12 unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels ein Oxidationsgas durch die Brennstoffzelle 12 strömen darf, kann ein in der Brennstoffzelle 12 zurückgebliebenes Wasser während eines Trocknungsvorgangs noch effektiver abgeführt werden. Ferner kann die Sekundärbatterie 18 mit einem Elektromotor über einen Inverter verbunden sein, der als eine zusätzliche Leistungsquelle für die Brennstoffzelle 12 verwendet werden soll.
-
Eine Messeinrichtung 56 für die Restkapazität der Batterie fungiert als eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung zum Abschätzen der Restkapazität der Sekundärbatterie 18 und ist z. B. an der Sekundärbatterie 18 angeordnet. Als die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität der Batterie kann beispielsweise eine Batterie-Restkapazitätsmesseinrichtung verwendet werden, die die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 abschätzt, indem entweder die spezifische Dichte eines flüssigen Elektrolyts, der in der Sekundärbatterie 18 verwendet wird, oder die Spannung der Sekundärbatterie 18 gemessen wird. Die Restkapazitätsdaten der Sekundärbatterie 18, die abgeschätzt werden, werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
-
Ein Außenlufttemperatursensor 58 fungiert als eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur der Außenluft. Für den Außenluft-Temperatursensor 58 kann ein normales Thermometer, ein Thermoelement oder ähnliches verwendet werden. Die Außenlufttemperaturdaten, die durch den Außenlufttemperatursensor 58 gemessen werden, werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
-
Ein Stecker 60 für die externe Leistungsquelle ist mit der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden und fungiert als eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung, die der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 Leistung von einer externen Leistungsquelle 62 zuführen können. Indem der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden wird, kann Leistung von der externen Leistungsquelle 62 der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 zugeführt werden. Die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung ist nicht auf Stecker begrenzt, sondern kann auch ein Verbinder oder dergleichen sein. Wenn ferner eine Wechselstromversorgungsquelle, wie z. B. ein Hausnetzanschluss, als die externe Leistungsquelle 62 verwendet wird, ist ein Wandler 64 an einer Position angeordnet, die sich zwischen dem Stecker 60 für die externe Leistungsquelle und der Kühlmittelpumpe 42 und zwischen dem Stecker 60 für die externe Leistungsquelle und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 befindet. Es ist zu beachten, dass die externe Leistungsquelle 62 nicht auf Wechselstromversorgungsquellen begrenzt ist, und eine Gleichstromversorgungsquelle ebenso verwendet werden kann.
-
Ferner kann der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 verbunden werden, so dass der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 Leistung von der externen Leistungsquelle 62 zugeführt werden kann. Indem also der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden wird, kann der Oxidationszuführvorrichtung 16 Leistung von der externen Leistungsquelle 62 zugeführt werden. Weil somit der Kühlmittelpumpe 42, der Kühlmittelheizvorrichtung 48 und der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 von der externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt werden kann, kann ein in der Brennstoffzelle 12 verbliebenes Wasser während eines Trocknungsvorgangs noch effektiver abgeführt werden, indem ein Oxidationsgas während des Erwärmens der Brennstoffzelle 12 unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 12 strömen darf.
-
Die Steuerungsvorrichtung 20 ist als ein Mikrocomputer konstruiert, der darin eine CPU, einen RAM und einen ROM beinhaltet und der den Betrieb eines jeweiligen Abschnitts der Brennstoffzellensystems 10 gemäß einem in dem ROM gespeicherten Programm steuert. Die Steuerungsvorrichtung 20 empfängt Sensorsignale von den Temperatursensoren und den Drucksensoren, die für die Leitungen vorgesehen sind, und steuert die Elektromotoren entsprechend dem Betriebszustand der Zelle (beispielsweise einer Stromlast) an, um die Anzahl der Umdrehungen der Kühlmittelpumpe 42 und ähnliches anzupassen, und steuert zudem beispielsweise die verschiedenen Arten von Ventilen, so dass deren Ventilöffnungswinkel vergrößert, verkleinert oder angepasst werden. Die Steuerungsvorrichtung 20 ist mit den Pumpen, den Sensoren und den Ventilen durch beispielsweise Stromkabel verbunden, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind.
-
Ein Bestimmungsabschnitt 66 fungiert als Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Restkapazität der Sekundärbatterie 18, die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität der Batterie abgeschätzt wurde, und ist zudem in der Steuerungsvorrichtung 20 angeordnet. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu bestimmen, ob es sich bei der Restkapazität der Sekundärbatterie 18 um eine Kapazität kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität handelt, indem die Restkapazität der Sekundärbatterie 18, die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität der Batterie abgeschätzt wurde, mit der zuvor eingestellten, vorbestimmten Kapazität verglichen wird. Ferner kann es die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein, den Widerstandswert der Brennstoffzelle 12 zu bestimmen, der durch die Widerstandsmessvorrichtung 22 gemessen wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu bestimmen, ob es sich bei dem gemessenen Widerstandswert um einen Widerstandswert handelt, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten Widerstandswert ist oder nicht, indem die Widerstandswertdaten, die von der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragen werden, mit dem zuvor eingestellten vorbestimmten Widerstandswert verglichen werden. Ferner kann es die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein, die Außenlufttemperatur zu bestimmen, die durch den Außenlufttemperatursensor 58 gemessen wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu bestimmen, ob es sich bei der Außenlufttemperatur um eine Temperatur handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, indem die Außenlufttemperaturdaten, die von dem Außenlufttemperatursensor 58 übertragen werden, mit der zuvor eingestellten vorbestimmten Temperatur verglichen werden. Ferner kann es die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein, die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlmittels zu bestimmen, das durch den Kühlmitteltemperatursensor 46 gemessen wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu bestimmen, ob es sich bei der Kühlmitteltemperatur um eine Temperatur handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, indem die Kühlmitteltemperaturdaten, die von dem Kühlmitteltemperatursensor 46 übertragen werden, mit der zuvor eingestellten, vorbestimmten Temperatur verglichen werden. Die Steuerungsvorrichtung 20 ist in der Lage, die Ergebnisse der Bestimmung der Restkapazität der Sekundärbatterie 18, des Widerstandswerts der Brennstoffzelle 12, der Außenlufttemperatur und der Kühlmitteltemperatur an eine Kommunikationsvorrichtung 68 zu übertragen, auf die in der Beschreibung später eingegangen wird.
-
Die Kommunikationsvorrichtung 68 fungiert als Benachrichtigungseinrichtung zum Benachrichtigen des Fahrzeugführers oder ähnlichem, dass der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden werden soll, wenn die Steuerungsvorrichtung 20 bestimmt, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 kleiner oder gleich der vorbestimmten Kapazität ist. Die Kommunikationsvorrichtung 68 ist in der Lage, zu bewirken, dass eine Nachricht wie etwa „Vermeiden Sie Frostbildung im Brennstoffzellensystem und verbinden Sie bitte den Stecker für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle” auf einem Anzeigebildschirm eines Datenendgeräts 70, wie z. B. eines schlüssellosen Zugangsgeräts oder einer Navigationsvorrichtung, angezeigt wird, um dem Fahrzeugführer oder ähnlichem mitzuteilen, dass der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll.
-
Anschließend erfolgt eine Beschreibung eines Betriebs des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems 10.
-
Nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 während eines Stillstands des Fahrzeugs gestoppt worden ist, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 66, der in der Steuerungsvorrichtung 20 angeordnet ist, ob es sich bei einem Widerstandswert der Brennstoffzelle 12, der von der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragen wird, um einen Widerstandwert handelt, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten Widerstandwert ist. Ferner bestimmt der Bestimmungsabschnitt 66, ob es sich bei den Außenlufttemperaturdaten, die von dem Außenlufttemperatursensor 58 übertragen werden, um eine Temperatur handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist. Wenn der Widerstandswert der Brennstoffzelle 12 kleiner oder gleich dem vorbestimmten Widerstandswert ist, und die Außenlufttemperatur kleiner oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 einen Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 aus, weil das in der Brennstoffzelle 12 verbleibende Wasser gefrieren kann. In diesem Fall kann der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmen, ob es sich, anstatt bei der Außenlufttemperatur, bei einer Kühlmitteltemperatur, die von dem Kühlmitteltemperatursensor 46 übertragen wird, um eine Temperatur kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur handelt oder nicht. Wenn ferner die Kühlmitteltemperatur kleiner oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 einen Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 aus, weil das in der Brennstoffzelle 12 verbleibende Wasser gefrieren kann.
-
Der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, ob es sich bei der Restkapazität der Sekundärbatterie 18 um eine Kapazität handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität ist, indem die Restkapazität der Sekundärbatterie 18, die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität der Batterie abgeschätzt wird, mit der zuvor eingestellten vorbestimmten Kapazität verglichen wird. Wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 größer als die vorbestimmte Kapazität ist, werden der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 von der Sekundärbatterie 18 eine Leistung zugeführt. Dann wird das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmte Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe 42 befördert und durch die Kühlmittelleitung 36 an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet. Die Brennstoffzelle 12 wird durch das erwärmte Kühlmittel aufgeheizt, so dass ein Trocknungsvorgang ausgeführt wird. Wenn zudem die Sekundärbatterie 18 und die Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 miteinander verbunden sind, führt die Sekundärbatterie 18 der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 eine Leistung zugeführt. Dann wird ein Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet und der Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 weiter verbessert, indem ein Oxidationsgas verwendet wird, um ein in der Brennstoffzelle 12 verbleibendes Wasser abzuführen.
-
Wenn der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 kleiner oder gleich der vorbestimmten Kapazität ist, überträgt die Steuerungsvorrichtung 20 ein Bestimmungsergebnis an die Kommunikationsvorrichtung 68. Die Kommunikationsvorrichtung 68, die das Ergebnis der Bestimmung von der Steuerungsvorrichtung 20 empfangen hat, liefert an ein schlüsselloses Zugangsgerät 20 eines Fahrzeugführers eine Benachrichtigung, die darauf hinweist, dass der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden werden soll. Die Kommunikationsvorrichtung 68 bewirkt, dass eine Nachricht, wie z. B. „Vermeiden Sie Frostbildung im Brennstoffzellensystem und verbinden Sie bitte den Stecker für die externe Leistungsquelle mit einer externen Leistungsquelle”, auf einem Anzeigebildschirm einer schlüssellosen Zugangsgeräts oder dergleichen angezeigt wird. In Reaktion darauf verbindet der Fahrzeugführer den Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62.
-
Nachdem der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden worden ist, wird der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 von der externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt. Dann wird das Kühlmittel, das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmt worden ist, durch die Kühlmittelpumpe 42 befördert und durch die Kühlmittelleitung 36 an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet. Die Brennstoffzelle 12 wird durch das erwärmte Kühlmittel erwärmt, so dass ein Trocknungsvorgang ausgeführt werden kann. Wenn zudem der Stecker 60 für die externe Leistungsvorrichtung und die Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 miteinander verbunden sind, wird der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 von der externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt. Ein Oxidationsgas wird an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet und der Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 weiter verbessert, indem ein Oxidationsgas verwendet wird, um so das in der Brennstoffzelle 12 verbliebene Wasser abzuführen.
-
Der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, ob der von der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragene Widerstandswert größer als der zuvor eingestellte vorbestimmte Widerstandswert ist. Wenn der Widerstandswert kleiner oder gleich dem vorbestimmten Widerstandswert ist, setzt das Brennstoffzellensystem 10 den Trocknungsvorgang auf die Feststellung bzw. Bestimmung hin fort, dass die Brennstoffzelle 12 nicht ausreichend getrocknet worden ist. Wenn der Widerstandswert größer als der vorbestimmte Widerstandswert ist, beendet das Brennstoffzellensystem 10 den Trocknungsvorgang basierend auf der Feststellung bzw. Bestimmung, dass die Brennstoffzelle 12 ausreichend getrocknet worden ist.
-
Es ist zu beachten, dass, selbst wenn bestimmt wird, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 größer als die vorbestimmte Kapazität ist, ein Fahrzeugführer den Stecker 60 für die externe Leistungsquelle mit der externem Leistungsquelle 62 verbinden kann, um zu ermöglichen, dass der Kühlmittelpumpe 42, der Kühlmittelheizvorrichtung 48 und der Oxidationsgasvorrichtung 16 Leistung von der externen Leistungsquelle 62 zugeführt werden kann. Ferner sind bewegliche Karosserien, die das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 10 beinhalten, nicht auf Automobile begrenzt, sondern es kann sich bei diesen auch um beliebige Karosserien wie Schiffe oder Flugzeuge handeln.
-
Weil bei der vorstehend beschriebenen Struktur der Stecker für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbunden wird, um dadurch zu ermöglichen, dass der Kühlmittelpumpe, der Kühlmittelheizvorrichtung und der Oxidationsgasvorrichtung von der externen Leistungsquelle Leistung zugeführt wird, kann der Trocknungsvorgang der Brennstoffzelle auch dann ausgeführt werden, wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie unzureichend ist.
-
Weil bei der vorstehend beschriebenen Struktur das Brennstoffzellensystem die Messeinrichtung für die Restkapazität der Batterie, die eine Restkapazität der Sekundärbatterie abschätzt, den Bestimmungsabschnitt, dessen Funktion es ist, die Restkapazität der Sekundärbatterie zu bestimmen, die durch die Messeinrichtung für die Restkapazität der Sekundärbatterie abgeschätzt wurde, und die Kommunikationsvorrichtung beinhaltet, die, wenn der Bestimmungsabschnitt bestimmt, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie kleiner oder gleich der vorbestimmten Kapazität ist, eine Benachrichtigung erteilt, dass der Stecker für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, kann ein Fahrzeugführer ersehen, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie unzureichend ist und den Stecker für die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbinden, so dass der Trocknungsvorgang der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist für beliebige Anwendungen von Nutzen, in denen eine Brennstoffzelle verwendet wird, doch kann es insbesondere auf Brennstoffzellen angewendet werden, die in Fahrzeugen verwendet werden.