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DE112008001438B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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DE112008001438B4
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Abstract

Brennstoffzellensystem (10) umfassend eine Brennstoffzelle (20), welche elektrische Leistung nach einer Zufuhr eines Reaktionsgases erzeugt, aufweisend:
einen Kühlmittelzuführer (201) zum Zuführen eines Kühlmittels (W) zur Brennstoffzelle (20); und
eine Kühlmittelsteuerung (202) zum Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezuglich des Kühlmittels (W), so dass eine Temperatur des Kühlmittels (W) gleich einer Zieltemperatur ist, wobei
die Kühlmittelsteuerung (202) programmiert ist, während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems die Temperatur des Kühlmittels (W) in einer Niedrig-Temperaturumgebung, bei einer Temperatur gleich oder niedriger einer vorbestimmten Temperatur, so zu steuern, dass die Zieltemperatur (Th, Ty) höher als eine Zieltemperatur ist, die höher als eine Zieltemperatur (To, Tx) während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems ist, wenn eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle (20) verbleibt, größer als ein vorbestimmter Wert ist, um die Temperatur der Brennstoffzelle zu steuern, während die Kühlmittelsteuerung (202) programmiert ist, die Zieltemperatur auf der Zieltemperatur (To, Tx) während des Normalbetriebs zu halten, wenn die Wassermenge geringer als ein vorbestimmter Wert ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellensystems.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Als ein Typ einer Brennstoffzelle ist zum Beispiel eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bekannt, welche elektrische Leistung, unter Nutzung einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, erzeugt. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst einen Stack bzw. Stapel, welcher aus einer Mehrzahl gestapelter Zellen besteht. Die Zellen, die den Stapel bilden, umfassen jeweils eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Lufteleketrode), wobei eine Festpolymerelektrolytmembran mit einer Sulfonsäuregruppe als eine Ionenaustauschgruppe zwischen jeder Anode und Kathode eingebracht ist.
  • Ein Brenngas (mit Wasserstoff angereichert reformierter Wasserstoff, der durch Reformieren von Wasserstoffgas oder Kohlenwasserstoff erhalten wird) wird der Anode zugeführt, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Oxidationsgas), z. B. Luft, der Kathode als ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Nach dem Zuführen des Brenngases zur Anode, reagiert der Wasserstoff, der im Brenngas enthalten ist, mit einem Katalysator in einer Katalysatorschicht, welche die Anode bildet, wodurch Wasserstoffionen erzeugt werden. Die erzeugten Wasserstoffionen wandern durch die Festpolymerelektrolytmembran und reagieren in der Kathode elektrisch mit Sauerstoff. Somit wird durch die elektrochemische Reaktion elektrische Leistung erzeugt.
  • Derzeit gefriert, falls sich noch immer Wasser vom letzten Stopp des Systems in einer Brennstoffzelle befindet, das verbleibende Wasser in einem Brennstoffzellensystem bei einem Versuch, das Brennstoffzellensystem bei einer niedrigen Temperatur zu starten, und kann somit einen Start des Systems verhindern. Selbst wenn das System gestartet werden kann, kann Produktwasser, das aus dessen eigener Reaktion resultiert, gefrieren und die Leistungserzeugung stoppen.
  • In Anbetracht solcher Umstände, um zu verhindern, dass von einer elektrochemischen Reaktion resultierendes Produktwasser in einer Brennstoffzelle gefriert, ist vorgeschlagen worden, dass bei einem Versuch, das Brennstoffzellensystem zu starten, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger 0 Grad ist, der Betrieb einer Kühlmittelpumpe gestoppt wird, um den Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmittel bei einer Temperatur gleich oder niedriger 0 Grad und der Brennstoffzelle zu verhindern, wodurch ein Betrieb zum Erhöhen der inneren Temperatur der Brennstoffzelle gewährleistet wird, so dass die innere Temperatur schnell auf mehr als 0 Grad ansteigt (siehe JP 2003-36874 A ).
  • DE 11 2007 002 603 T5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerung zur Verkleinerung eines Wasserinhalts der Brennstoffzelle bei einem Systemstopp.
  • DE 11 2007 003 164 T5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Kühlmittelzuführer zum Zuführen eines Kühlmittels zur Brennstoffzelle und eine Kühlmittelsteuerung zum Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels, so dass eine Temperatur des Kühlmittels gleich einer Zieltemperatur is
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik gemäß JP 2003-36874 A wird der Antrieb bzw. der Betrieb der Kühlmittelpumpe gestoppt, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger 0 Grad ist, wodurch das Produktwasser, das aus der elektrochemischen Reaktion resultiert, nicht in der Brennstoffzelle gefrieren kann. Die Kühlmittelpumpe wird jedoch betrieben, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle über 0 Grad ist. Daher könnte die innere Temperatur der Brennstoffzelle in einer Niedrig-Temperaturumgebung nach Erreichen einer Zieltemperatur abfallen.
  • Unter Vermeidung der Probleme des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu verhindern, dass eine innere Temperatur einer Brennstoffzelle übermäßig in einen Niedrig-Temperaturbereich bzw. eine Niedrig-Temperaturumgebung abfällt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
  • Um das obenstehende Problem zu lösen sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Brennstoffzelle umfasst, welche elektrische Leistung nach einer Zufuhr eines Reaktionsgases erzeugt.
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur einer Brennstoffzelle vor, umfassend eine Brennstoffzelle, welche elektrische Leistung nach einer Zufuhr eines Reaktionsgases erzeugt, umfassend die Schritte: Zuführen eines Kühlmittels zur Brennstoffzelle; Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels; Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels, so dass die Temperatur des Kühlmittels gleich einer Zieltemperatur ist.
  • In einer solchen Konfiguration wird die Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert, um gleich der vorbestimmten Temperatur während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems zu sein, wobei die Temperatur der Brennstoffzelle während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems in der Niedrig-Temperaturumgebung gesteuert wird, um gleich der Zieltemperatur zu sein, die auf eine Temperatur eingestellt wird, die höher als die Zieltemperatur während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems ist. Daher kann Wärmeenergie des Kühlmittels selbst in einer Niedrig-Temperaturumgebung gespeichert werden, wodurch verhindert werden kann, dass die Temperatur des Kühlmittels übermäßig abfällt.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Kühlmittelversorger bzw. Kühlmittelzuführer zum Zuführen eines Kühlmittels zur Brennstoffzelle; und eine Kühlmittelsteuerung zum Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels, so dass eine Temperatur des Kühlmittels gleich einer Zieltemperatur ist, wobei die Kühlmittelsteuerung die Temperatur des Kühlmittels während des Betriebs des Brennstoffzellensystems auf eine Zieltemperatur steuert, die höher als die Zieltemperatur während des Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems in der Niedrig-Temperaturumgebung ist.
  • Mit solch einer Konfiguration wird die Zieltemperatur für die Niedrig-Temperaturumgebung während des Prozesses zum Steuern der Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels, um die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelzuführsystem gleich der Zieltemperatur zu haben, höher als die während des Normalbetriebes eingestellt. Daher kann die Wärmeenergie des Kühlmittels selbst in der Niedrig-Temperaturumgebung gespeichert werden, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des Kühlmittels übermäßig abfällt.
  • Das Brennstoffzellensystem kann die untenstehenden zusätzlichen Elemente umfassen.
  • Erfindungsgemäß, wenn eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle leicht trocken ist, hält die Kühlmittelsteuerung die Zieltemperatur selbst in der Niedrig-Temperaturumgebung auf der Zieltemperatur während des Normalbetriebes.
  • Wenn die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle leicht trocken ist, wird die Zieltemperatur des Kühlmittels mit solch einer Konfiguration selbst in der Niedrig-Temperaturumgebung auf der Zieltemperatur während des Normalbetriebes gehalten. Demgemäß kann verhindert werden, dass die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle übermäßig trocknet bzw. austrocknet.
  • Der Kühlmittelzuführer umfasst vorzugsweise: einen Kühlmittelweg zum Ausbilden eines Kreislaufs des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle; eine Kühlmittelpumpe welche im Kühlmittelweg eingebracht ist, um das Kühlmittel zu zirkulieren; einen Strahler bzw. Kühler zum Abstrahlen bzw. Abführen von Wärme des Kühlmittels an die Umgebung bzw. nach außen; und ein Umschaltventil bzw. Schaltventil zum Umschalten bzw. Schalten eines Durchflussweges des Kühlmittels, das zwischen einem bypassseitigen Durchflussweg, welcher den Kühler umfließt, und einem kühlerseitigen Durchflussweg, welcher durch den Kühler verläuft, in den Kühler fließt, wobei die Kühlmittelsteuerung umfasst: eine Heizeinheit zum Erhitzen bzw. Erwärmen des Kühlmittels im Kühlmittelweg; einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelweg; und eine Steuerung zum Steuern des Schalten des Schaltventils, so dass eine Temperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, gleich der Zieltemperatur ist. Wenn die Temperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, eine Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt, hebt die Kühlmittelsteuerung die Zieltemperatur an und betreibt die Heizeinheit so, dass die Temperatur des Kühlmittels gleich der angehobenen Zieltemperatur ist.
  • Mit solch einer Konfiguration wird die Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle durch den Temperatursensor erfasst, und die Temperatur, die durch den Temperatur erfasst wird, durch die Kühlmittelsteuerung überwacht, so dass wenn die Temperatur des Kühlmittels höher als die Zieltemperatur ist, das Schaltventil auf den kühlerseitigen Durchflussweg geschalten wird, so dass der Kühler das Kühlmittel kühlt, während das Schaltventil auf den bypassseitigen Durchflussweg geschalten wird, um die Temperatur des Kühlmittels durch FC-Leistungserzeugung anzuheben, wenn die Temperatur des Kühlmittels niedriger als die Zieltemperatur ist. Während des Prozesses zum Steuern der Temperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, dass die Temperatur gleich der Zieltemperatur ist, wird die Zieltemperatur in der Niedrig-Temperaturumgebung angehoben, um höher als die Zieltemperatur während des Normalbetriebes zu sein, während das Kühlmittel durch die Heizeinheit erhitzt wird, so dass Wärmeenergie des Kühlmittels selbst in der Niedrig-Temperaturumgebung gespeichert werden kann, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des Kühlmittels übermäßig abfällt.
  • Die Konfiguration der „Heizeinheit” ist nicht beschränkt, d. h., es kann eine beliebige Konfiguration, die die Temperatur des Kühlmittels erhöhen kann, z. B. ein Wärmetauscher und/oder ein Heizkörper, hierfür bereitgestellt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm, das ein FC-Kühlkreislaufsystem und ein Luftzirkulationssystem gemäß der Erfindung illustriert.
  • 3 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das eine Funktionsblöcke betreffende AC-Impedanzmessung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
  • 4 zeigt ein Diagramm, zum Erklären eines Betriebs einer Steuereinheit gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, zum Illustrieren des Betriebs der Steuereinheit gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das Funktionsblöcke gemäß der Erfindung illustriert.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme der beigefügten Figuren beschrieben. 1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • Die untenstehende Ausführungsform erklärt ein Beispiel, in welchem die Erfindung in einem Brennstoffzellensystem Anwendung findet, das in einem Fahrzeug montiert ist, wobei die Erfindung offensichtlich nicht auf dieses Beispiel begrenzt ist.
  • In 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 10 ein Brenngaszuführsystem 4 zum Zuführen eines Brenngases (Wasserstoffgas) zu einer Brennstoffzelle 20, ein Oxidationsgaszuführsystem 7 zum Zuführen eines Oxidationsgases (Luft) zu der Brennstoffzelle 20, ein Kühlmittelzuführsystem 3 zum Kühlen der Brennstoffzelle 20, und ein Bordnetz bzw. elektrisches Leistungssystem 9, das betrieben wird, um elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, aufzunehmen und abzugeben. Hiernach wird eine Brennstoffzelle auch als ”FC” (englisch: fuel cell) bezeichnet.
  • Die Brennstoffzelle 20 umfasst einen Membranelektrolytzusammenbau (MEA, oder dergleichen), in welchem eine Anode 22 und eine Kathode 23 durch, z. B. Siebdruck bzw. Rasterdruck auf beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran 21 ausgebildet sind, die durch z. B. eine protonenleitende Ionenaustauschmembran gebildet wird, die z. B. aus Fluor-Harz ausgebildet ist. Der Membranelektrolytzusammenbau 24 ist auf beiden seiner Seiten durch Separatoren mit Durchflusswegen für das Brenngas, Oxidationsgas und das Kühlmittel sandwichartig eingefasst. Ein nutartiger bzw. fugenartiger Anodengaskanal 25 und ein nutartiger bzw. fugenartiger Kathodengaskanal 26 sind entsprechend zwischen einem der Separatoren und der Anode 21 und zwischen dem anderen Separator und der Kathode 23 ausgebildet. Die Anode 22 ist durch Vorsehen einer Brennstoffelektrodenkathalysatorschicht auf einer porösen Bodenschicht ausgebildet, und die Kathode 23 ist durch Vorsehen einer Luftelektrodenkathalysatorschicht auf einer porösen Bodenschicht ausgebildet. Die Kathalysatorschichten dieser Elektroden sind jeweils durch z. B. Aufbringen von Platinpartikeln ausgebildet.
  • Die Oxidationsreaktion, die durch die untenstehende Formel (1) dargestellt wird, tritt an der Anode 22 auf, und die Reduktionsreaktion, die untenstehend durch die Formel (2) dargestellt wird, tritt an der Kathode 23 auf. Die elektrogene/elektromotive Reaktion, die untenstehend durch die Formel (3) dargestellt wird, läuft in der Brennstoffzelle 20 ab. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Zweckdienlich illustriert 1 schematisch eine Konfiguration einer Einheitszelle, die aus dem Membranelektrodenzusammenbau 24, dem Anodengaskanal 25, und dem Kathodengaskanal 26 gebildet ist. Tatsächlich wird jedoch eine Stapelstruktur vorgesehen, in welcher mehrere Einheitszellen (Zellgruppen) über die obenstehend beschriebenen Separatoren in Serie verbunden sind.
  • Das Kühlmittelzuführsystem 3 im Brennstoffzellensystem 10 ist vorgesehen mit: einem Kühlmittelweg 31 zum Zirkulieren eines Kühlmittels; einem Temperatursensor 32 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird; einem Kühler (Wärmetauscher) 33 zum Abgeben von Wärme des Kühlmittels nach außen; ein Drehventil 34 zum Schalten eines Durchflussweges für das Kühlmittel, das zwischen einem bypassseitigen Durchflussweg (C-Seite), welcher den Kühler 33 umfließt, und einen kühlerseitigen Durchflussweg (A-Seite) der durch den Kühler 33 verläuft, in den Kühler 33 fließt; einer Kühlmittelpumpe 35 zum Zirkulieren des Kühlmittels und Komprimieren desselben; einem Temperatursensor 36 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das der Brennstoffzelle 20 zuzuführen ist; einem Ionentauscher 37, zum Entfernen von Ionen, die im Kühlmittel gelöst sind; und einem Kühlmittelweg 38, der zusammen mit dem Kühlmittelweg 31 einen Kreislauf zum Zirkulieren des Kühlmittels ausbildet, und auch mit der Heizeinheit 130 zum Erwärmen des Kühlmittels selbst in einer Niedrig-Temperaturumgebung vorgesehen ist.
  • Wie in 2 aufgezeigt, ist die Heizeinheit 130 konfiguriert, um ein FC-Kühlmittelzirkulationssystem 131 und ein Luftzirkulationssystem 141 zu umfassen. Das FC-Kühlmittelzirkulationssystem 131 umfasst einen Kühlmittelzirkulationsweg 132, der mit dem Kühlmittelweg 31 und dem Kühlmittelweg 38 verbunden ist. Ein Dreiwegeventil 133, eine Wasserpumpe 134, eine Heizschlange 135 und ein Wasser-Kühlmittel-Wärmetauscher 136 sind in dem Kühlmittelzirkulationsweg 132 angeordnet.
  • Das Dreiwegeventil 133 ist in eine Richtung geschalten, die einen Anschluss A mit einem Anschluss B gemäß einem Steuersignal von einer Steuereinheit 80 in einem ”Kurzschlussmodus” verbindet, und in eine Richtung, die den Anschluss B mit einem Anschluss C gemäß einem Steuersignal von der Steuereinheit 80 in einem FC-Verbindungsmodus verbindet. Wenn das Dreiwegeventil 133 gemäß dem Kurzschlussmodus geschalten ist, wird der Durchfluss des Kühlmittels in dem Kühlmittelzirkulationsweg 132 unterbrochen, wodurch die Heizeinheit 130 vom Kühlmittelzuführsystem 3 thermisch getrennt wird.
  • Währenddessen wird das Dreiwegeventil 133 entsprechend dem ”FC-Verbindungsmodus” geschalten, die Wasserpumpe 134 mit den Kühlmittelweg 31 über die Anschlüsse C und B des Dreiwegeventils 133 verbunden, und ein Teil des Kühlmittels von einem Auslass der Brennstoffzelle 20 mit dem Kühlmittel im Ablass des Drehventils 34 über die Wasserpumpe 134 und die Wärmetauscher 135 und 136 vermischt.
  • Im Kühlmittelzirkulationsweg 132 zirkuliert die Wasserpumpe 134 das Kühlmittel und komprimiert es. Die Wärmetauscher 135 und 136 bringen das Kühlmittel im Kühlmittelzirkulationsweg 132 zum Wärmeaustausch mit der Luft im Luftzirkulationssystem 141, um das Kühlmittel zu erwärmen, und führen das erwärmte Kühlmittel der Brennstoffstelle 20 zu.
  • Das Luftzirkulationssystem 141 umfasst einen Luftzirkulationsweg 142 zum Zirkulieren von Luft. Im Luftzirkulationsweg 142 sind der Wasser-Kühlmittel-Wärmetauscher 136, ein Luftkompressor 143, ein innerer Wärmetauscher 144, eine Außeneinheit 145 und ein Expansionsventil 146 bzw. ein Reglerventil 146 angeordnet.
  • Der Luftkompressor 143, der eine Drehzahl hat, welche über Steuersignale von der Steuereinheit 80 gesteuert wird, komprimiert Luft in Abhängigkeit von der Drehzahl, und führt die komprimierte Luft der Außeneinheit 145 über den inneren Wärmetauscher 144 zu. Die Außeneinheit 145 bringt die Luft, die vom inneren Wärmetauscher 144 zugeführt wird, in einen Wärmeaustausch mit Außenluft, erzeugt einer Wärmeabgabe, und führt die Luft, welche zum Wärmeaustausch gebracht worden ist, dem Expansionsventil 146 zu. Das Expansionsventil 146 expandiert die Luft von der Außeneinheit 145 adiabatisch, und leitet die adiabatisch expandierte Luft an den Wasser-Kühlmittel-Wärmetauscher 136. Der Wasser-Kühlmittel-Wärmetauscher 136 bringt die vom Expansionsventil 146 zugeführte Luft zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel im Kühlmittelzirkulationsweg 132, und erwärmt dadurch das Kühlmittel.
  • Zurückkommend auf 1, im Brenngaszuführsystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 sind angeordnet: ein Brenngasdurchflussweg 40 zum Zuführen von Brenngas (Anodengas), z. B. Wasserstoffgas von einer Brenngaszuführeinheit 42, zu dem Anodengaskanal 25; und ein Zirkulationsdurchflussweg (Zirkulationsweg) 51 zum zirkulieren von Brennstoffabgas im Brenngasdurchflussweg 40, das vom Anodengaskanal 25 ausgelassen wird. Diese Gasdurchflusswege bilden ein Brenngaszirkulationssystem.
  • Die Brenngaszuführeinheit 42 besteht z. B. aus einem Hochspannungswasserstofftank, wasserstoffabsorbierenden Legierungen und einem Reformer. In dem Brenngasdurchflussweg 40 sind angeordnet: ein Abschaltventil (Hauptventil) 43 zum Steuern des Ausflusses des Brenngases von der Brenngaszuführeinheit 42; ein Drucksensor 44 zum Erfassen des Drucks des Brenngases; ein Einstellventil (Ejektor) 45 zum Einstellen des Brenngasdrucks im Zirkulationsweg 51; und ein Abschaltventil 46 zum Steuern der Brenngaszuführung zur Brennstoffzelle 20.
  • Der Zirkulationsdurchflussweg 51 ist vorgesehen mit: einem Abschaltventil 52 zum Steuern der Zufuhr von Brennstoffabgas von der Brennstoffzelle 20 zum Zirkulationsdurchflussweg 51; einem Gas-Flüssigkeit-Separator 53 und einem Auslassventil 54 zum Entfernen von Wasser, das im Brennstoffabgas enthalten ist; einer Wasserstoffpumpe (Zirkulationspumpe) 55 zum Komprimieren des Brennstoffabgases, welches unter einem Druckverlust „leidet”, wenn das Brennstoffabgas den Anodengaskanal 25 passiert, um den Druck auf einen angemessenen Gasdruck anzuheben, zum Rückführen des resultierenden Brennstoffabgases zum Brenngasdurchflussweg 40; und ein Prüfventil 56 zum Verhindern des Rückflusses des Brenngases im Brenngasdurchflussweg 40 in dem Zirkulationsdurchflussweg 51. Die Wasserstoffpumpe 55 wird durch einen Motor betrieben, wodurch das Brennstoffabgas, das über den Antrieb der Wasserstoffpumpe 55 erhalten wird, im Brenngasdurchflussweg 40 mit dem Brenngas vermischt wird, das von der Brenngaszuführvorrichtung 42 zugeführt wird, und anschließend in die Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, um wieder verwendet zu werden. Es ist zu beachten, dass die Wasserstoffpumpe 55 mit einem Drehzahlsensor 57 zum Erfassen der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55 vorgesehen ist.
  • Es ist auch ein Abgasdurchflussweg 61 zum Ablassen des Brennstoffabgases, das von der Brennstoffzelle 20 nach außen an ein Fahrzeug über einen Verdünner (z. B., eine Wasserstoffkonzentrationsverminderungseinheit) 62 abgelassen wird, eingebracht, um vom Zirkulationsdurchflussweg 51 abzuzweigen. Der Abgasdurchflussweg 61 ist mit einem Spülventil 63 vorgesehen, welches eine Abgassteuerung des Brennstoffabgases ermöglicht. Die Zirkulation in der Brennstoffzelle 20 wird mit dem Öffnen und Schließen des Spülventils 63 wiederholt, wodurch das Brennstoffabgas, dessen Verunreinigungskonzentration erhöht worden ist, nach außen abgegeben bzw. ausgelassen wird, während neues Brenngas eingeführt wird, so dass die Reduktion einer Zellenspannung verändert werden kann. Zudem wird in einem inneren Druck des Zirkulationsdurchflussweges 51 ein Pulsieren erzeugt, wodurch Wasser, das im Gasdurchflussweg gespeichert ist, entfernt wird.
  • Dabei sind im Oxidationsgaszuführsystem 7 des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet: ein Oxidationsgasdurchflussweg 71 zum Zuführen eines Oxidationsgases (Kathodengas) zum Kathodengaskanal 26; und ein Kathodenabgasdurchflussweg 72 zum Ablassen eines Kathodenabgases, das vom Kathodengaskanal 26 abgelassen wird. Der Oxidationsgasdurchflussweg 71 ist mit einem Luftreiniger 74 zum Aufnehmen von Umgebungsluft vorgesehen, und ein Luftkompressor 75 zum Komprimieren der aufgenommenen Luft und Weiterleiten der komprimierten Luft zu dem Kathodengaskanal 26 als Oxidationsgas. Für den Luftkompressor 75 ist ein Drehzahlsensor 73 zum Erfassen der Drehzahl des Luftkompressors 75 vorgesehen. Ein Luftbefeuchter bzw. Befeuchter 76 zum Durchführen eines Feuchtigkeitsaustauschs ist zwischen dem Oxidationsgasdurchflussweg 71 und dem Kathodenabgasdurchflussweg 72 vorgesehen.
  • Der Kathodenabgasdurchflussweg 72 ist mit einem Druckregulierventil 77 zum Einstellen des Abgasdrucks des Kathodenabgasdurchflussweges 72, einem Gas-Flüssigkeit-Separator 64 zum Entfernen von Wasser im Kathodenabgas, und einem Auspuffdämpfer 65 zum Dämpfen des Abgasgeräusches des Kathodenabgases vorgesehen. Das Kathodenabgas, das vom Gas-Flüssigkeit-Separator 64 ausgelassen wird, wird getrennt. Einer der resultierenden Flüsse des Kathodenabgases fließt in den Verdünner 62, und wird durch Mischen mit dem Brennstoffabgas, das im Verdünner 62 übrig bleibt, verdünnt, wobei der andere Fluss des Kathodenabgases zur Geräuschaufnahme durch den Auspuffdämpfer 65 dient, und mit dem Gas vermischt wird, welches zur Verdünnung über die Mischung durch den Verdünner 62 als auch zum Ablassen an die Umgebung eines Fahrzeugs vorgesehen worden ist.
  • Mit dem elektrischen Leistungssystem 9 im Brennstoffzellsystem 10 sind verbunden: ein DC-DC Wandler 90, in welchem ein Ausgangsanschluss einer Batterie 91 mit der Primärseite verbunden ist, während ein Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 20 mit der Sekundärseite verbunden ist; die Batterie 91 die als eine Zweitbatterie bzw. Ersatzbatterie zum Speichern zusätzlicher Leistung dient; ein Batteriecomputer 92 zum Überwachen des Ladezustands (state of charge: SOC) der Batterie 91; ein Inverter 93 zum Zuführen von AC-Leistung zu einem Fahrzeugantriebsmotor 94, welcher als Last- oder Betriebsziel der Brennstoffzelle 20 dient; ein Inverter 95 zum Zuführen von AC-Leistung zu jedem Hochspannungshilfsgerät 96 im Brennstoffzellensystem 10; ein Spannungssensor 97 zum Messen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20; und ein Stromsensor 98 zum Messen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20.
  • Der DC-DC Wandler 90 unterzieht die zusätzliche Leistung der Brennstoffzelle 20 oder die regenerative Leistung, die beim Bremsen des Fahrzeugs bzw. Fahrzeugantriebsmotors 94 erzeugt wird einer Spannungswandlung, und verwendet die resultierende Leistung zum Laden der Batterie 91. Um auch einen Ausfall der elektrischen Leistung zu kompensieren, die von der Brennstoffzelle 20 bezüglich der elektrischen Leistung erzeugt wird, die für den Fahrzeugantriebsmotor 94 benötigt wird, wandelt der DC-DC Wandler 90 die Spannung der Leistung, die von der Batterie 91 abgegeben wird, und gibt die resultierende Leistung an die Sekundärseite ab.
  • Die Inverter 93 und 95 wandeln AC-Ströme in drei-Phasen-AC-Ströme bzw. Drehströme um, um die Drehströme an dem Fahrzeugantriebsmotor 94 bzw. die Hochspannungshilfseinheit 96 auszugeben. Der Fahrzeugantriebsmotor 94 ist mit einer Drehzahlsensor 99 zum Erfassen der Drehzahl des Motors 94 vorgesehen. Ein Fahrzeugrad 100 ist mechanisch über ein Differential mit dem Motor 94 verbunden, welches ermöglicht, dass die Rotationskraft des Motors 94 in eine Antriebskraft des Fahrzeugs umgewandelt wird.
  • Der Spannungssensor 97 und der Stromsensor 98 werden jeweils zum Messen einer AC-Impedanz basierend auf der Phase und Amplitude des Stroms bezüglich der Spannung eines überlagerten AC-Signals im elektrischen Leistungssystem 9 verwendet. Der Spannungssensor 97 erfasst eine Spannung auf der Sekundärseite des DC-DC Wandlers 90, und sieht entsprechend ein Spannungserfassungssignal Si vor, das der Steuereinheit 80 zuzuführen ist, während der Stromsensor 98 einen Stromauf der Sekundärseite des DC-DC Wandlers 90 erfasst, und entsprechend ein Stromerfassungssignal Se vorsieht, das der Steuereinheit 80 zuzuführen ist.
  • Die Steuereinheit 80: besteht aus einem gewöhnlichen Computer, welcher z. B. mit einer CPU (Zentralprozessoreinheit), einem RAM, einem ROM, und einer Schnittstellenschaltung vorgesehen ist; empfängt Sensorsignale von z. B. den Temperatursensoren 32 und 36, dem Temperatursensor 44, den Drehzahlsensoren 57, 73 und 99, und einem Temperatursensor 83 zum Erfassen einer Umgebungstemperatur, und Signale von dem Spannungssensor 97, dem Stromsensor 98 und einem Zündschalter 82; betreibt bzw. treibt jeden Motor gemäß dem Zustand des Batteriebetriebs an, z. B., einer elektrischen Leistungslast; stellt die Drehzahl von jedem der Rotatoren, wie z. B. der Wasserstoffpumpe 55 und dem Luftkompressor 75, ein; und führt eine Öffnungs- und Schließsteuerung von jedem der Ventile, ein Einstellen des Öffnungsgrades von jedem der Ventile, etc. aus.
  • Darüber hinaus berechnet die Steuereinheit 80 einen Befehl entsprechend eines Stromwertes und einen Befehl entsprechend eines Spannungswertes an die Brennstoffzelle 20 basierend auf einer Leistung Preq, die bezüglich des Brennstoffzellensystems 10 benötigt wird, berechnet zudem basierend auf dem berechneten Ergebnis eine Luftmenge und eine Brenngasmenge, die für eine Leistungserzeugung notwendig sind, und führt einen Prozess zum Steuern der Betriebe des Luftkompressors 75 und der Wasserstoffpumpe 55 gemäß des Berechnungsergebnisses durch. Zudem empfängt die Steuereinheit 80 Eingaben des Stromerfassungssignals Si und des Spannungserfassungssignals Se, misst die AC-Impedanz der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Eingangsstromerfassungssignal Si und Stromerfassungssignal Se, bestimmt den Trockenzustand und die Wassermenge der Brennstoffzelle 20 basierend auf der gemessenen AC-Impedanz, und führt basierend auf dem bestimmten Ergebnis einen Prozess zum Halten der Temperatur des Kühlmittels der Brennstoffzelle 20 auf einer Zieltemperatur während des Betriebs aus, und führt einen Spülprozess zum Einstellen der Wassermenge der Brennstoffzelle 20 aus, um den optimalen Wert während des Stoppbetriebs zu haben.
  • 3 illustriert Funktionsblöcke bezüglich der Messung einer AC-Impedanz der Brennstoffzelle 20, welche in der Steuereinheit 80 vorgesehen sind. Wie in 3 dargestellt umfasst die Steuereinheit 80 als Funktionsblöcke bezüglich der Messung einer AC-Impedanz der Brennstoffzelle 20 Filter 101 und 102, FFT-Prozesseinheiten 103 und 104, eine Korrekturprozesseinheit 105, eine Impedanzanalyseeinheit 106, eine Beurteilungseinheit 107 und eine Speichervorrichtung 108.
  • Die Filter 101 und 102 sind Bandpassfilter, und erlauben nur einer Frequenzkomponente, die einer Stromleitung durch den DC-DC Wandler 90 überlagert wird, zu passieren. Der Filter 101 erlaubt, bei dem Stromerfassungssignal Si, das durch den Stromsensor 98 erfasst wird, nur der Frequenzkomponente bezüglich der Impedanzmessungen zu passieren. Der Filter 102 erlaubt, bei dem Spannungserfassungssignal Se, das durch den Spannungssensor 97 erfasst wird, nur der Frequenzkomponente bezüglich der Impedanzmessungen zu passieren.
  • Der FFT-Prozessbereich 103 und 104 führt schnelle Fouriertransformationsberechnungen entsprechend unter Berücksichtigung des Stromerfassungssignals Si und des Spannungserfassungssignals Se durch und trennt entsprechend das Stromerfassungssignal Si und das Spannungserfassungssignal Se beim Messen von Frequenzkomponenten bzw. Frequenzbereichen in tatsächliche Teile und imaginäre Teile (ai + jbi, ae + jbe).
  • Die Impedanzanalyseeinheit 106: berechnet eine Impedanz X(aX + jbX) basierend auf dem Spannungserfassungssignal und Stromerfassungssignal, welche für FFT-Prozesse vorgesehen sind; erlangt bzw. ermittelt den Abstand von einem Ursprungspunkt auf einer komplexen Ebene (Effektivwert) r (= √((aX)2 + (bX)2) und einem Phasenwinkel θ (= tan–1(b/a)); und erhält bzw. ermittelt eine AC-Impedanz in einem AC-Signal mit einer angelegten Frequenz.
  • Die Korrekturprozesseinheit 105 korrigiert Phasenverzögerungen und Anstiegsveränderungen, welche gemäß Filtereigenschaften der entsprechenden Filter 101 und 102 verursacht werden. Die Korrekturprozesseinheit 105 korrigiert Koeffizienten (ai, bi, ae, be) der tatsächlichen Teile und imaginären Teile in den FFT-Prozesseinheiten 103 und 104 basierend auf den Phasenverzögerungen und Anstiegsveränderungen der Filter 101 und 102, welche vorher gemessen worden sind. Mit diesem Korrekturprozessen bzw. -abläufen erhält man das tatsächliche Spannungserfassungssignal und Stromerfassungssignal, von denen beide die Phasenverzögerungen und die Anstiegsveränderungen, die gemäß der Filtereigenschaft verursacht werden, ausschließen.
  • Die Beurteilungseinheit 107 speichert den Effektivwert und Phasenwinkel, der in der Impedanzanalyseeinheit 106 erhalten wird, oder tatsächliche Teile und imaginäre Teile (aXf1, bXf1) (aXf2, bXf2) auf einer komplexen Ebene in zwei verschiedenen Frequenzen f1 und f2 in der Speichervorrichtung 108. Um die Widerstandsüberspannung und die Diffusionsüberspannung der Brennstoffzelle 20 zu erhalten bzw. ermitteln, wird eine Impedanzkurve in einer komplexen Ebene durch eine geometrische Berechnung basierend auf zwei Punkten in der komplexen Ebene ermittelt. Der Widerstandswert im Fall einer Frequenz von 0 wird als Widerstand einer Elektrolytmembran bezeichnet, und der Widerstandswert im Fall einer unbegrenzten bzw. unbegrenzt hohen Frequenz wird als ein einem Widerstand entsprechender Wert einer Aktivierungsüberspannung und einer Diffusionsüberspannung bezeichnet.
  • Dabei ist zu erwähnen, dass während ein überlagertes AC-Signal hinsichtlich der Frequenzen verändert wird, eine Impedanz für jede Frequenz ermittelt wird, um die erhaltene Frequenz zu speichern, wodurch eine Impedanzkurve erhalten werden kann, ohne spezielle geometrische Berechnungen durchzuführen.
  • 6 zeigt ein Funktionsblockdiagramm, das eine Innere-Temperatur-Steuerung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • Wie in 6 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem der Erfindung als Funktionsblöcke einen Kühlmittelzuführer 201 zum Zuführen eines Kühlmittels W zu der Brennstoffzelle 20, und eine Kühlmittelsteuerung 202 zum Steuern eines Wärmeaustauschwertes bzw. einer Wärmeaustauschmenge bezüglich dem Kühlmittel W, so dass die Temperatur des Kühlmittels W gleich einer Zieltemperatur ist. Die Kühlmittelsteuerung 202 kann die Temperatur des Kühlmittels W so steuern, dass in einer Niedrig-Temperaturumgebung die Temperatur des Kühlmittels W gleich einer Zieltemperatur Th ist, die höher als eine Zieltemperatur To während des Normalbetriebs ist.
  • In der Konfiguration, die in 2 dargestellt ist, korrespondiert der Kühlmittelzuführer 201 mit dem gekühlten Reaktor 31, der Kühlmittelpumpe 35, dem Kühler 33, dem Drehventil 34 und dem Bypassdurchflussweg, durch welchen das Kühlmittel durch Schalten des Drehventils 34 auf die C-Seite fließt.
  • Die Kühlmitttelsteuerung 202 korrespondiert mit der Heizeinheit 130, die mit dem FC Kühlmittelzirkulationssystem 131 und dem Luftzirkulationssystem 141, dem Temperatursensor 32 und der Steuereinheit 80 (siehe 1) vorgesehen ist. Wenn die Temperatur bzw. über die Temperatur, die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, eine Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt bzw. angezeigt wird, hebt die Kühlmittelsteuerung 202 die Zieltemperatur für die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 (bis Th) an und betreibt die Heizeinheit 130 so, dass die Temperatur des Kühlmittels W auf die angehobene Zieltemperatur Th eingestellt werden kann.
  • Nachfolgend wird die spezielle Vorgehensweise beim Verfahrensablauf der FC Wassertemperatursteuerung, die durch die Steuereinheit 80 ausgeführt wird, gemäß dem Diagramm in 4, das den Ablauf illustriert, und dem Flussdiagramm in 5, beschrieben.
  • Als erstes bezieht sich die Steuereinheit 80 auf ein Erfassungssignal des Temperatursensors 83 bei Schritt S1, und beurteilt, ob die relevante Operation bzw. der relevante Betrieb in Schritt S2 in einer Niedrig-Temperaturumgebung ausgeführt wird oder nicht. Ob der Betrieb in einer Niedrig-Temperaturumgebung ausgeführt wird oder nicht, wird basierend auf einem Vergleich mit einer vorbestimmten Grenzwerttemperatur beurteilt. Obwohl diese Grenzwerttemperatur z. B. 0 Grad ist, kann die Grenzwerttemperatur abhängig von den Eigenschaften des Kühlmittels und der Betriebsbedingungen des Systems stark verändert werden.
  • Somit, falls bestimmt wird, dass sich der Betrieb nicht in einer Niedrig-Temperaturumgebung (S2/NEIN) befindet, wird ein Wärmespeicherprozess der Erfindung nicht benötigt, und der Betrieb daher in einem normalen Modus ausgeführt. Genauer gesagt stellt die Steuereinheit 80 bei Schritt S3 ein Flag zum Betreiben des Brennstoffzellensystems im normalen Modus ein. Hierbei ist der normale Modus ein Modus zum Steuern einer FC Wassertemperatur (Temperatur des Kühlmittels) bei einer ersten Zieltemperatur Tx (T3 < Tx < T4). Hierbei ist T3 eine Temperatur, die höher als eine Temperatur T1 zum Schalten des Dreiwegeventils 133 von der FC Verbindungsseite zur Kurzschlussseite und eine Temperatur T2 zum Schalten der Kühlwasserpumpe 35 von einer hohen Drehzahl zu einer niedrigen Drehzahl (T1, T2 < T3) ist.
  • Falls währenddessen bestimmt wird, dass sich der Betrieb in einer Niedrig-Temperaturumgebung (S2/JA) befindet, wird der Betrieb im Wärmespeichermodus ausgeführt, wodurch ein Wärmespeicherprozess der Erfindung ausgeführt wird. Das heißt, die Steuereinheit 80 stellt bei Schritt S4 ein Flag zum Betreiben des Brennstoffzellensystems im Wärmespeichermodus ein. Hierbei ist der Wärmespeichermodus ein Modus zum Steuern der FC Wassertemperatur (Temperatur des Kühlmittels) bei einer zweiten Zieltemperatur Ty (T4 < Ty < T5).
  • Anschließend schaltet die Steuereinheit 80 auf eine Temperatursteuerung, welche ausgeführt wird, bis die Zieltemperatur, die aus der obenstehenden Einstellung resultiert, erreicht ist, und dann auf eine andere Temperatursteuerung, welche ausgeführt wird, nachdem diese Zieltemperatur erreicht ist, während sie die Temperatur des Kühlmittels, das in die Brennstoffzelle 20 fließt, überwacht.
  • Zuerst empfängt die Steuereinheit 80 vom Temperatursensor 32 die Temperatur des Kühlmittels an der Auslassseite der Brennstoffzelle 20 (S5), und beurteilt ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, die Temperatur T3 (S6) erreicht hat oder nicht. Demzufolge, falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, nicht die Temperatur T3 (S6/NEIN) erreicht hat, wartet die Steuereinheit 80 bis die Temperatur der Brennstoffzelle aufgrund der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 20 circa auf die Steuerzieltemperatur ansteigt.
  • Das heißt, die Steuereinheit 80 betreibt die Kühlwasserpumpe 35 bei einer hohen Drehzahl (S7), schaltet das Dreiwegeventil 133 um den Kurzschlussmodus sicherzustellen, und unterbricht hierbei den Fluss des Kühlmittels in dem Kühlmittelzirkulationsweg 132 (S8). Die Steuereinheit 80 schaltet dann das Drehventil (RV) 34 auf die Bypassdurchflusswegseite (S9). Somit steigt die Temperatur des Kühlmittels mit der FC Leistungserzeugung schrittweise an. Anschließend wartet die Steuereinheit 80 für eine vorbestimmte Zeit (S10/NEIN) und kehrt, falls eine vorbestimmte Zeit vergangen ist (JA), zu Schritt S7 zurück.
  • Bei Schritt S6 schaltet die Steuereinheit 80 auf eine Temperaturaufrechterhaltungssteuerung gemäß der Zieltemperatur, die bei Schritt S3 oder S4 unter der Bedingung eingestellt wird, dass die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, die Temperatur T3 erreicht hat, oder dass die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, die Temperatur T3 überschritten hat.
  • Zuerst schaltet die Steuereinheit 80 den Luftkompressor (AC) 143 ein (S11), und schaltet die Kühlwasserpumpe 35 von einer hohen Drehzahl auf eine niedrige Drehzahl (S12). Anschließend schaltet die Steuereinheit 80 das Dreiwegeventil 133 um einen FC Verbindungsmodus bei Schritt S13 zu erzielen. Das heißt, die Steuereinheit 80 schaltet das Dreiwegeventil 133 so, dass die B und C-Seiten in den 1 und 2 miteinander verbunden sind. Mit dieser Schaltung vermischt sich ein Teil des Kühlmittels vom Auslass der Brennstoffzelle 20 mit dem Kühlmittel der Auslaufseite bzw. stromab des Drehventils 34 über die Wasserpumpe 134 und die Wärmetauscher 135 und 136.
  • Anschließend schreitet die Steuereinheit 80 zu Schritt S14 voran, und beurteilt basierend auf dem eingestellten Flag ob sich der Betrieb im normalen Modus befindet oder nicht. Falls bestimmt wird, dass sich der Betrieb im normalen Modus befindet (14/JA), schaltet die Steuereinheit 80 auf eine Temperatursteuerung zum Halten der Brennstoffzelle auf der ersten Zieltemperatur im normalen Modus, und falls sich der Betrieb im Wärmespeichermodus befindet (S14/NEIN), schaltet die Steuereinheit 80 auf eine Temperatursteuerung zum Halten der Temperatur der Brennstoffzelle auf der zweiten Zieltemperatur im Wärmespeichermodus.
  • Im normalen Modus beurteilt die Steuereinheit 80, ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, höher als die Temperatur T4 ist oder nicht (S15), und falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T4 ist (NEIN), wartet die Steuereinheit 80 bis die Temperatur der Brennstoffzelle ansteigt. Falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, hingegen höher als die Temperatur T4 ist (JA), bestimmt die Steuereinheit 80, dass die obere Grenze (T4) der ersten Zieltemperatur erreicht worden ist, und schaltet das Drehventil 34 zum kühlerseitigen Durchflussweg, wodurch der Kühler 33 das Kühlmittel kühlt (S16). Das Schalten zum kühlerseitigen Durchflussweg leitet die Wärme des Kühlmittels ab, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle beginnt abzusinken.
  • Als nächstes beurteilt die Steuereinheit 80, ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T4 ist oder nicht (S17), und falls die Temperatur (Wassertemperatur) die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T4 ist (JA), beurteilt die Steuereinheit 80 weiter, ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T3 ist oder nicht (S18). Falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T3 (JA) ist, bestimmt die Steuereinheit 80, dass die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, nicht in den Bereich der ersten Zieltemperatur fällt, und schaltet das Drehventil 34 zum beispassseitigen Durchflussweg (S19). Somit steigt mit der FC Leistungserzeugung die Temperatur des Kühlmittels schrittweise an.
  • Danach beurteilt die Steuereinheit 80 ob der Betrieb zu Ende ist oder nicht (S20). Falls der Betrieb endet (JA), beendet die Steuereinheit 80 den Prozess bzw. Verfahrensablauf des derzeitigen Ablaufs; falls der Betrieb hingegen fortgesetzt wird (NEIN), erfasst die Steuereinheit 80 die Umgebungstemperatur des Temperatursensors 83 (S21) und beurteilt bei Schritt S22 ob die Umgebungstemperatur eine Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt oder nicht. Somit, falls bestimmt werden kann, dass die Umgebungstemperatur gesunken ist und eine Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt (JA), bestimmt die Steuereinheit 80 dass der Wärmespeicherprozess der Erfindung ausgeführt werden sollte, und schreitet zu Schritt S4, zum Schalten in den Wärmespeichermodus voran.
  • Falls hingegen bestimmt wird, dass die Umgebungstemperatur keine Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt (NEIN), schreitet die Steuereinheit 80 zu Schritt S11 zurück, um die Temperatursteuerung im normalen Modus auszuführen, wiederholt die Verfahrenssschritte S11 bis S22 und steuert dabei die FC Wassertemperatur (Temperatur des Kühlmittels), so dass diese in den Bereich der ersten Zieltemperatur Tx fällt.
  • Falls währenddessen bei Schritt S14 bestimmt wird, dass sich der Betrieb im Wärmespeichermodus befindet (NEIN), wird die Temperatursteuerung zum Halten der Temperatur der Brennstoffzelle auf der zweiten Zieltemperatur im Wärmespeichermodus ausgeführt. Das heißt, die Steuereinheit 80 wartet bis die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, höher als die Temperatur T5 wird, während sie beurteilt, ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, höher als die Temperatur T5 ist oder nicht (NEIN). Falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, höher als die Temperatur T5 ist (JA), wird bestimmt, dass die obere Grenze (T5) der zweiten Zieltemperatur erreicht worden ist, wobei die Steuereinheit 80 das Drehventil 34 zum kühlerseitigen Durchflussweg schaltet, und dabei das Kühlmittel durch den Kühler 33 kühlt (S24).
  • Als nächstes beurteilt die Steuereinheit 80 über das Kühlmittel, das durch den Kühler 33 gekühlt worden ist, ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T5 ist oder nicht (S25), und falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T5 ist (JA), ob die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T4 ist oder nicht (S26). Falls die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, niedriger als die Temperatur T4 ist (JA), bestimmt die Steuereinheit 80, dass die Temperatur (Wassertemperatur), die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, nicht in den Bereich der zweiten Zieltemperatur fällt, und schaltet das Drehventil 34 zur Bypassdurchflusswegseite (S27). Somit steigt mit der FC-Leistungserzeugung die Temperatur des Kühlmittels schrittweise an.
  • Anschließend beurteilt die Steuereinheit 80, ob der Betrieb endet (S28), und falls der Betrieb endet (JA), beendet die Steuereinheit 80 den Prozess des derzeitigen Ablaufs.
  • Falls der Betrieb fortgesetzt wird (NEIN) misst die Steuereinheit 80 die AC-Impedanz der Brennstoffzelle und ermittelt dabei die Wassermenge bei Schritt S29. Das heißt, nachdem ein AC-Signal durch den DC/DC-Wandler 90 in eine Stromleitung eingespeist bzw. dieser überlagert ist, empfängt die Steuereinheit 80 das Stromerfassungssignal Si und das Spannungserfassungssignal Se vom Spannungssensor 97 und dem Stromsensor 98; misst die AC-Impedanz der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem angegebenen Stromerfassungssignal Si und Spannungserfassungssignal Se; und beurteilt, ob die gemessene AC-Impedanz niedriger als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht (S30).
  • Hierbei entspricht die AC-Impedanz einer Menge von Wasser (hiernach als ”Wassermenge” bezeichnet), die in der Brennstoffzelle 20 verbleibt. Wenn die AC-Impedanz kleiner wird, wird das Innere der Brennstoffzelle feuchter, und wenn eine AC-Impedanz größer wird, wird das Innere der Brennstoffzelle trockener.
  • Somit, falls eine gemessene AC-Impedanz niedriger als ein vorbestimmter Wert ist (JA), bestimmt die Steuereinheit 80, dass die Wassermenge der Brennstoffzelle sicher einen bestimmten Wert hat oder größer als dieser ist, und wiederholt die Verfahrensschritte S24 bis S30, um den Wärmespeichermodus fortzuführen, und steuert dabei die FC-Wassertemperatur (Temperatur des Kühlmittels), so dass diese in den Bereich der zweiten Zieltemperatur Tx fällt.
  • Falls die Steuereinheit 80 währenddessen bestimmt, dass die gemessene AC-Impedanz höher als ein vorbestimmter Wert bei Schritt S30 ist, zeigt dies an, dass die Brennstoffzelle leicht trocken ist. Die Steuereinheit 80 verändert dann die Flageinstellung im normalen Modus bei Schritt S31, und schreitet zu Schritt S14 voran. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle selbst in einer Niedrig-Temperaturumgebung leicht trocken ist, wird ein Betrieb basierend auf einer Einstellung mit einer etwas höheren Kühlmitteltemperatur im Wärmespeichermodus verboten, was gezwungenermaßen zum Wechsel in den Normalmodus führt.
  • 4 illustriert die Temperatur eines Kühlmittels, die sich gemäß der obenstehenden Temperatursteuerung verändert.
  • Wie in 4 dargestellt, wird die Temperatur des Kühlmittels im Falle des normalen Modus auf der ersten Zieltemperatur zwischen T3 und T4 gehalten. Im Falle des Wärmespeichermodus wird die Temperatur des Kühlmittels auf der zweiten Zieltemperatur, die höher als die erste Zieltemperatur ist, zwischen T4 und T5 gehalten.
  • Während dem Steuern der Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels, so dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelzuführsystem gleich der Zieltemperatur ist, wird die Zieltemperatur des Kühlmittels wie obenstehend beschrieben gemäß dieser Ausführungsform in einer Niedrig-Temperaturumgebung so eingestellt, dass sie in den Bereich der zweiten Zieltemperatur fällt, die höher als die erste Zieltemperatur ist. Daher kann Wärmeenergie selbst in einer Niedrig-Temperaturumgebung gespeichert werden, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des Kühlmittels übermäßig abfällt.
  • Wenn die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 20 leicht trocken ist, wird die Zieltemperatur des Kühlmittels gemäß dieser Ausführungsform eingestellt, um selbst in einer Niedrig-Temperaturumgebung in den Bereich der ersten Zieltemperatur zu fallen. Demgemäß kann die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 20 davor abgehalten werden, übermäßig auszutrocknen.
  • Obwohl das Erwärmen des Kühlmittels im Wärmespeichermodus in dieser Ausführungsform durch die Heizeinheit unter Verwendung der Klimaanlage, die in 3 dargestellt ist, durchgeführt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Hierbei kann jedes Mittel Anwendung finden, das in der Lage ist, die Temperatur des Kühlmittels anzuheben.
  • Das Brennstoffzellensystem der Erfindung kann nicht nur in Fahrzeugen Anwendung finden, sondern auch in jeglichen mobilen Geräten, die sich auf der Erde, unter der Erde, auf dem Meer, im Meer, in der Luft und im Weltraum bewegen. Offensichtlich kann die vorliegende Erfindung auch bei stationären Brennstoffzellensystemen Anwendung finden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur einer Brennstoffzelle in einer Niedrig-Temperaturumgebung über eine Temperatur, die gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, gesteuert, um gleich einer Zieltemperatur zu sein, die höher als die Temperatur während des Normalbetriebs ist, wodurch Wärmeenergie eines Kühlmittels selbst in der Niedrig-Temperaturumgebung gespeichert werden kann, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur der Kühlflüssigkeit bzw. des Kühlmittels übermäßig abfällt.

Claims (3)

  1. Brennstoffzellensystem (10) umfassend eine Brennstoffzelle (20), welche elektrische Leistung nach einer Zufuhr eines Reaktionsgases erzeugt, aufweisend: einen Kühlmittelzuführer (201) zum Zuführen eines Kühlmittels (W) zur Brennstoffzelle (20); und eine Kühlmittelsteuerung (202) zum Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezuglich des Kühlmittels (W), so dass eine Temperatur des Kühlmittels (W) gleich einer Zieltemperatur ist, wobei die Kühlmittelsteuerung (202) programmiert ist, während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems die Temperatur des Kühlmittels (W) in einer Niedrig-Temperaturumgebung, bei einer Temperatur gleich oder niedriger einer vorbestimmten Temperatur, so zu steuern, dass die Zieltemperatur (Th, Ty) höher als eine Zieltemperatur ist, die höher als eine Zieltemperatur (To, Tx) während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems ist, wenn eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle (20) verbleibt, größer als ein vorbestimmter Wert ist, um die Temperatur der Brennstoffzelle zu steuern, während die Kühlmittelsteuerung (202) programmiert ist, die Zieltemperatur auf der Zieltemperatur (To, Tx) während des Normalbetriebs zu halten, wenn die Wassermenge geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: der Kühlmittelzuführer (201) aufweist: einen Kühlmittelweg (31, 38) zum Ausbilden eines Kreislaufs des Kühlmittels (W) zum Kühlen der Brennstoffzelle (20); eine Kühlmittelpumpe (35), welche im Kühlmittelweg (38) eingebracht ist, um das Kühlmittel (W) zu zirkulieren; einen Kühler (33) zum Abführen von Wärme des Kühlmittels (W) nach außen; und ein Schaltventil (34) zum Schalten eines Durchflussweges des Kühlmittels, das zwischen einem bypassseitigen Durchflussweg, welcher den Kühler (33) umfließt, und einem kühlerseitigen Durchflussweg, welcher durch den Kühler (33) fließt, in den Kühler (33) fließt; die Kühlmittelsteuerung (202) aufweisend: eine Heizeinheit (130) zum Erwärmen des Kühlmittels (W) im Kühlmittelweg (38); einen Temperatursensor (36) zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels (W) im Kühlmittelweg (38); und eine Steuerung (80) zum Steuern des Schaltens des Schaltventils (34), so dass eine Temperatur, die durch den Temperatursensor (36) erfasst wird, gleich der Zieltemperatur ist; und wenn die Temperatur, die durch den Temperatursensor (36) erfasst wird, die Niedrig-Temperaturumgebung anzeigt, während die Zieltemperatur gesteuert wird, um auf einer Zieltemperatur (Th, Ty) zu sein, die höher als eine Zieltemperatur (To, Tx) während eines Normalbetriebs ist, betreibt die Kühlmittelsteuerung (202) die Heizeinheit (130) so, dass die Temperatur des Kühlmittels (W) gleich der Zieltemperatur (Th, Ty) ist, die höher als die Zieltemperatur (To, Tx) während des Normalbetriebs ist.
  3. Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellensystems (10) umfassend eine Brennstoffzelle (20), welche elektrische Leistung nach einer Zufuhr eines Reaktionsgases erzeugt, aufweisend die Schritte: Zuführen eines Kühlmittels (W) zur Brennstoffzelle (20); Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels (W); Steuern einer Wärmeaustauschmenge bezüglich des Kühlmittels (W), so dass die Temperatur des Kühlmittels (W) gleich einer Zieltemperatur ist; und während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems in einer Niedrig-Temperaturumgebung, bei einer Temperatur gleich oder niedriger einer vorbestimmten Temperatur, Verändern der Temperatur des Kühlmittels (W), so dass die Zieltemperatur (Th, Ty) höher als eine Zieltemperatur ist, die höher als eine Zieltemperatur (To, Tx) während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems ist, wenn eine Wassermenge, die in der Brennstoffzelle (20) verbleibt, größer als ein vorbestimmter Wert ist, um die Temperatur der Brennstoffzelle (20) zu steuern, und Halten der Zieltemperatur auf der Zieltemperatur (To, Tx) während des Normalbetriebs, wenn die Wassermenge geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
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