DE60313309T2

DE60313309T2 - Brennstoffzellenanlage mit einfrierschutz

Info

Publication number: DE60313309T2
Application number: DE60313309T
Authority: DE
Inventors: Soichiro Yokosuka-shi OGAWA
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP2003288928A; US20070003804A1; CN1328813C; EP1490923B1; KR100562095B1; WO2003081704A2; EP1490923A2; KR20040094849A; CN1643721A; JP4221942B2; WO2003081704A3; US7618726B2; DE60313309D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere ein Verfahren zum Schützen des Systems unterhalb des Gefrierpunktes.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, welche elektrische Energie infolge einer elektrisch-chemischen Reaktion abziehen, die in einer Elektrolytmembran auftritt, und bei einigen Brennstoffzellen muss die Elektrolytmembran angefeuchtet werden, um Energie zu erzeugen. Normalerweise wird reines Wasser dazu verwendet, die Elektrolytmembran anzufeuchten, so dass Verunreinigungen nicht an der Elektrolytmembran anhaften, und dazu führen, dass die Leistung der Brennstoffzelle abnimmt. Reines Wasser wird auch zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendet. Wenn jedoch reines Wasser zum Befeuchten oder Kühlen der Elektrolytmembran verwendet wird, friert dann, wenn das System nach Abschaltung der Brennstoffzelle sich unterhalb des Gefrierpunkts befindet, das Wasser im Inneren des Systems, und es besteht die Möglichkeit, dass die Innenkonstruktion des Systems infolge der Volumenerweiterung beschädigt werden kann, die durch die Verfestigung hervorgerufen wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass infolge des gefrorenen Wassers die Flusswege, durch welche Gas, Luft oder Wasser der Brennstoffzelle zugeführt werden, darüber hinaus verstopft werden, so dass das System nicht erneut in Gang gesetzt werden kann.
Zur Lösung dieser Probleme schlägt die JP7-169476A, veröffentlicht 1995 vom japanischen Patentamt, ein Verfahren zum Erwärmen der Brennstoffzelle mit einer Heizvorrichtung vor, so dass ihre Temperatur nicht unter 0 °C absinkt, wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde. Weiterhin beschreibt die JP8-273689A, veröffentlicht 1996 von dem japanischen Patentamt, ein Verfahren zum Vermeiden des Einfrierens des Wassers in der Brennstoffzelle durch Ablassen von Wasser nach außerhalb der Brennstoffzelle, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, wodurch das Wasser außerhalb der Brennstoffzelle einfriert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei den voranstehend geschilderten Verfahren nimmt jedoch die zum Schützen der Brennstoffzelle erforderliche Energiemenge kontinuierlich zu, wenn die Abschaltzeit der Brennstoffzelle länger wird, und daher können diese Verfahren nicht ohne Änderung bei Fahrzeugbrennstoffzellen eingesetzt werden, bei denen eine Grenze in Bezug auf die einzusetzende Energiemenge vorhanden ist. Weiterhin wird bei dem letztgenannten Verfahren eine relativ große Energiemenge dazu benötigt, um die Brennstoffzelle zu schützen, selbst wenn die Abschaltzeit der Brennstoffzelle kurz ist, muss das gefrorene Wasser aufgetaut werden, wenn die Brennstoffzelle erneut in Betrieb gesetzt wird, und kann diese daher nicht schnell erneut in Betrieb genommen werden.
Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, das System gegen das Einfrieren von Wasser zu schützen, wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das ein zufrieden stellendes Verhalten beim erneuten Ingangsetzen zeigt.
Um das voranstehende Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung, das eine Brennstoffzelle aufweist, welche Energie durch Zuführen eines Oxidationsmittels und eines wasserstoffhaltigen Gases zu einer Elektrolytmembran erzeugt, eine Wasserversorgungsvorrichtung, welche Wasser der Brennstoffzelle zuführt, und eine Steuerung. Die Steuerung arbeitet so, dass sie eine Zeit für das erneute Einschalten berechnet, wenn die Brennstoffzelle erneut in Betrieb genommen wird, eine Verschiebung einer Außenlufttemperatur berechnet, eine erste Energiemenge berechnet, die erforderlich ist, wenn das System durch eine erste Schutzbetriebsart geschützt wird, welche das Einfrieren von Wasser in dem System durch Erwärmen von Wasser verhindert, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und eine zweite Energiemenge, die benötigt wird, wenn das System durch eine zweite Schutzbetriebsart geschützt wird, welche das Einfrieren von Wasser in dem System durch Ablassen von Wasser aus der Brennstoffzelle verhindert, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, jeweils auf Grundlage der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten und der Außenlufttemperaturverschiebung, die erste Schutzbetriebsart ausfällt, wenn die erste Energiemenge kleiner ist als die zweite Energiemenge, und die zweite Schutzart ausfällt, wenn die erste Energiemenge größer ist als die zweite Energiemenge, als Schutzart, die eingesetzt wird, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und das System mit der ausgewählten Schutzart schützt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung stellt die Erfindung ein Verfahren zum Schützen eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung, das eine Brennstoffzelle aufweist, die Energie durch Zuführen eines Oxidationsmittels und eines wasserstoffhaltigen Gases zu einer Elektrolytmembran erzeugt, und eine Wasserversorgungsvorrichtung, welche der Brennstoffzelle Wasser zuführt. Das Verfahren umfasst, eine Zeit zum erneuten Einschalten zu berechnen, wenn die Brennstoffzelle erneut eingeschaltet wird, eine Verschiebung einer Außenlufttemperatur zu berechnen, eine erste Energiemenge zu berechnen, die erforderlich ist, wenn das System durch eine erste Schutzbetriebsart geschützt wird, welche das Einfrieren von Wasser in dem System verhindert, durch Erwärmung von der Brennstoffzelle zugeführtem Wasser, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und eine zweite Energiemenge, die erforderlich ist, wenn das System durch eine zweite Schutzbetriebsart geschützt wird, welche das Einfrieren von Wasser in dem System durch Ablassen von Wasser aus der Brennstoffzelle nach Abschalten der Brennstoffzelle verhindert, jeweils auf Grundlage der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten und der Außenlufttemperaturverschiebung, Auswahl der ersten Schutzbetriebsart, wenn die erste Energiemenge kleiner ist als die zweite Energiemenge, und Auswahl der zweiten Schutzbetriebsart, wenn die erste Energiemenge größer ist als die zweite Energiemenge, als Schutzbetriebsart, die eingesetzt wird, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und Schützen des Systems mit der ausgewählten Schutzbetriebsart.
Die Einzelheiten sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung angegeben, und sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm, das eine Schutzbetriebsart-Auswahlverarbeitung zeigt.
3 ist ein Beispiel für erzeugte Außenlufttemperaturverschiebungsdaten.
4 zeigt die Beziehung zwischen der Abschaltzeit und den Energiemengen, die zum Schutz benötigt werden; die durchgezogene Linie ist eine Energiemenge, die benötigt wird, wenn eine erste Schutzbetriebsart ausgewählt wird, und die gestrichelte Linie ist eine Energiemenge, die erforderlich ist, wenn eine zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wird.
5 zeigt schematisch die Beziehung zwischen der Abschaltzeit und den zum Schutz benötigten Energiemengen, erhalten durch Korrektur von 4 auf Grundlage der Außenlufttemperaturverschiebungsdaten.
6 ist ein Flussdiagramm, das eine Berechnungsverarbeitung für die Zeit zum erneuten Einschalten zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung zur Erzeugung von Außenlufttemperaturverschiebungsdaten zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine Schutzverarbeitung zeigt, wenn die erste Schutzbetriebsart ausgewählt ist.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Schutzverarbeitung zeigt, wenn die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wurde.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Schutzbetriebsartauswahlverarbeitung in einer Betriebsart zur Korrektur der Zeit zur Berechnung bis zu einem erneuten Einschalten zeigt.
11 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung zur Berechnung einer korrigierten Zeit zur Berechnung eines erneuten Einschaltens zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Brennstoffzellensystem wird bei einem Fahrzeug eingesetzt. In einem Brennstoffzellenstapel 1 sind ein Kathodengaskanal und ein Anodengaskanal jeweils an einer von zwei Seiten einer Elektrolytmembran 1 m vorgesehen. Luft wird als Oxidationsmittel dem Kathodengaskanal über einen Luftversorgungskanal 2 zugeführt, und wasserstoffhaltiges Gas wird dem Anodengaskanal über einen Brennstoffversorgungskanal 3 zugeführt. Dies führt dazu, dass folgende elektrochemische Reaktionen auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 1 m stattfinden.

Anodenreaktion: H₂ → 2H⁺ + 2e^–
Kathodenreaktion: 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O

Auf diese Art und Weise kann elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgezogen werden.
Wasserstoff, der in einem Brennstofftank 4 aufbewahrt wird, oder Reforming-Gas, das Wasserstoff enthält, das durch Reforming von Kohlenwasserstoffbrennstoff erhalten wird, beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin, die in dem Brennstofftank 4 aufbewahrt werden, und durch eine Reformingeinrichtung reformiert wurden, wird dem Brennstoffversorgungskanal 3 zugeführt.
Ein Kühlmittelkanal 5 geht durch den Brennstoffzellenstapel 1 hindurch. Ein Kühlmittel, das in einem Kühlmitteltank 6 aufbewahrt wird (Gefrierschutzmittel, oder eine Mischung aus Gefrierschutzmittel und Wasser) wird dem Brennstoffzellenstapel 1 durch eine Pumpe 7 zugeführt, und durch den Brennstoffzellenstapel 1 umgewälzt, um diese zu kühlen. Die Wärme, die von dem Brennstoffzellenstapel 1 zurückgewonnen wird, wird an die Atmosphäre über einen Wärmetauscher 8 abgegeben.
Um die Leistung der Elektrolytmembran 1 m vollständig zu erreichen, und den Energieerzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 1 zu erhöhen, muss der Befeuchtungszustand der Elektrolytmembran 1 m auf einem optimalen Pegel gehalten werden. Zu diesem Zweck ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Luftbefeuchter 9 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 1 vorgesehen, um die Luft und wasserstoffhaltiges Gas anzufeuchten, welche der Elektrolytmembran 1 m zugeführt werden. Eine Steuerung 20 treibt eine Pumpe 11 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 1 an, und liefert Wasser an den Luftbefeuchter 9 von einem Wasserspeichertank 12 über einen Wasserversorgungskanal 13. Wasser, das nicht in dem Luftbefeuchter 9 verbraucht wurde, wird zum Wasserspeichertank 12 zurückgeschickt.
Der Brennstoffzellenstapel 1 ist vom Typ mit äußerer Befeuchtung, welcher die Elektrolytmembran 1 m unter Verwendung des Luftbefeuchters 9 befeuchtet, kann jedoch auch vom Typ mit innerer Befeuchtung sein, bei welchem der Wasserversorgungskanal 13 in Kontakt mit dem Luftversorgungskanal 2 (oder Kathodenkanal), dem Brennstoffversorgungskanal 3 (oder dem Anodenkanal) auf einer der beiden Seiten eines porösen Materials versetzt wird, wobei Luft und wasserstoffhaltiges Gas dadurch befeuchtet werden, dass Wasser in den Luftversorgungskanal 2 und den Brennstoffversorgungskanal 3 von dem Wasserversorgungskanal 13 aus eindringt.
Das Wasser, das in dem Luftbefeuchter 9 verbraucht wird, wird als Teil des Ausstoßes von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegeben, so dass ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15, der das in den von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebenen Substanzen enthaltene Wasser abtrennt, stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 angeschlossen ist. Das Wasser, das von dem Gas-Flüssigkeits-Abschalter 15 abgetrennt wird, wird zum Wasserspeichertank 12 über eine Pumpe 10 und ein Ventil 19 zurückgeführt. Eine Heizvorrichtung 21 ist vorgesehen, um das Wasser in dem Wasserspeichertank 12 zu erwärmen. Anstelle der Heizvorrichtung 21 kann auch ein Brenner vorgesehen sein. Der Wasserspeichertank 12 weist eine solche Konstruktion auf, dass er einer Volumenerweiterung standhält, wenn die nachstehend geschilderte, zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wird, und das Wasser im Inneren einfriert.
Weiterhin sind die Bauteile des Systems mit Ausnahme des Kühlmitteltanks 6, der Pumpe 7 und des Wärmetauschers 8 (Hauptbauteilelemente wie beispielsweise der Brennstoffzellenstapel 1, der Luftbefeuchter 9 und der Wasserspeichertank 12) in einem Schutzgehäuse 14 aufgenommen, das aus einem adiabatischen Material besteht, um die Temperaturverringerung der Bauteile zu unterdrücken, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wird.
Reines Wasser wird zum Befeuchten der Elektrolytmembran 1 m verwendet. Dies liegt daran, dass dann, wenn Verunreinigungen enthaltendes Wasser dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, die Verunreinigungen an der Elektrolytmembran 1 m anhaften, und die Leistung des Brennstoffzellenstapels 1 verringern. Wenn reines Wasser zum Befeuchten verwendet wird, kann jedoch das Wasser in dem System einfrieren, wenn das System Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ausgesetzt ist, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde, und kann die innere Konstruktion des Systems durch die Volumenerweiterung beim Einfrieren beschädigt werden. Das gefrorene Wasser kann die Luft- oder Wasserkanäle sperren, und das erneute Einschalten des Systems verhindern.
Daher sind bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Betriebsarten vorgesehen, um das System gegen das Einfrieren von Wasser zu schützen, wenn das Brennstoffzellensystem Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ausgesetzt ist, und wird das System gegen das Einfrieren von Wasser durch eine dieser Betriebsarten geschützt, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wird. Diese beiden Betriebsarten sind im Einzelnen:

Betriebsart (1): Die Pumpe 11 wird so angetrieben, dass sie das Wasser in dem Wasserversorgungskanal 13 umwälzt, und das Wasser in dem Wasserspeichertank 12 wird durch die Heizvorrichtung 21 aufgewärmt, die in dem Wasserspeichertank 12 vorgesehen ist, um das Einfrieren von Wasser in dem System zu verhindern.
Betriebsart (2): Die Pumpen 10, 11 werden so betrieben, dass sie Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 in den Wasserspeichertank 12 ablassen, und das Einfrieren von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 wird dadurch verhindert, dass praktisch sämtliches Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 entfernt wird. Wenn das System erneut eingeschaltet wird, wird die Heizvorrichtung 21 so betrieben, dass sie das Wasser auftaut, das in dem Wasserspeichertank 12 eingefroren ist.

Wenn der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wird, wählt die Steuerung 20 eine der Schutzbetriebsarten aus, um das System gegen das Einfrieren von Wasser zu schützen.
Signale werden in die Steuerung 20 von einem Sensor 31 für die restliche Brennstoffmenge eingegeben, welcher die Brennstoffmenge erfasst, die noch in dem Brennstofftank 4 vorhanden ist, von einem GPS-Empfänger 32, der Information bezüglich der Position des Fahrzeugs von Satelliten empfängt, von einem Außenlufttemperatursensor 33, der die Temperatur (Außenlufttemperatur) außerhalb des Fahrzeugs erfasst, von einem Beleuchtungssensor 34, welcher die Beleuchtung in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst, von einem Sauerstoffsensor 35, der die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung des Fahrzeugs erfasst, von einem Sensor 36 für die Ladezustand einer Batterie, welche den Ladezustand einer nicht dargestellten Batterie erfasst, von einer Eingabevorrichtung 37, die dazu dient, dem Fahrer die Eingabe von Information wie beispielsweise die Zeit für erneutes Einschalten des Fahrzeugs zu ermöglichen, von einem Wassertemperatursensor 38, der die Temperatur des Wassers in dem Wasserspeichertank 12 erfasst, und von einem Wassermengensensor 39, der die Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 1 erfasst (speziell die Wassermenge in dem Wasserpuffer in dem Brennstoffzellenstapel 1), zusammen mit Zeit- und Dateninformation von einer Uhr 51, Klimainformation von einem Radio 52, und einem Startsignal und einem Stoppsignal für das System von einem Systemstart/Stoppschalter 53.
Die Steuerung 20 berechnet, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wurde, die Energiemenge, die dazu erforderlich ist, um das System in jeder der Schutzbetriebsarten zu schützen, und schützt das System durch Auswahl jener Schutzbetriebsart, welche die geringere Energiemenge benötigt. Selbst wenn das Brennstoffzellensystem auf diese Art und Weise geschützt ist, hält dann, wenn der Fahrer einen Startvorgang durch Schalten des Schalters 53 durchführt, und die Absicht anzeigt, den Brennstoffzellenstapel 1 in Gang zu setzen, die Steuerung 20 sofort die Schutzverarbeitung an, und setzt den Brennstoffzellenstapel 1 in Gang.
Das Brennstoffzellensystem weist weiterhin eine Anzeige 41 auf, die eine Warnnachricht anzeigt, oder eine Warnlampe leuchten lässt, und den Fahrer auffordert, Brennstoff nachzufüllen, wenn die erfasste, verbleibende Brennstoffmenge oder der Batterieladezustand auf einen niedrigen Pegel abgesunken ist, und weist einen Alarm 42 auf, der ein Warngeräusch oder eine Warnnachricht ausgibt, und den Fahrer auffordert, Brennstoff nachzufüllen, wenn die festgestellte, restliche Brennstoffmenge oder der Batterieladezustand auf einen niedrigen Pegel abgesunken ist.
Nachstehend wird die Schutzverarbeitung zum Schutz des Systems beschrieben, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wurde.
2 zeigt eine Schutzbetriebsart-Auswahlverarbeitung, die von der Steuerung 20 durchgeführt wird, und die wiederholt in einem vorbestimmten Intervall (beispielsweise alle 10 Millisekunden) ausgeführt wird.
Zuerst wird in einem Schritt S1 festgestellt, ob der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wurde, auf Grundlage des Startsignals und des Stoppsignals, die der Steuerung 20 von dem Systemstart/Stoppschalter 53 zugeführt werden. Wenn beispielsweise das Startsignal nicht eingegeben wird, nachdem das Stoppsignal eingegeben wurde, wird festgestellt, dass sich der Brennstoffzellenstapel 1 in dem Abschaltzustand befindet. Hierbei ist mit Abschaltzustand nicht ein Übergang zum Abschalten oder eine Leerlaufabschaltung gemeint, sondern dass der Fahrer den Schalter 53 ausgeschaltet hat, und das Fahrzeug verlassen hat, so dass das Fahrzeug über eine bestimmte Zeit (beispielsweise 1 Woche) abgeschaltet war. Wenn der Brennstoffzellenstapel 1 in Betrieb ist, besteht keine Befürchtung dafür, dass das Wasser in dem System einfriert, infolge der Wärmeerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 1, so dass die Routine beendet wird.
Wenn festgestellt wird, dass der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wurde, geht die Routine zu einem Schritt S2 über, und wird eine Brennstoffzellentemperatur TEMP_c gelesen. Die Brennstoffzellentemperatur TEMP_c kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 selbst sein, aber da das vorliegende Problem hierbei das Einfrieren von Wasser in dem System ist, wird die Temperatur des Wassers verwendet, das zum Befeuchten eingesetzt wird, also die Temperatur des Wassers in dem Wasserspeichertank 12 (nachstehend genauso).
In einem Schritt S3 wird bestimmt, ob die Brennstoffzellentemperatur TEMP_c unter eine vorbestimmte Temperatur TEMPth0 abgesunken ist oder nicht (eine Temperatur in der Nähe von 0 °C, beispielsweise 5 °C). Wenn sie nicht unter die vorbestimmte Temperatur abgesunken ist, besteht keine Befürchtung in der Hinsicht, dass das Wasser in dem System einfriert, so dass ein Schutz nicht erforderlich ist, und diese Routine beendet wird. Wenn die Brennstoffzellentemperatur TEMP_c unter die vorbestimmte Temperatur TEMPth0 abgesunken ist, kann das Wasser in dem System einfrieren, so dass die Routine die Systemschutzverarbeitung eines Schrittes S4 und nachfolgender Schritte durchführt.
In dem Schritt S4 wird eine Zeit RST1 für ein erneutes Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 berechnet. Die Zeit für das erneute Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 wird entsprechend dem in 6 dargestellten Flussdiagramm berechnet, das nachstehend genauer erläutert wird.
In einem Schritt S5 wird die zukünftige Änderung der Außenlufttemperatur berechnet, und werden Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA erzeugt. Die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten werden beispielsweise bis zur berechneten Zeit RST1 für das erneute Einschalten erzeugt. Die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA stellen Information dar, welche die Beziehung nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels 1 und der Außenlufttemperatur angibt, und ein Beispiel hierfür ist in 3 dargestellt. Die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA werden entsprechend dem in 7 gezeigten Flussdiagramm erzeugt, das nachstehend genauer erläutert wird.
In Schritten S6, S7 werden eine Energiemenge E1, die benötigt wird, wenn das System in der ersten Schutzbetriebsart geschützt wird (Schutz durch Erwärmen und der Aufrechterhaltung der Temperatur des Wassers), bis zur berechneten RST1 für das erneute Einschalten, und eine Energiemenge E2 berechnet, die erforderlich ist, wenn das System in der zweiten Schutzbetriebsart geschützt wird (Schutz durch Ablassen von Wasser von dem Brennstoffzellenstapel 1 in den Wasserspeichertank 12), bis zur berechneten RST1 für das erneute Einschalten, auf Grundlage der Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA, die im Schritt S5 erzeugt wurden, und der berechneten Zeit RST1 für das erneute Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1, die im Schritt S4 berechnet wurde.
Im Einzelnen werden zuerst die Energiemengen E1, E2 berechnet, die dazu erforderlich sind, das System zu schützen, wenn die Außenlufttemperatur bei der momentanen Außenlufttemperatur konstant ist. In Bezug auf die Energiemenge E1, die benötigt wird, wenn die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wird, wird diese als jene Energiemenge berechnet, die dazu erforderlich ist, die von dem Brennstoffzellenstapel 1 nach außen abgegebene Wärme durch Erwärmung mit der Heizvorrichtung 21 zu kompensieren, und die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 oberhalb von 0 °C zu halten. Die Energiemenge E2, die benötigt wird, wenn die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wird, wird als die Summe der Energiemenge, die zum Erwärmen und Auftauen von Wasser, das in dem Wasserspeichertank 12 gefroren ist, durch die Heizvorrichtung 21 benötigt wird, und jener Energiemenge berechnet, die dazu benötigt wird, die von der Oberfläche des Eises während des Auftauens entweichende Wärme durch Erwärmung mit der Heizvorrichtung 21 zu kompensieren. Hierbei wird zur Vereinfachung jene Energiemenge nicht berücksichtigt, die für den Antrieb der Pumpen 10, 11 benötigt wird, jedoch können zur genaueren Berechnung der Energiemengen E1, E2 diese Energiemengen berücksichtigt werden.
4 zeigt ein Beispiel für die Energiemengen E1, E2, die zum Schutz erforderlich sind, und auf diese Art und Weise berechnet wurden. Unabhängig davon, welche der Schutzbetriebsarten ausgewählt ist, nimmt die zum Schutz des Systems erforderliche Energiemenge zu, je länger die Abschaltzeit ist. Wenn die Abschaltzeit kurz ist, nimmt die Energiemenge schneller in der zweiten Schutzbetriebsart zu als in der ersten Schutzbetriebsart, so dass die Energiemenge E1 kleiner ist als die Energiemenge E2. Wenn die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt ist, nimmt die erforderliche Energiemengenerhöhungsrate jenseits einer bestimmten Abschaltzeit (t1 in der Figur) ab, und kehren sich die relativen Größen der Energiemengen E1, E2, die bei Auswahl der ersten Schutzbetriebsart und der zweiten Schutzbetriebsart benötigt werden, bei einer bestimmten Abschaltzeit (t2 in der Figur) um.
Dies liegt daran, dass zwar in der ersten Schutzbetriebsart die Abschaltzeit und die erforderliche Schutzenergiemenge in einer linearen Beziehung stehen, jedoch in der zweiten Schutzbetriebsart die erforderliche Schutzenergiemenge in Abhängigkeit von der Menge an Eis in dem Wasserspeichertank 12 bestimmt wird, die abhängig von der Abschaltzeit zunimmt, wobei dann, nachdem das gesamte Wasser in dem Wasserspeichertank 12 gefroren ist, die Eismenge konstant ist, unabhängig von der Abschaltzeit. Wenn jedoch das gesamte Wasser in dem Wasserspeichertank 12 gefroren ist, sinkt die Wassertemperatur unter 0 °C ab, und nimmt die zum Auftauen erforderliche Energiemenge zu, so dass die für den Schutz erforderliche Energiemenge allmählich abhängig von der Abschaltzeit zunimmt, selbst nachdem das gesamte Wasser gefroren ist.
Weiterhin wird die für den Schutz erforderliche Energiemenge durch die Außenlufttemperatur beeinflusst. Wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, sinkt die Systemtemperatur stark ab, so dass die für den Schutz erforderliche Energiemenge zunimmt (die Steigung der erforderlichen Energiemenge zunimmt). In diesem Zusammenhang werden in den Schritten S6, S7 die auf diese Art und Weise berechneten Energiemengen E1, E2 auf Grundlage der im Schritt S4 erzeugten Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA korrigiert, und werden als die erforderlichen Energiemengen E1, E2 eingesetzt, wenn die beiden Betriebsarten ausgewählt werden. 5 zeigt ein Beispiel für die Daten nach einer Korrektur.
In einem Schritt S8 werden die Energiemenge E1, die erforderlich ist, wenn die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wird, und die Energiemenge E2 verglichen, wenn die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wird. Wenn die Energiemenge E1 kleiner ist als die Energiemenge E2, geht die Routine zu einem Schritt S9 über, wird die erste Schutzbetriebsart ausgewählt, und wird eine Flag FPMODE auf "1" eingestellt, die anzeigt, dass die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wurde. Im Gegensatz hierzu geht, wenn die Energiemenge E1 größer ist als die Energiemenge E2, die Routine zu einem Schritt S10 über, wird die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt, und wird die Flag FPMODE auf "2" eingestellt, was anzeigt, dass die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wurde.
Als nächstes wird die Berechnungsverarbeitung für die Zeit zum erneuten Einschalten, die von der Steuerung 20 durchgeführt wird, unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Diese Berechnungsverarbeitung wird unter der Annahme durchgeführt, dass der Fahrer das Fahrzeug einmal pro Woche an einem bestimmten Tag (beispielsweise Sonntag) benutzt.
Diese Berechnungsverarbeitung entspricht der Verarbeitung in dem Schritt S4 von 2.
Zuerst wird in einem Schritt S21 ein Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten gelesen. Der Anfangswert RST0 wird auf eine geeignete Zeit (beispielsweise 12:00) eingestellt, wenn das Fahrzeug von der Fabrik aus versandt wird, oder an den Benutzer geliefert wird, und wird auf einen neuen Wert jedesmal dann aktualisiert, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 erneut eingeschaltet wird, durch eine Verarbeitung (Lernverarbeitung) eines Schrittes S25 und nachfolgender Schritte.
In einem Schritt S22 wird bestimmt, ob eine externe Eingabezeit RST2 (Zeit für das erneute Einschalten, berechnet vom Fahrer) existiert, die von der Eingabevorrichtung 37 eingegeben wird. Wenn die externe Eingabezeit RST2 nicht vorhanden ist, geht die Routine zu einem Schritt S23 über, und wird die berechnete Zeit RST1 für das erneute Einschalten auf die Zeit RST0 nach einer Woche eingestellt. Im Gegensatz hierzu, wenn die externe Eingabezeit RST2 vorhanden ist, geht die Routine zu einem Schritt S24 über, und wird die berechnete Zeit RST1 für das erneute Einschalten auf die Zeit RST2 nach einer Woche eingestellt.
Die berechnete Zeit RST1 für das erneute Einschalten wird durch die voranstehend geschilderte Verarbeitung berechnet, jedoch wird zur Erhöhung der Berechnungsgenauigkeit in diesem Flussdiagramm der Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten, der für die nachfolgende Berechnung eingesetzt wird, auf Grundlage der Differenz zwischen der aktuellen Zeit für das erneute Einschalten und der berechneten Zeit für das erneute Einschalten korrigiert. Im Einzelnen geht, wenn die berechnete Zeit RST1 für das erneute Einschalten in dem Schritt S23 eingestellt wird, und der Brennstoffzellenstapel 1 erneut eingeschaltet wird, die Routine von dem Schritt S25 zu einem Schritt S26 über, und wird die aktuelle Startzeit als RST3 gespeichert. In einem Schritt S27 wird bestimmt, ob die Differenz zwischen der aktuellen Zeit RST3 für das erneute Einschalten und der berechneten Zeit RST1 für das erneute Einschalten kleiner ist als ein vorbestimmter Wert ΔRSTth. Ist sie niedriger, wird der Anfangswert RST0 für die Zeit zum erneuten Einschalten nicht korrigiert, und wenn sie nicht niedriger ist, geht die Routine zu einem Schritt S28 über, und wird der Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten folgendermaßen korrigiert: RST0 = RST1 + (RST3 – RST1) × G2wobei G2 = Verstärkung ist.
Entsprechend geht, wenn die berechnete Zeit RST1 für das erneute Einschalten in dem Schritt S24 eingestellt wird, und der Brennstoffzellenstapel 1 erneut eingeschaltet wird, die Routine von einem Schritt S29 zu einem Schritt S30 über, und wird der Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten auf RST2 korrigiert. Wenn ein erneutes Einschalten durchgeführt wurde, geht die Routine von dem Schritt S29 zu einem Schritt S31 über, und wird die tatsächliche Zeit zum erneuten Einschalten als RST3 gespeichert.
Dann wird in einem Schritt S32 festgestellt, ob die Differenz zwischen RST3 und der berechneten Zeit RST1 für das erneute Einschalten (=RST2) kleiner ist als der vorbestimmte Wert ΔRSTth. Wenn die Differenz kleiner ist als der vorbestimmte Werte ΔRSTth, geht die Routine zu einem Schritt S33 über, und es wird der Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten auf RST2 korrigiert, anderenfalls geht die Routine zum Schritt S34 über, und wird der Anfangswert RST0 für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten folgendermaßen korrigiert: RST0 = RST2 + (RST3 – RST2) × G1wobei G1 = Verstärkung ist.
Als nächstes wird die Prozedur, die von der Steuerung 20 zur Erzeugung der Außenlufttemperaturverschiebung durchgeführt wird, unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Diese Verarbeitung entspricht der Verarbeitung in dem Schritt S5 von 2.
Zuerst wird in einem Schritt S41 festgestellt, ob eine Reserveleistungsmenge Pb größer ist als ein vorbestimmter Wert Pbth. Wenn die Reserveleistungsmenge Pb kleiner ist als der vorbestimmte Wert Pbth, geht die Routine zu einem Schritt S42 über, und wird die Erzeugung der Außenlufttemperaturverschiebung unterbrochen, um zu verhindern, dass die gesamte Reserveleistung aufgebraucht wird.
Wenn die Reserveleistungsmenge Pb größer ist als der vorbestimmte Wert Pbth, geht die Routine zu einem Schritt S43 über, und wird festgestellt, ob die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA bereits vorhanden sind. Falls die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA nicht vorhanden sind, geht die Routine zu einem Schritt S44 über, und zu folgenden Schritten, um die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zu erzeugen, wogegen dann, wenn sie vorhanden sind, die Routine zu einem Schritt S51 und nachfolgenden Schritten übergeht, um die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zu korrigieren, um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen.
In dem Schritt S44 wird von dem GPS-Empfänger 32 empfangene Positionsinformation gelesen. In einem Schritt S45 werden der Tag und die Zeit gelesen, an welchen der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet wurde, die in dem Speicher der Steuerung 20 gespeichert sind. Weiterhin werden in einem Schritt S46 Klimainformationen entsprechend der Fahrzeugposition sowie der Tag und die Zeit (zukünftiges Wetter, Temperaturänderung) gelesen, die von dem Radio 52 akquiriert werden.
In einem Schritt S47 werden zukünftige Außenlufttemperaturverschiebungen (beispielsweise Außenlufttemperaturverschiebungen bis zur berechneten Zeit RST1 zum erneuten Einschalten nach einer Woche) auf Grundlage der Klimainformation berechnet, und werden die in 3 gezeigten Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA erzeugt. Die Temperaturverschiebung kann aus der Fahrzeugposition, dem Tag und der Zeit (Jahreszeit) berechnet werden, ohne Klimainformation zu akquirieren, oder es kann die Temperaturverschiebung aus der Fahrzeugposition, dem Tag und der Zeit (der Jahreszeit) berechnet werden, wenn aus irgendeinem Grund Klimainformation nicht akquiriert werden kann.
In einem Schritt S48 wird eine momentane Außenlufttemperatur TEMPo gelesen, die von dem Außenlufttemperatursensor 33 erfasst wird. In einem Schritt S49 wird eine Beleuchtung ILM, welche das Fahrzeug umgibt, und von dem Beleuchtungssensor 34 erfasst wird, gelesen. In einem Schritt S50 werden die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA, die in dem Schritt S47 erzeugt wurden, auf Grundlage der momentanen Außenlufttemperatur TEMPo und der Beleuchtung ILM korrigiert, um die Genauigkeit der Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA noch weiter zu erhöhen. Wenn beispielsweise die erfasste Außenlufttemperatur TEMPo höher ist als die Außenlufttemperatur auf Grundlage der Klimainformation, oder die erfasste Beleuchtung ILM höher ist als ein vorbestimmter Wert ILMth, werden die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zu einer höheren Temperatur verschoben. Der vorbestimmte Wert ILMth kann beispielsweise in dem Speicher in Abhängigkeit von der Fahrzeugposition (geographische Breite, Höhe) und vom Tag (Jahreszeit) gespeichert sein, und auf einen Beleuchtungswert eingestellt werden, bei welchem direktes Sonnenlicht auf das Fahrzeug auftrifft.
Wenn im Schritt S43 festgestellt wird, dass die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA bereits vorhanden sind, geht die Routine zu einem Schritt S51 über, und wird eine Differenz ΔT zwischen einem Wert, der durch Nachschlagen der Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA (Außenlufttemperatur-Berechnungswert) und der momentanen Außenlufttemperatur TEMPo erhalten wird, die von dem Außenlufttemperatursensor 33 erfasst wird, berechnet. Wenn in einem Schritt S42 festgestellt wird, dass der Absolutwert von ΔT größer ist als ein vorbestimmter Wert ΔTth, geben die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA nicht verlässlich die tatsächliche Außenlufttemperaturverschiebung wieder, so dass die Routine zu einem Schritt S53 übergeht, um die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zu korrigieren. Anderenfalls stimmen die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA gut mit der tatsächlichen Außenlufttemperaturverschiebung überein, so dass die Routine beendet wird, ohne die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zu korrigieren.
In dem Schritt S53 wird die Beleuchtung ILM von dem Beleuchtungssensor 34 festgestellt. In einem Schritt S54 werden die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA auf Grundlage von ΔT und der Beleuchtung ILM korrigiert. Speziell werden die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA beispielsweise um ΔT verschoben, oder werden, wenn die erfasste Beleuchtung ILM stärker ist als der vorbestimmte Wert ILMth, die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA zur ansteigenden Seite verschoben.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 8 die Schutzverarbeitung beschrieben, die von der Steuerung 20 durchgeführt wird, wenn die erste Schutzbetriebsart in dem Schritt S9 von 2 ausgewählt wird.
Zuerst wird in einem Schritt S61 festgestellt, ob die erste Schutzbetriebsart ausgewählt ist, auf Grundlage des Wertes der Flag FPMODE. Wenn festgestellt wird, dass die Flag FPMODE gleich "1" ist, und die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wurde, geht die Routine zu einem Schritt S62 über, anderenfalls wird diese Routine beendet.
In dem Schritt S62 wird die restliche Energiemenge rE (festliche Brennstoffmenge, restliche Batterieladung) erfasst. In einem Schritt S63 wird festgestellt, ob die erfasste, verbleibende Energiemenge rE größer ist als ein vorbestimmter Wert rEth. Der vorbestimmte Wert rEth wird beispielsweise auf die minimale Energiemenge eingestellt, die zum erneuten Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 und dann zum Fahren des Fahrzeugs für eine bestimmte Zeit nach erneutem Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 benötigt wird. Wenn die verbleibende Energiemenge rE kleiner ist als der vorbestimmte Wert rEth, geht die Routine zu einem Schritt S64 über, und anderenfalls geht die Routine zu einem Schritt S68 über.
In dem Schritt S64 wird festgestellt, ob die Leistungsmenge Pi für die Anzeige 41 und den Alarm 42 größer ist als ein vorbestimmter Wert Pith. Ist sie größer als der vorbestimmte Wert Pith, dann geht die Routine zu einem Schritt S65 über, werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 aktiviert, geht die Routine zu einem Schritt S66 über, und wird die Heizvorrichtung 21 abgeschaltet. Andererseits geht, wenn die Leistungsmenge Pi für die Anzeige 41 und den Alarm 42 kleiner ist als der vorbestimmte Wert Pith, die Routine zu einem Schritt S67 über, und werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 abgeschaltet.
Wenn in dem Schritt S63 festgestellt wird, dass die verbleibende Energiemenge rE größer ist als der vorbestimmte Wert rEth, und die Routine zu dem Schritt S68 übergeht, werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 abgeschaltet, und wird die Brennstoffzellentemperatur TEMPc gelesen.
In einem Schritt S70 wird festgestellt, ob die Brennstoffzellentemperatur TEMPc niedriger ist als eine vorbestimmte Temperatur TEMPth (beispielsweise 2 °C). Falls sie niedriger ist als TEMPth, geht die Routine zu einem Schritt S71 über, und anderenfalls geht die Routine zum Schritt S66 über, und wird die Heizvorrichtung 21 abgeschaltet.
In dem Schritt S71 wird eine Sauerstoffkonzentration CNo erfasst. In einem Schritt S72 wird festgestellt, ob die Sauerstoffkonzentration CNo größer ist als eine vorbestimmte Konzentration CNth. Die vorbestimmte Konzentration CNth kann beispielsweise auf einen Wert CNmin + α eingestellt werden, der einen bestimmten Toleranzbereich in Bezug auf die Grenze für die Sauerstoffkonzentration CNmin aufweist, welche keine negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper hervorruft. Wenn die Sauerstoffkonzentration CNo höher ist als die vorbestimmte Konzentration CNth, geht die Routine zu einem Schritt S73 über, und wird die Heizvorrichtung 21 aktiviert, um das Wasser in dem Wasserspeicher 12 zu erwärmen. Wenn sie niedriger ist als die vorbestimmte Konzentration CNth, geht die Routine zu dem Schritt S66 über, und wird die Heizvorrichtung 21 abgeschaltet. Der Grund für das Abschalten der Heizvorrichtung 21 dann, wenn die Sauerstoffkonzentration CNO niedriger ist als die vorbestimmte Konzentration CNth, besteht darin, dass dann, wenn die Heizvorrichtung 21 durchgehend in einem geschlossenen Raum betrieben wurde, beispielsweise auf einem Tiefgaragenparkplatz oder in einem Innenraumparkbereich, die Sauerstoffkonzentration um das Fahrzeug herum absinken würde, und möglicherweise einen negativen Einfluss auf Personen in der näheren Umgebung haben könnte.
In einem Schritt S74 wird festgestellt, ob die momentane Zeit t vor RST1 + Δt (Δt: vorbestimmte Zeit) liegt, und wird, wenn sie vor RST1 + Δt liegt, die Routine beendet. Liegt sie nach dieser Zeit, so geht die Routine zu einem Schritt S75 über, und wird eine Korrekturbetriebsart für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten eingesetzt, welche die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten korrigiert, und die Schutzbetriebsartauswahl überprüft. Die vorbestimmte Zeit Δt wird auf einen frei wählbare Zeit von Null oder mehr eingestellt. Die Korrekturbetriebsart für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten wird später beschrieben.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 die Schutzverarbeitung beschrieben, die von der Steuerung 20 durchgeführt wird, wenn die zweite Schutzbetriebsart in dem Schritt S10 ausgewählt wird.
Zuerst wird in einem Schritt S81 festgestellt, ob die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wurde, auf Grundlage des Wertes der Flag FPMODE. Wenn festgestellt wird, dass die Flag FPMODE gleich "2" ist, und die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wurde, geht die Routine zu einem Schritt S82 über, und anderenfalls wird diese Routine beendet.
In dem Schritt S82 wird die verbleibende Energiemenge rE (verbleibende Brennstoffmenge, verbleibende Batterieladung) erfasst. In einem Schritt S83 wird festgestellt, ob die verbleibende Energiemenge rE kleiner ist als der vorbestimmte Wert rEth. Der vorbestimmte Wert rEth wird auf die minimale Energiemenge eingestellt, die dazu benötigt wird, den Brennstoffzellenstapel 1 erneut einzuschalten, und dann das Fahrzeug für eine bestimmte Zeit nach dem erneuten Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 fahren zu lassen. Ist er niedriger als der vorbestimmt Wert rEth, so geht die Routine zu einem Schritt S84 über, und wird festgestellt, ob die Leistungsmenge Pi für die Anzeige 41 und den Alarm 42 größer ist als der vorbestimmte Pith, und anderenfalls geht die Routine zu einem Schritt S89 über.
Wenn in dem Schritt S84 festgestellt wird, dass die Leistungsmenge Pi für die Anzeige 41 und den Alarm 42 größer ist als der vorbestimmte Wert Pith, geht die Routine zu einem Schritt S85 über, und werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 aktiviert. Anderenfalls geht die Routine zu einem Schritt S86 über, und werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 abgeschaltet. Die Routine geht dann zu einem Schritt S87 über, die Pumpen 11, 12 werden abgeschaltet, die Heizvorrichtung 81 wird in einem Schritt S88 abgeschaltet, und diese Routine wird beendet.
Wenn in dem Schritt S83 festgestellt wird, dass die verbleibende Energiemenge rE größer ist als der vorbestimmte Wert rEth, werden die Anzeige 41 und der Alarm 42 im Schritt S89 abgeschaltet. In einem Schritt S90 wird ein Entladungszustand erfasst. Hierbei wird zur Bestimmung des Entladungszustandes die Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 1 durch einen Wassermengensensor 39 erfasst.
In dem Schritt S91 geht die Routine zu einem Schritt S92 über, wenn festgestellt wird, dass die erfasste Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel 1 nicht Null ist, und das Wasser nicht vollständig abgelassen wurde. In dem Schritt S92 werden die Pumpen 10, 11 aktiviert, und wird das Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 1 in den Wasserspeichertank 12 abgelassen. Zu diesem Zeitpunkt dreht sich die Pumpe 11 in entgegengesetzter Richtung, um Wasser abzulassen, und von dem Brennstoffzellenstapel 1 zum Wasserspeichertank 12 zurückzuführen. Wenn festgestellt wird, dass die erfasste Wassermenge gleich Null ist, und das Wasser vollständig abgelassen wurde, geht im Gegensatz hierzu die Routine zu einem Schritt S93 über, und werden die Pumpen 10, 11 abgeschaltet.
In einem Schritt S94 wird festgestellt, ob die momentane Zeit t eine vorbestimmte Zeit Δt1 vor der berechneten RST1 für erneutes Einschalten erreicht hat. Wenn festgestellt wird, dass dieser Zeitpunkt erreicht wurde, geht die Routine zum Schritt S95 über, und wird die Brennstoffzellentemperatur TEMPc gelesen. Die vorbestimmte Zeit Δt1 wird hierbei länger eingestellt als jene Zeit, die dazu benötigt wird, das Eis in dem Wassertank 12 durch Erwärmung durch die Heizvorrichtung 21 aufzutauen.
In einem Schritt S96 wird festgestellt, ob die Brennstoffzellentemperatur TEMPc niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur TEMPth. Ist sie niedriger als TEMFth, so geht die Routine zu einem Schritt S97 über, und wird die Heizvorrichtung 12 aktiviert, um das Eis in dem Wassertank 12 aufzutauen. Anderenfalls ist ein Auftauen unnötig, so dass die Routine zu einem Schritt S98 übergeht, und die Heizvorrichtung 21 abgeschaltet wird. Mit dem Auftauen wird zu einer vorbestimmten Zeit Δt1 vor der berechneten Zeit RST1 zum erneuten Einschalten begonnen, damit das Auftauen des Eises in dem Wassertank 2 zur berechneten Zeit RST1 für das erneute Einschalten fertig gestellt ist, und um ein sofortiges, erneutes Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1 zu ermöglichen.
In einem Schritt S99 wird festgestellt, ob die momentane Zeit t vor RST1 + Δt2 (Δt2: vorbestimmte Zeit) liegt, und wenn sie vor RST1 + Δt2 liegt, wird diese Routine beendet. Liegt sie hinter dieser Zeit, so geht die Routine zu einem Schritt S100 über, und erfolgt ein Übergang auf die Korrekturbetriebsart für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten, welche die Zeit zum erneuten Einschalten korrigiert, und die Schutzbetriebsartauswahl überprüft. Die vorbestimmte Zeit Δt2 wird auf eine frei wählbare Zeit von Null oder länger eingestellt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 10 die Verarbeitung beschrieben, die von der Steuerung 20 durchgeführt wird, wenn ein Übergang auf die Korrekturbetriebsart für die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten durchgeführt wird (nachstehend als Korrekturbetriebsart bezeichnet). In der Korrekturbetriebsart korrigiert die Steuerung 20 die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten des Brennstoffzellenstapels 1, und überprüft die Schutzbetriebsartauswahl auf Grundlage der korrigierten Berechnungszeit für erneutes Einschalten.
Zuerst wird in einem Schritt S101 festgestellt, ob die Korrekturbetriebsart eingesetzt wird. Falls festgestellt wird, dass die Korrekturbetriebsart nicht eingesetzt wird, wird diese Routine beendet, und falls festgestellt wird, dass die Korrekturbetriebsart eingesetzt wird, geht die Routine zu einem Schritt S102 über, und wird die Brennstoffzellentemperatur TEMPc gelesen.
In einem Schritt S103 wird festgestellt, ob die Brennstoffzellentemperatur TEMPc niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur TEMPth0 (beispielsweise 5 °C). Ist sie niedriger als die vorbestimmte Temperatur TEMPth0, so geht die Routine zu einem Schritt S104 über, und wird die berechnete Zeit RST1 für erneutes Einschalten korrigiert, um eine korrigierte Zeit RST1' zum erneuten Einschalten zu berechnen. Die korrigierte berechnete Zeit RST1' zum erneuten Einschalten wird entsprechend dem in 11 gezeigten Flussdiagramm berechnet, das später beschrieben wird.
In einem Schritt S105 wird die Außenlufttemperaturverschiebung bis zur vorhergesagten Zeit RST1' für erneutes Einschalten nach der Korrektur berechnet, und werden die Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA wieder hergestellt. Die Wiederherstellung der Außenlufttemperaturverschiebungsdaten TPDATA wird entsprechend dem bereits geschilderten, in 7 dargestellten Flussdiagramm durchgeführt, so dass hier keine erneute Beschreibung erfolgt.
In den Schritten S106, S107 wird jeweils die Energiemenge E1' bzw. E2' berechnet, die benötigt wird, wenn das System bis zur korrigierten, berechneten Zeit RST1' für erneutes Einschalten durch Auswahl der ersten Schutzbetriebsart oder der zweiten Schutzbetriebsart geschützt war. Das Verfahren zur Berechnung der Energiemengen E1', E2' ist gleich jenem für die Energienmengen E1, E2 in den Schritten S6, S7, so dass auf seine Beschreibung verzichtet wird.
In einem Schritt S108 werden die Energiemenge E1', die erforderlich ist, wenn die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wird, und die Energiemenge E2' verglichen, wenn die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wird. Wenn die Energiemenge E1' kleiner ist als die Energiemenge E2', geht die Routine zu einem Schritt S109 über, wird die erste Schutzbetriebsart ausgewählt, und wird die Flag FPMODE auf "1" eingestellt, was anzeigt, dass die erste Schutzbetriebsart ausgewählt wurde. Im Gegensatz hierzu geht die Routine zu einem Schritt S110 über, wenn die Energiemenge E1' größer ist als die Energiemenge E2', wird die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt, und wird die Flag FPMODE auf "2" eingestellt, was anzeigt, dass die zweite Schutzbetriebsart ausgewählt wurde.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 11 das Verfahren zur Berechnung der korrigierten Zeit für erneutes Einschalten beschrieben. Diese Berechnung entspricht der Verarbeitung in dem Schritt S104 von 10.
Zuerst wird in einem Schritt S111 festgestellt, ob die Korrekturbetriebsart eingesetzt wird. Wenn die Korrekturbetriebsart nicht eingesetzt wird, wird diese Routine beendet, und wenn die Korrekturbetriebsart eingesetzt wird, geht die Routine zu einem Schritt S112 über.
In dem Schritt S112 wird die berechnete Zeit RST1 für erneutes Einschalten vor der Korrektur eingelesen. In einem Schritt S113 wird festgestellt, ob die externe Eingabezeit RST2 vorhanden ist. Falls die externe Eingabezeit RST2 nicht vorhanden ist, geht die Routine zu einem Schritt S114 über, und wird die korrigierte, berechnete Zeit RST1' zum erneuten Einschalten aus der folgenden Gleichung berechnet: RST1' + RST + Ave·(RST3 – RST1) × G1'wobei G1' = Verstärkung
Ave·(RST3 – RST1) ist der kumulative Wert, der durch gewichtete Mittelwertbehandlung jedesmal dann erhalten wird, wenn (RST3 – RST1) im Schritt S27 von 6 berechnet wird. Andererseits geht, wenn die externe Eingabezeit RST2 vorhanden ist, die Routine zu einem Schritt S115 über, und wird die korrigierte, berechnete Zeit RST1' für erneutes Einschalten aus der folgenden Gleichung berechnet: RST1' = RST1 + Ave·(RST3 – RST2) × G2'wobei G2' = Verstärkung
Ave·(RST3 – RST2) ist der kumulierte Wert, der durch gewichtete Mittelwertbehandlung jedesmal dann erhalten wird, wenn (RST3 – RST2) in dem Schritt S32 von 6 berechnet wird.
Bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen ist das Kühlmittel Wasser, welches Gefrierschutzmittel enthält, jedoch kann auch reines Wasser als das Kühlmittel eingesetzt werden, wobei in diesem Fall eine Vorrichtung entsprechend der Heizvorrichtung 21 des Wasserspeichertanks 12 in dem Kühlmitteltank 6 vorgesehen sein kann, und die gleiche Steuerung wie bei den voranstehenden Ausführungsformen durchgeführt wird.
Zwar wurde die Erfindung voranstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf die voranstehend geschilderte Ausführungsform beschränkt. Modifikationen und Abänderungen der voranstehend geschilderten Ausführungsform werden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, angesichts der voranstehend geschilderten Lehre. Der Umfang der Erfindung ist in Bezug auf die folgenden Patentansprüche festgelegt.
GEWERBLICHES ANWENDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung kann bei Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, und kann selbstverständlich bei Brennstoffzellensystemen über derartige hinaus eingesetzt werden, die in Fahrzeugen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann die Energiemenge verringern, die dazu benötigt wird, das System gegen das Einfrieren von Wasser zu schützen, und zwar auf das absolute Minimum.

Claims

Brennstoffzellensystem, bei welchem vorgesehen sind: eine Brennstoffzelle (1), die Energie durch Zuführen eines Oxidationsmittels und eines wasserstoffhaltigen Gases zu einer Elektrolytmembran (1 m) erzeugt, eine Wasserversorgungsvorrichtung (9, 12), welche Wasser der Brennstoffzelle (1) zuführt, und eine Steuerung (20), die dazu ausgebildet ist: eine Zeit für ein erneutes Einschalten zu berechnen, wenn die Brennstoffzelle (1) erneut eingeschaltet wird, eine Verschiebung einer Außenlufttemperatur zu berechnen, eine erste Energiemenge zu berechnen, die erforderlich ist, wenn das System durch eine erste Schutzbetriebsart geschützt wird, die das Einfrieren von Wasser in dem System durch Erwärmung von Wasser verhindert, das der Brennstoffzelle (1) zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, und eine zweite Energiemenge, die erforderlich ist, wenn das System durch eine zweite Schutzbetriebsart geschützt wird, die Einfrieren von Wasser in dem System durch Ablassen von Wasser von der Brennstoffzelle (1) verhindert, nachdem die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, jeweils auf Grundlage der berechneten Zeit für erneutes Einschalten und der Außenlufttemperaturverschiebung, die erste Schutzbetriebsart auszuwählen, wenn die erste Energiemenge kleiner ist als die zweite Energiemenge, und die zweite Schutzbetriebsart auszuwählen, wenn die erste Energiemenge größer als die zweite Energiemenge ist, als Schutzbetriebsart, die eingesetzt wird, nachdem die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, und das System mit der ausgewählten Schutzbetriebsart zu schützen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem weiterhin vorgesehen ist: ein Sensor (51), der den Tag und die Zeit erfasst, wobei die Steuerung (20) so ausgebildet ist, dass sie die Verschiebung der Außenlufttemperatur auf Grundlage des erfassten Tages und der erfassten Zeit berechnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem weiterhin vorgesehen ist: ein Sensor (32), der eine Position des Systems erfasst, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Verschiebung der Außenlufttemperatur auf Grundlage der erfassten Systemposition berechnet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem weiterhin vorgesehen ist: ein Sensor (34), der eine das System umgebende Beleuchtung erfasst, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Verschiebung der Außenlufttemperatur auf Grundlage der erfassten Beleuchtung berechnet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem weiterhin vorgesehen ist: eine Vorrichtung (52), welcher Klimainformation zugeführt wird, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Verschiebung der Außenlufttemperatur auf Grundlage der eingegebenen Klimainformation berechnet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem weiterhin vorgesehen ist: ein Sensor (33), welcher die Außenlufttemperatur erfasst, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die berechnete Außenlufttemperaturverschiebung auf Grundlage der Differenz zwischen der Außenlufttemperatur, die von der berechneten Außenlufttemperaturverschiebung erhalten wird, und der erfassten Außenlufttemperatur korrigiert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem: die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie eine Differenz zwischen einer tatsächlichen Zeit zum erneuten Einschalten, wenn die Brennstoffzelle (1) tatsächlich neu eingeschaltet wird, und der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten bei der Berechnung der Zeit zum erneuten Einschalten bei der nächsten Gelegenheit einsetzt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches weiterhin aufweist: eine Vorrichtung (37), in welche ein Fahrer die Zeit zum erneuten Einschalten eingibt, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie berechnet, dass die Brennstoffzelle (1) erneut zur eingegebenen Zeit zum erneuten Einschalten eingeschaltet wird, wenn eine eingegebene Zeit zum erneuten Einschalten vorhanden ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem: die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten korrigiert, wenn die Brennstoffzelle (1) nicht erneut eingeschaltet wird, obwohl ein vorbestimmter Zeitraum nach der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten abgelaufen ist, und die Schutzbetriebsartauswahl erneut auf Grundlage der korrigierten Zeit zum erneuten Einschalten durchführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, bei welchem: die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die berechnete Zeit zum erneuten Einschalten auf Grundlage einer Differenz zwischen der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten und einer tatsächlichen Zeit zum erneuten Einschalten korrigiert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches weiterhin aufweist: einen Sensor (31, 36), der eine verbleibende Energiemenge in dem System erfasst, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie den Schutz der Brennstoffzelle (1) in der ersten Schutzbetriebsart abschaltet, wenn die erfasste, verbleibende Energiemenge in dem System kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches weiterhin aufweist: einen Sensor (35), der eine Sauerstoffkonzentration außerhalb des Systems erfasst, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie einen Schutz in der ersten Schutzbetriebsart ausschaltet, wenn die erfasste Sauerstoffkonzentration außerhalb des Systems niedriger ist als ein vorbestimmter Wert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches weiterhin aufweist: eine Vorrichtung (41, 42), die einen Alarm abgibt, wenn die verbleibende Energiemenge in dem System kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem: die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie mit dem Auftauen von Eis beginnt, das außerhalb der Brennstoffzelle (1) gefroren ist, von einer vorbestimmten Zeit vor der berechneten Zeit zum erneuten Einschalten, wenn das System in der zweiten Schutzbetriebsart geschützt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, welches weiterhin aufweist: eine n Schalter (53), welcher die Brennstoffzelle (1) in Gang setzt, wobei die Steuerung (20) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie mit dem Schutz des Systems aufhört, und die Brennstoffzelle (1) einschaltet, wenn der Schalter (53) betätigt wird, wenn das System durch die erste oder die zweite Schutzbetriebsart geschützt ist.
Verfahren zum Schutz eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle (1) aufweist, die Energie mittels Zufuhr eines Oxidationsmittels und eines wasserstoffhaltigen Gases zu einer Elektrolytmembran (1 m) erzeugt, und eine Wasserversorgungsvorrichtung (9, 12), welche die Brennstoffzelle (1) mit Wasser versorgt, wobei das Verfahren umfasst: Berechnung einer Zeit zum erneuten Einschalten, wenn die Brennstoffzelle (1) erneut eingeschaltet wird, Berechnung einer Verschiebung einer Außenlufttemperatur, Berechnung einer ersten Energiemenge, die erforderlich ist, wenn das System durch eine erste Schutzbetriebsart geschützt ist, die das Einfrieren von Wasser in dem System durch Erwärmung von der Brennstoffzelle (1) zugeführtem Wasser verhindert, wenn die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, und einer zweiten Energiemenge, die erforderlich ist, wenn das System durch eine zweite Schutzbetriebsart geschützt ist, die das Einfrieren von Wasser in dem System verhindert, durch Ablassen von Wasser von der Brennstoffzelle (1), wenn die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, auf Grundlage der berechneten Zeit für das erneute Einschalten bzw. der Außenlufttemperaturverschiebung, Auswahl der ersten Schutzbetriebsart, wenn die erste Energiemenge kleiner ist als die zweite Energiemenge, und Auswahl der zweiten Schutzbetriebsart, wenn die erste Energiemenge größer ist als die zweite Energiemenge, als Schutzart, nachdem die Brennstoffzelle (1) abgeschaltet wurde, und Schützen des Systems mit der ausgewählten Schutzbetriebsart.