DE10232923A1

DE10232923A1 - Brennstoffzellensystem und Gefrierschutzverfahren hierfür

Info

Publication number: DE10232923A1
Application number: DE10232923A
Authority: DE
Inventors: Yoshihito Kanno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-20
Also published as: JP4867094B2; US20030017375A1; DE10232923B8; JP2003036874A; DE10232923B4; US6899969B2

Abstract

In einem Brennstoffzellensystem (10) erfasst ein Temperatursensor (32) eine innere Temperatur einer Brennstoffzelle (20). Eine Kühlwasserpumpe (30) wird so gesteuert, dass sie angehalten wird, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als 0 Grad ist. Ein Antriebswert der Kühlwasserpumpe (30) steigt gemäß einem Anstieg einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle (20), wenn die innere Temperatur größer als 0 Grad ist. Eine Anstiegsrate eines Antriebswerts wird zurückgehalten, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) zwischen 0 Grad und einer vorbestimmten Temperatur größer als 0 Grad liegt.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle enthält, welche eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion gewinnt, welche durch die Zuführung eines Brenngases hervorgerufen wird, welches Wasserstoff und ein Sauerstoff enthaltendes, oxidierendes Gas bzw. Oxidationsgas enthält, und auf ein Gefrierschutzverfahren hierfür.

Es wird angenommen, das eine Brennstoffzelle bei Verwendung derselben als eine Energiequelle zur Fortbewegung, wie im Fall einer Verwendung der Brennstoffzelle als eine Energiequelle für ein elektrisches Fahrzeug, unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben wird. Daher muss die Brennstoffzelle gegebenenfalls unter allen denkbaren Bedingungen arbeiten.

Wenn die Brennstoffzelle beispielsweise unter kalten klimatischen Bedingungen betrieben wird, gefriert Wasser, welches in der Brennstoffzelle vorhanden ist, wenn eine innere Temperatur der Brennstoffzelle auf oder unter 0°C fällt. Um das zuvor erwähnte Problem zu vermeiden, wurde z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. HEI 6-223855 vorgeschlagen, das Kühlwasser aus dem Kühlwasserkanal in der Brennstoffzelle abzuziehen, wenn die Brennstoffzelle ihren Betrieb einstellt. Bei der obigen Ausgestaltung gefriert Kühlwasser in dem Kühlwasserkanal auch dann nicht, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle auf oder unter 0°C fällt, nachdem die Brennstoffzelle ihren Betrieb eingestellt hat. Daher wird kein Problem verursacht, wenn die Brennstoffzelle das nächste Mal aktiviert wird.

Allerdings ist bisher im Stand der Technik nicht bekannt, zu verhindern, dass Wasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird, unter kalten Klimabedingungen in der Brennstoffzelle gefriert. Während die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle abläuft, wird auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle Wasser erzeugt. Das Wasser wird unmittelbar erzeugt, wenn die Brennstoffzelle aktiviert und die elektrochemische Reaktion eingeleitet wird. Das erzeugte Wasser kondensiert in Kanälen zum Zuführen von Oxidationsgas um die Elektroden herum und auf der Kathodenseite, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist. Zusätzlich kann das erzeugte Wasser gefrieren, wenn die innere Temperatur gleich oder niedriger als 0°C ist.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, eine Technik bereitzustellen, um zu verhindern, dass erzeugtes Wasser in einer Brennstoffzelle gefriert, wenn die Brennstoffzelle unter kalten Klimabedingungen aktiviert wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Um die zuvor erwähnte Aufgabe zu lösen, ist ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität erzeugt. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle, einen Kühlmittelkanal, welcher in der Brennstoffzelle ausgebildet ist, eine Pumpe zum Zuführen des Kühlmittels, einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur, welche eine innere Temperatur der Brennstoffzelle widerspiegelt, und einen Steuerungsabschnitt zum Abschalten der Pumpe, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur gleich einer oder niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur ist. Der Hauptzweck des Steuerungsabschnittes ist es, durch Abschalten der Pumpe, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur gleich oder niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist, zu verhindern, dass das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle gefriert.

Bei dem zuvor beschriebenen Brennstoffzellensystem kann durch Anhalten der Pumpe für das Kühlmittel ein übermäßiger Abfall der inneren Temperatur der Brennstoffzelle, hervorgerufen durch Zirkulation des Kühlmittels, verhindert werden, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist. Die innere Temperatur der Brennstoffzelle oder eine Temperatur des Kühlmittels kann gleich oder niedriger als 0°C sein, wenn das Brennstoffzellensystem unter kalten Bedingungen aktiviert wird. Die innere Temperatur der Brennstoffzelle beginnt zu steigen, während die elektrochemische Reaktion abläuft, auch wenn das Brennstoffzellensystem unter kalten Bedingungen aktiviert wird. Zu dieser Zeit kann durch Anhalten der Pumpe ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel, dessen Temperatur gleich oder niedriger als 0°C ist, und der Brennstoffzelle behindert werden. Somit kann die innere Temperatur der Brennstoffzelle ausreichend ansteigen. Daher kann verhindert werden, dass das durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle gefriert.

Überdies beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verhindern eines Gefrierens bzw. ein Gefrierschutzverfahren für das Brennstoffzellensystem, welches die Brennstoffzelle, den Kühlmittelkanal zum Zirkulieren eines gewünschten Kühlmittels in der Brennstoffzelle und die Pumpe zum Einstellen einer Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal enthält. Das Gefrierschutzverfahren beinhaltet einen Schritt zum Erfassen einer Temperatur, welche die innere Temperatur der Brennstoffzelle widerspiegelt, und einen Schritt zum Halten der Pumpe in einem Ruhezustand, wenn die in dem vorherigen Schritt erfasste Temperatur gleich oder niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist.

Mit dem Gefrierschutzverfahren, welches die zuvor beschriebenen Schritte einschließt, zirkuliert das Kühlmittel unter kalten Bedingungen nicht. Daher kann die innere Temperatur der Brennstoffzelle ausreichend ansteigen, und es kann verhindert werden, dass das durch die elektrochemische Reaktion ausgebildete Wasser in der Brennstoffzelle gefriert.

In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann das vorgesehene Kühlmittel eine Flüssigkeit sein, deren Gefrierpunkt niedriger als der von Wasser ist. Damit kann, auch wenn die Temperatur des Kühlmittels weniger als 0°C beträgt, eine Zirkulierung des Kühlmittels ohne Probleme eingeleitet werden, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle als ein Ergebnis einer Einleitung der elektrochemischen Reaktion zu steigen beginnt. Daher kann die innere Temperatur der Brennstoffzelle innerhalb eines geeigneten Bereichs gehalten werden. Überdies kann auch unter kalten Klimabedingungen verhindert werden, dass das Kühlmittel in dem Brennstoffzellensystem gefriert.

Fig. 1 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt;

Fig. 2 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche die Strömung von Kühlwasser in dem Brennstoffzellensystem zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionszeichnung, welche Teile zeigt, die eine Brennstoffzelle enthält;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches eine Kühlwassersteuerungsroutine zeigt;

Fig. 5 ist eine Karte, welche eine Beziehung zwischen einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle und Sollwerten einer Kühlwasserpumpengeschwindigkeit in Umdrehungen zeigt;

Fig. 6 ist eine Karte, welche eine Beziehung zwischen der inneren Temperatur der Brennstoffzelle und den Sollwerten einer Kühlwasserpumpengeschwindigkeit in Umdrehungen zeigt; und

Fig. 7 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche ein geändertes Beispiel eines Brennstoffzellensystems zeigt. Nachstehend werden Gesichtspunkte der Implementierungen der vorliegenden Erfindung gemäß bevorzugten Ausführungsformen in der nachfolgenden Reihenfolge erläutert.

- Gesamtkonfiguration einer Vorrichtung (Gasflus)
- Gesamtkonfiguration einer Vorrichtung (Kühlwasserfluß)
- Innere Konfiguration einer Brennstoffzelle 20
- Steuerung einer Kühlwasserströmung
- Beispielhafte Änderungen in einer Konfiguration

Nachstehend wird zunächst eine Gesamtkonfiguration einer Vorrichtung (Gasfluß) beschrieben.

Fig. 1 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Zunächst wird nachstehend die Strömung von Gas, welches einer Brennstoffzelle zugeführt wird, gemäß Fig. 1 erläutert. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält hauptsächlich einen Brennstofftank 72 zum Speichern von Brennstoff zur Umwandlung bzw. Konvertierung (nachstehend auch als Ausgangsbrennstoff oder zugeführter Brennstoff oder Konvertierungsbrennstoff bezeichnet), einen Wassertank 73 zum Speichern von Wasser, einen Verdampfer-/Mischerabschnitt 74 zum Erhitzen und Mischen des Ausgangsbrennstoffs und des Wassers, einen Konverter 75, welcher einen Katalysator enthält, der eine Umwandlungs- bzw. Konvertierungsreaktion fördert, einen CO-Reduzierabschnitt 76 zum Reduzieren einer Kohlenmonoxidkonzentration eines konvertierten Gases, eine Brennstoffzelle 20 und ein Gebläse 77.

Der in dem Brennstofftank 72 gespeicherte Ausgangsbrennstoff wird der Konvertierungsreaktion, welche bei dem Konverter 75 abläuft, zugeführt. Verschiedene Arten von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, welche Wasserstoff durch eine Konvertierungsreaktion ausbilden, wie etwa flüssige Kohlenwasserstoffe einschließlich Benzin, Alkohol einschließlich Methan, Aldehyde und Erdgas können die Ausgangsbrennstoffe sein. Der Verdampfer-/Mischerabschnitt 74 verdampft und erhitzt den Ausgangsbrennstoff, welcher von dem Brennstofftank 72 aus zugeführt wird, und das Wasser, welches von dem Wassertank 73 aus zugeführt wird, bevor sie gemischt werden.

Das gemischte Gas, welches den Ausgangsbrennstoff und das Wasser enthält und welches von dem Verdampfer- /Mischerabschnitt 74 entlassen wird, wird der Konvertierungsreaktion in dem Konverter 75 zugeführt, was in der Ausbildung des konvertierten Gases (wasserstoffreichen Gases) resultiert. Der Konverter 75 ist mit einem Konvertierungskatalysator gemäß der Art des der Konvertierungsreaktion zugeführten Ausgangsbrennstoff ausgestattet. Eine innere Temperatur des Konverters 75 wird so gesteuert, dass die Temperatur einen für die Reaktion, für welche der Ausgangsbrennstoff konvertiert wird, geeigneten Wert annimmt. Die bei dem Konverter 75 fortschreitende Konvertierungsreaktion kann verschiedene Reaktionen sein, wie etwa eine Wasserdampfumwandlungsreaktion, eine partielle Oxidation oder eine Kombination von beiden. Der Konvertierungskatalysator, mit welcher der Konverter 75 ausgestattet ist, sollte gemäß der bei dem Konverter 75 ablaufenden Konvertierungsreaktion ausgewählt sein.

Das bei dem Konverter 75 erzeugte konvertierte Gas wird der Anodenseite der Brennstoffzelle 20 als Brenngas zugeführt, nachdem seine Kohlenmonoxidkonzentration in dem CO-Reduzierabschnitt 76 reduziert worden ist. Der CO- Reduzierabschnitt 76 enthält einen Katalysator, welcher eine katalytische Kohlenoxid-Konvertierung fördert, welche aus Kohlenmonoxid und Wasserdampf Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt. Daher kann der CO-Reduzierabschnitt 76 als ein katalytischer Kohlenoxid-Konvertierungsabschnitt zum Reduzieren der Kohlenmonoxidkonzentration des wasserstoffreichen Gases durch die katalytische Kohlenoxid-Konvertierung verstanden werden. Zusätzlich kann der CO-Reduzierabschnitt 76 auch als ein kohlenmonoxidselektiver Oxidierabschnitt verstanden werden, ausgestattet mit einem Katalysator, welcher eine selektive Oxidationsreaktion fördert, welche zum Reduzieren der Kohlenmonoxidkonzentration des wasserstoffreichen Gases durch die kohlenmonoxidselektive Oxidationsreaktion Kohlenmonoxid vorzugsweise in Wasserstoff oxidiert. Überdies kann der CO-Reduzierabschnitt 76 mit einem die katalytische Kohlenoxid-Konvertierung fördernden Katalysator und einem die selektive Oxidationsreaktion fördernden Katalysator ausgestattet sein.

Von dem Gebläse 77 aus wird auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 komprimierte Luft als ein Oxidationsgas zugeführt. Durch eine elektrochemische Reaktion wird unter Ausnutzung des Brenngases und des Oxidationsgases eine elektromotorische Kraft in der Brennstoffzelle 20 erzeugt.

Die Brennstoffzelle 20 ist eine Brennstoffzelle vom festen Polymertyp bzw. vom Festelektrolyttyp. Eine genaue Konfiguration der Brennstoffzelle 20 wird später erläutert werden.

Als nächstes wird die Gesamtkonfiguration der Vorrichtung (Kühlwasserfluß) erläutert.

Fig. 2 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche den Fluss des Kühlwassers in dem Brennstoffzellensystem 10 zeigt (es sei angemerkt, dass der Begriff "Kühlwasser" jede beliebige zur Kühlung verwendete Flüssigkeit einschließen kann). Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Kühler 26, einen Kühlwasserkanal 28, eine Kühlwasserpumpe 30 und einen Steuerungsabschnitt 50. Der Kühler 26 beinhaltet einen Kühllüfter 24. Der Kühlwasserkanal 28 verbindet einen in der Brennstoffzelle 20 ausgebildeten Kühlwasserkanal mit einem in dem Kühler 26 ausgebildeten, um das Kühlwasser in beiden zu zirkulieren. Die Kühlwasserpumpe 30 erzeugt eine Antriebskraft zum Zirkulieren des Kühlwassers in dem Kühlwasserkanal 28. Der Kanal zum Weiterleiten des Kühlmittels, welcher in der Brennstoffzelle 20 ausgebildet ist, wird indessen als ein Kühlmittelkanal bezeichnet.

In der Brennstoffzelle, in welcher die elektrochemische Reaktion begleitet von Wärmeerzeugung abläuft, wird eine innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 durch Zirkulieren des Kühlwassers in dem in der Brennstoffzelle 20 vorgesehenen Kanal innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für einen bevorzugten Ablauf der elektrochemischen Reaktion aufrecht erhalten. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird eine Frostschutzflüssigkeit, welche bei Temperaturen gleich oder etwas geringer als 0°C nicht gefriert, als die Kühlflüssigkeit verwendet, um eine Zirkulation in dem Brennstoffzellensystem auch dann zu ermöglichen, wenn das Brennstoffzellensystem 10 unter kalten Klimabedingungen aktiviert wird, wo die Temperatur gleich oder etwas weniger als 0°C beträgt. Daher benötigt die vorliegende bevorzugte Ausführungsform keine Konfiguration zum Extrahieren des Kühlwassers, wenn die Brennstoffzelle ihren Betrieb einstellt.

Der Kühler 26 ist eine Vorrichtung zum Verringern einer Temperatur des Kühlwassers, welches der Brennstoffzelle 20 zugeführt und durch Wärmeaustausch darin erwärmt worden ist. Der Kühler 26 ist mit einem Wärmetauscherabschnitt ausgestattet, welcher den Kanal zum Einführen des erwärmten Kühlwassers einschließt. Der Wärmetauscherabschnitt ermöglicht, dass Aussenluft so dorthindurch tritt, dass die Aussenluft und das Kühlwasser in dem Kanal Wärme austauschen können. Wenn der Kühllüfter 24, welcher zu dem Kühler 26 gehört, angetrieben wird, tritt Kühlluft durch den Wärmetauscherabschnitt hindurch und zieht Wärme von dem in dem Kanal zirkulierenden Kühlwasser ab. Somit wird das Kühlwasser wirksam gekühlt. Der Kühllüfter 24 ist mit dem Steuerungsabschnitt 50 verbunden und wird durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert.

Wie zuvor beschrieben, ist die Kühlwasserpumpe 30 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft zum Zirkulieren des Kühlwassers in dem Kühlwasserkanal 28, und eine Antriebsmenge (Drehzahl der Kühlwasserpumpe oder eine Pumpmenge des Kühlwassers) kann gemäß einer Antriebsspannung eingestellt werden. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird die Pumpmenge des Kühlwassers durch Ändern der Antriebsspannung der Kühlwasserpumpe 30 eingestellt, um eine Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle 20 auf einen Mittelwert zu bringen. Daher ist vorzuziehen, dass die in dem Brennstoffzellensystem 10 enthaltene Kühlwasserpumpe 30 in der Lage ist, eine Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers einzustellen, um die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle 20 auch dann ausreichend zu mitteln, wenn ein ausgegebener elektrischer Strom in hohem Maße schwankt und sich ein Wärmewert bei der Brennstoffzelle 20 ändert. Die Kühlwasserpumpe 30 ist mit dem Steuerungsabschnitt 50, welcher die Antriebsspannung der Pumpe steuert, verbunden.

Indessen ist ein Temperatursensor 32 zum Erfassen der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 in der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Der Temperatursensor 32 ist mit dem Steuerungsabschnitt 50 verbunden.

Der Steuerungsabschnitt 50 ist ein logischer Schaltkreis mit einem Mikrocomputer als sein Zentrum, einschließlich einer CPU 54, ROM 58, RAM 56 und einem Eingabe-/Ausgabeanschluss 52 zum Eingeben und Ausgeben verschiedener Signale. Wie zuvor beschrieben, erhält der Steuerungsabschnitt 50 Informationen über die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 von dem Temperatursensor 32 und gibt Antriebssignale an den Kühllüfter 24 und die Kühlwasserpumpe 30 aus. In anderen Worten, der Steuerungsabschnitt 50 führt eine Steuerung gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 (Zustand der Wärmeerzeugung) so aus, dass eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 20 konstant gleich oder weniger als eine Vorbestimmte Temperatur (z. B. 80°C) beträgt. Zusätzlich zum Steuern des Kühlwassers, welches die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 berührt, steuert der Steuerungsabschnitt 50 Pumpen und Ventile, welche auf einen Betrieb der Brennstoffzelle 20 hin arbeiten. Überdies steuert der Steuerungsabschnitt 50 die Menge des an die Brennstoffzelle gelieferten Gases.

Nun wird eine innere Konfiguration einer Brennstoffzelle 20 beschrieben.

Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionszeichnung, welche Teile zeigt, welche Bestandteil der Brennstoffzelle 20 sind. Die Brennstoffzelle 20 beinhaltet eine Elektrolytmembran 41, deren Oberflächen in einer Stapelrichtung quadratisch sind, eine Anode 43, welche eine Gasdiffusionselektrode ist, eine Kathode (nicht gezeigt) und Trennstücke 60, 70 und 80. Zusätzlich besitzt die Brennstoffzelle 20 eine Stapelstruktur, in welcher mehrere einzelne Zellen 48 in Lagen gestapelt sind.

Die Elektolytmembran 41 ist eine Ionenaustauschmembran mit einer Protonenleitfähigkeit, welche aus einem festen Polymermaterial bzw. Festelektrolyt wie einem fluorhaltigen Kunstoff bzw. Fluorcarbonharz ausgebildet ist, und sie besitzt eine gute elektrische Leitfähigkeit unter nassen Bedingungen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird als die Elektrolytmembran 41 eine Nafion-Membran (hergestellt von Du Pont) verwendet. Eine Legierungsschicht, welche aus Platin als ein Katalysator oder Platin und anderen Metallen zusammengesetzt ist, ist auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 41 vorgesehen.

Die Anode 43 und die Kathode sind aus Kohlefaser hergestellt. Sie können zum Beispiel aus kreuzweise angeordneten Kohlefasern (carbon cross), Kohlepapier (carbon paper) oder Kohlefilz (carbon felt) ausgebildet sein.

Die Trennstücke 60, 70 und 80 sind aus einem leitfähigen Material, welches kein Gas durchlässt, wie etwa kompaktem Kohlenstoff, welcher durch Pressen von Kohlenstoff ausgebildet ist, oder anderen Metallen hergestellt. Die Trennstücke 60, 70 und 80 beinhalten Kühlwasseröffnungen 81 und 82, deren Querschnitte kreisförmig sind. Die Kühlwasseröffnungen 81 sind so angeordnet, dass ihre Positionen einander entsprechen, wenn die Trennstücke 60, 70 und 80 in Lagen gestapelt werden. Gleichermaßen sind die Kühlwasseröffnungen 82 so angeordnet, dass ihre Positionen einander entsprechen. Ein Paar länglicher Oxidationsgasöffnungen 83 und 84 und ein Paar von Brenngasöffnungen 85 und 86 sind um die und parallel zu den Kanten der Oberflächen der Trennstücke 60, 70 und 80 in der Stapelrichtung vorgesehen. Zusätzlich sind vorbestimmte unebene Abschnitte (Rippen 62 und 63, welche in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform parallel zueinander angeordnet sind) zum Ausbilden von Gaskanälen auf den Oberflächen der Trennstücke 60, 70 und 80 vorgesehen. Die Rippen 62 sind mit den Oxidationsgasöffnungen 83 und 84 verbunden, und die Rippen 63 sind mit den Brenngasöffnungen 85 und 86 verbunden.

Die Anode 43 und die Kathode bilden eine Sandwich- Struktur aus, welche die Elektrolytmembran 41 von beiden Seiten sandwichartig umfasst. Die Trennstücke 60 und 70 umfassen weiter die Sandwich-Struktur sandwichartig von beiden Seiten und bilden zwischen der Anode 43 und der Kathode Brenngaskanäle und Oxidationsgaskanäle aus. Die Brenngaskanäle sind durch die in dem Trennstück 70 enthaltenen Rippen 63 und die Anode 43 ausgebildet. Die Oxidationsgaskanäle sind durch die in dem Trennstück 60 enthaltenen Rippen 62 und die Kathode ausgebildet.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffzelle 20 weist die einzelne Zelle 48 die Anode 43 und die Kathode, durch welche die Elektrolytmembran 41 sandwichartig umfasst ist, und die Trennstücke auf, durch welche die Anode 43 und die Kathode sandwichartig umfasst sind. Das in Fig. 3 gezeigte Trennstück 70 ist auf der dem Betrachter zugewandten Seite mit den Rippen 62 und auf der Rückseite mit den Rippen 63 ausgestattet. Andererseits ist das Trennstück 60 auf einer Seite (auf der dem Betrachter zu gewandte Seite in Fig. 3) mit den Rippen 62 und auf der anderen Seite (der Rückseite in Fig. 3) mit einer ebenen Oberfläche ohne Rippen ausgestattet. Obwohl in Fig. 3 nur ein Trennstück 70 gezeigt ist, kann durch weiteres Vorsehen der Sandwich-Strukturen und Stapeln der vorbestimmten Zahl von Trennstücken 70 in Lagen eine vorbestimmte Zahl von einzelnen Zellen 48 in der Brennstoffzelle 20 ausgebildet sein. Dann sind das Trennstück 60 und das Trennstück 80 jedesmal vorgesehen, wenn eine vorbestimmte Zahl von einzelnen Zellen in Lagen gestapelt sind.

Das Trennstück 80 ist auf einer Seite (der Rückseite in Fig. 3) mit den Rippen 63 und auf der anderen Seite (der dem Betrachter zugewandte Seite in Fig. 3) mit Zickzack-Nuten 87 ausgestattet. Die Nuten 87 des Trennstücks 80 sind mit den Kühlwasseröffnungen 81 und 82 verbunden. Zusätzlich bilden die ebene Oberfläche auf dem Trennstück 60 und die Nuten 87 einen Kühlwasserkanal. Wie zuvor beschrieben, ist der Kühlwasserkanal, parallel zu den gestapelten Lagen, jedesmal ausgebildet, wenn die vorbestimmte Zahl der einzelnen Zellen 48 in Lagen gestapelt sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die den Kühlwasserkanal ausbildenden Nuten 87 auf der gesamten Oberfläche mit Ausnahme der Kanten des Trennstücks 80 ausgebildet. Daher kann durch die elektrochemische Reaktion, welche auf der Elektrolytmembran 41 abläuft, erzeugte Wärme durch das Kühlwasser wirksam entfernt werden.

Bei der Brennstoffzelle 22, in welcher die zuvor erwähnten Teile in Lagen gestapelt sind, bilden die Kühlwasseröffnungen 81 und 82 Wasserverteiler aus, welche Kühlwasserkanäle sind und den Stapel in der Stapelrichtung durchdringen. Die Oxidationsgasöffnungen 83 und 84 bilden Oxidationsgasverteiler aus, welche Oxidationsgaskanäle sind und den Stapel in der Stapelrichtung durchdringen. Die Brenngasöffnungen 85 und 86 bilden Brenngasverteiler aus, welche Brenngaskanäle sind und den Stapel in der Stapelrichtung durchdringen.

Das nach Ausströmen aus dem Kühler 26 durch den Kühlwasserkanal 28 zugeführte Kühlwasser wird in die durch die Nuten 87 des Trennstücks 80 ausgebildeten Kühlwasserkanäle nachgeliefert, um Wärme auszutauschen, nachdem es durch den durch die Kühlwasseröffnungen 81 ausgebildeten Kühlwasserverteiler geströmt ist. Das durch Wärmeaustausch erhitzte Wasser sammelt sich in dem durch die Kühlwasseröffnungen 82 ausgebildeten Kühlwasserverteiler. Dann wird das Kühlwasser aus der Brennstoffzelle 20 entlassen und wird in dem Kühler 26 gekühlt. Das von dem in Fig. 1 gezeigten CO-Reduzierabschnitt 76 gelieferte Brenngas wird in die durch die Trennstücke 60, 70 und 80 und die Anode 43 ausgebildeten Brenngaskanäle nachgeliefert, um durch den durch die Brenngasöffnungen 85 ausgebildeten Brenngasverteiler der elektrochemischen Reaktion zugeführt zu werden. Das der elektrochemischen Reaktion zugeführte Brenngas sammelt sich in dem durch die Brenngasöffnungen 86 ausgebildeten Brenngasverteiler und wird von der Brennstoffzelle 20 aus abgegeben. Das von dem in Fig. 1 gezeigten Gebläse 77 aus zugeführte Oxidationsgas wird in die durch jedes Trennstück und die Kathode ausgebildeten Oxidationsgaskanäle nachgeliefert, um durch den durch die Oxidationsgasöffnungen 83 ausgebildeten Oxidationsgasverteiler der elektrochemischen Reaktion zugeführt zu werden. Das der elektrochemischen Reaktion zugeführte Oxidationsgas sammelt sich in dem durch die Oxidationsgasöffnungen 84 ausgebildeten Oxidationsgasverteiler und wird von der Brennstoffzelle 20 aus abgegeben.

Als nächstes wird die Steuerung der Kühlwasserströmung erläutert.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches die durch den Steuerungsabschnitt 50 jedesmal nach einer vorbestimmten Zeit, beginnend mit einer Aktivierung der Brennstoffzelle 20, ausgeführten Kühlwassersteuerungsroutine. Wenn die vorliegende Routine eingeleitet wird, erhält der Steuerungsabschnitt 50 die durch den Temperatursensor 32 erfasste innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 (Schritt S100). Dann bestimmt der Steuerungsabschnitt 50, ob oder nicht die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 höher als 0 Grad ist, gemäß einem Erfassungssignal von dem Temperatursensor 32 (Schritt S110).

Falls der Steuerungsabschnitt 50 in Schritt S110 bestimmt, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als 0 Grad ist, setzt er einen Sollwert der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 auf Null (Schritt S120). Dann gibt der Steuerungsabschnitt 50 ein Antriebssignal gemäß dem gesetzten Sollwert an die Kühlwasserpumpe 30 aus (Schritt S130) und beendet die vorliegende Routine.

Falls der Steuerungsabschnitt 50 in Schritt S110 bestimmt, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder höher als 0 Grad ist, bestimmt sie den Sollwert von Umdrehungen bzw. den Sollwert der Drehzahl bzw. die Solldrehzahl der Kühlwasserpumpe 30 gemäß der erfassten inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 (Schritt S140). Fig. 5 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche eine in dem Steuerungsabschnitt 50 vorab gespeicherte Karte zeigt, um den Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe 30 gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu bestimmen. Wie in Fig. 5 gezeigt, wächst der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe 30 mit Anstieg der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 bis auf eine Temperatur T2 allmählich an. Zusätzlich wird, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als eine Temperatur T1 ist, eine Anstiegsrate von Umdrehungen der Pumpe niedriger gesetzt als die, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 höher als die Temperatur T1 ist. Wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder größer als die Temperatur T2 ist, wird der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe 30 auf einen Maximalwert gesetzt. In Schritt S140 bestimmt der Steuerungsabschnitt 50 den Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe 30 gemäß der in Fig. 5 gezeigten Karte, in anderen Worten gemäß der in Schritt S100 erfassten inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20. Dann gibt der Steuerungsabschnitt 50 das Antriebssignal gemäß dem Sollwert, welcher in Schritt S140 gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 bestimmt wurde, an die Kühlwasserpumpe 30 aus (Schritt S130) und beendet die vorliegende Routine.

Gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform mit der zuvor beschriebenen Konfiguration wird die Kühlwasserpumpe 30 nicht angetrieben, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20gleich oder niedriger als 0 Grad ist. Daher kann, wenn das Brennstoffzellensystem 10 bei einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle von gleich oder weniger als 0 Grad aktiviert wird, unmittelbar nach Einleiten der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 20 im Wesentlichen begonnen werden, die Elektrolytmembran 41 zu erwärmen. Wenn die Brennstoffzelle unter kalten Bedingungen, wo die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger als 0 Grad ist, aktiviert wird, ist die Temperatur des in dem Kühlwasserkanal 28 zirkulierenden Kühlwassers ebenfalls niedrig, was gleich oder niedriger als 0 Grad ist. Falls die Kühlwasserpumpe 30 gleichzeitig mit der Einleitung der elektrochemischen Reaktion angetrieben wird, wird zwischen dem kalten Kühlwasser und der Brennstoffzelle 20 Wärme ausgetauscht. Daher wird ein Anstieg in einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 auch nach Einleiten der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 20 zurückgehalten. Um das obige Problem zu lösen, wird die Kühlwasserpumpe 30 nicht betrieben. In anderen Worten, normale Kühlungsschritte werden in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform nicht ausgeführt, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger als 0 Grad ist. Daher wird die von der elektrochemischen Reaktion begleitete Wärmeerzeugung nicht zurückgehalten, wenn die Brennstoffzelle 20 aktiviert wird. Demzufolge steigt die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 ausreichend an, so dass die Temperatur schnell auf mehr als 0 Grad angehoben werden kann.

In der zuvor beschriebenen vorliegenden bevorzugten Ausführungsform kann die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 schnell angehoben werden, so dass vermieden werden kann, dass durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser in der Brennstoffzelle 20 gefriert, wenn die innere Temperatur der. Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als 0 Grad wird, nachdem die Brennstoffzelle 20aktiviert worden ist. Falls die innere Temperatur gleich oder niedriger als 0 Grad wird, nachdem die Brennstoffzelle aktiviert worden ist, und sich das Wasser ausbildet, kann der Ablauf der elektrochemischen Reaktion unterbrochen werden, weil das erzeugte Wasser an der festen Polymermembran gefriert. Zusätzlich kann auch die Strömung des Gases unterbrochen werden, weil das erzeugte Wasser in den Gaskanälen in den einzelnen Zellen gefriert. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform können die zuvor erwähnten Probleme, welche durch das Gefrieren des erzeugten Wassers hervorgerufen werden, ebenfalls durch Nichtantreiben der Kühlwasserpumpe 30, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder weniger als 0 Grad beträgt, gelöst werden.

Überdies wird in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform, wenn die Kühlwasserpumpe 30, nachdem die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 0 Grad übersteigt, angetrieben wird, die Anstiegsrate der Drehzahl der Pumpe bezüglich der inneren Temperatur, bis die innere Temperatur eine vorbestimmte Temperatur (die in Fig. 5 gezeigte Temperatur T1) erreicht, niedrig gehalten im Vergleich mit der Anstiegsrate der Drehzahl für den Fall, dass die innere Temperatur die vorbestimmte Temperatur übersteigt. In anderen Worten, eine Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlwassers wird niedrig gehalten, wenn die innere Temperatur gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist. Daher fällt die innere Temperatur nicht auf oder unter 0 Grad ab, nachdem die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 20 eingeleitet ist, weil das Kühlwasser nicht mit einer normalen Zirkulationsgeschwindigkeit zirkuliert, solange nicht die innere Temperatur die vorbestimmte Temperatur übersteigt. Dadurch kann vermieden werden, daß das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 20 gefriert.

Wie zuvor beschrieben, beginnt die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 auch unter kalten Bedingungen, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich oder niedriger als 0 Grad ist, unmittelbar zu steigen, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wird. Jedoch ist die Temperatur des in den Kühlwasserkanal 28 zirkulierenden Kühlwassers gleich oder niedriger als 0 Grad, wenn das Brennstoffzellensystem 10 unter den kalten Bedingungen aktiviert wird, und wird niedrig gehalten, wenn sich die Kühlwasserpumpe 30 in einem Ruhezustand befindet. Daher wird, wenn die Kühlwasserpumpe angetrieben wird, das kalte Kühlwasser von dem außerhalb der Brennstoffzelle 20 befindlichen Kühlwasserkanal 28 aus in die Brennstoffzelle 20 eingebracht, so dass das Innere der Brennstoffzelle 20 gekühlt wird. Falls das Innere der Brennstoffzelle 20 durch das kalte Kühlwasser schnell gekühlt wird, kann die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20, welche begonnen hat, Wärme zu erzeugen, auf oder unter 0 Grad abfallen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird der Antriebsbetrag der Kühlwasserpumpe 30 solange zurückgehalten, bis die innere Temperatur der Brennstoffzelle die vorbestimmte Temperatur erreicht, welche größer als 0 Grad ist (die in Fig. 5 gezeigte Temperatur T1), um zu vermeiden, dass das Innere der Brennstoffzelle 20 schnell gekühlt wird. Ein Wert der Temperatur T2 ist auf die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20, welche größer als 0 Grad ist, gesetzt, wenn der Antriebsbetrag der Kühlwasserpumpe 30 gemäß einer normalen Steuerung unter einer vorbestimmten kalten Bedingung eingestellt ist. Der Wert der Temperatur T1 kann beispielsweise gemäß einer Wärmekapazität der Brennstoffzelle 20, welche aus der Größe und dem Material der Brennstoffzelle 20 berechnet wird, einer Wärmekapazität des gesamten zirkulierenden Kühlwassers und/oder einem Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlwasser und der Brennstoffzelle 20 gesetzt werden. Zusätzlich kann die Temperatur T1 auch gemäß einem Experiment unter vorbestimmten kalten Bedingungen bestimmt werden.

Überdies kann die Anstiegsrate von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe bezüglich eines Anstiegs einer inneren Temperatur bzw. das Verhältnis oder die Proportion eines Anstiegs von Umdrehungen oder der Drehzahl der Kühlwasserpumpe zu einem Anstieg einer inneren Temperatur auch gemäß der Wärmekapazität der Brennstoffzelle 20, der Wärmekapazität des gesamten zirkulierenden Kühlwassers und/oder dem Wirkungsgrad eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlwasser und der Brennstoffzelle 20 nach Bedarf gesetzt werden. Demgemäß kann die Anstiegsrate von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe bei Temperaturen gleich oder niedriger als die Temperatur T1 so voreingestellt werden, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 nicht auf oder unter 0 Grad abfällt, wenn die Kühlwasserpumpe 30 angetrieben wird, sobald die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 0 Grad überschritten hat.

In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird die Anstiegsrate von Umdrehungen als der Sollwert der Kühlwasserpumpe bezüglich des Anstiegs in einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 höher, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 die Temperatur T1 übersteigt. Allerdings können unterschiedliche Steuerungen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann die Anstiegsrate von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe bezüglich des Anstiegs einer inneren Temperatur höher werden, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 eine bestimmte Temperatur bei mehreren Temperaturpunkten anstelle nur der Temperatur T1 übersteigt. Zusätzlich kann ein Bereich, in welchem die Anstiegsrate von Umdrehungen als der Zielwert der Kühlwasserpumpe allmählich erhöht wird, festgelegt werden. Überdies kann der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe konstant festgelegt werden, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 sich innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs nahe 0 Grad befindet. Eine Wirkung, ein Gefrieren von erzeugtem Wasser in der Brennstoffzelle 20 zu verhindern, kann erreicht werden durch Zurückhalten des Antriebszustandes der Kühlwasserpumpe 30, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 konstant und höher als 0 Grad ist.

Abschließend sollen einige beispielhafte Abänderungen in der Konfiguration vorgestellt werden.
Diese Erfindung ist nicht auf die bevorzugte Ausführungsform und die obigen Gesichtspunkte beschränkt. Sie kann in vielfältigen Gesichtspunkten innerhalb des Bereichs der Erfindung ausgeführt werden. Zum Beispiel sind die nachfolgenden Abänderungen möglich.

E1. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 1

Obwohl der Sollwert der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 in der obigen bevorzugten Ausführungsform gemäß der in Fig. 5 gezeigten, vorab gespeicherten Karte bestimmt wird, kann das Steuerungsverfahren gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 abgeändert werden. Zum Beispiel kann der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe durch erneutes Erfassen der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 nach Antreiben der Kühlwasserpumpe 30 gemäß dem aus Fig. 5 bestimmten Sollwert korrigiert werden. Insbesondere wird der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe auf einen niedrigeren Wert korrigiert, falls die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 aufgrund eines Antreibens der Kühlwasserpumpe 30 gemäß dem Sollwert von Umdrehungen auf oder unter 0 Grad fällt, oder falls eine Abfallrate der inneren Temperatur einen vorbestimmten zulässigen Wert übersteigt. Wie zuvor beschrieben, kann durch Korrigieren des Sollwerts von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 sicherer verhindert werden, dass erzeugtes Wasser in der Brennstoffzelle 20 gefriert. Zusätzlich kann der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe auf einen höheren Wert korrigiert werden, falls die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 ansteigt, wenn die Kühlwasserpumpe 30 angetrieben wird, und eine Anstiegsrate der inneren Temperatur einen vorbestimmten zulässigen Wert übersteigt. Somit kann das gesamte Brennstoffzellensystem 10 wirksamer aufgewärmt werden.

E2. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 2

Obwohl in der obigen bevorzugten Ausführungsform die Kühlwasserpumpe 30 nicht angetrieben wird, solange nicht die Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf die vorbestimmte Temperatur ansteigt, ist es möglich, einen erfassten Wert der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 nicht direkt auszunutzen, wenn bestimmt wird, ob oder nicht es notwendig ist, die Kühlwasserpumpe 30 anzutreiben. Beispielsweise ist es zulässig, die Kühlwasserpumpe 30 für eine vorbestimmte Zeitdauer nicht anzutreiben, wenn das Brennstoffzellensystem 10 aktiviert wird. Obwohl es zulässig ist, die Kühlwasserpumpe 30 für eine bestimmte Zeitdauer nicht anzutreiben, wenn immer das Brennstoffzellensystem 10 aktiviert wird, sollte sie für eine vorbestimmte Zeitdauer nicht aktiviert werden, wenn wenigstens die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf eine Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 hin gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Somit kann, falls die Zeitdauer, um die Kühlwasserpumpe 30 nicht anzutreiben, bestimmt wird, sicherer verhindert werden, dass das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 20 gefriert, und es kann durch Nichtzirkulieren des Kühlwassers verhindert werden, dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 übermäßig abfällt.

E3. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 3

Obwohl die Anstiegsrate von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe zurückgehalten wird, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einem Bereich von 0 Grad bis zu der Temperatur T1 liegt, wird in der obigen bevorzugten Ausführungsform die Drehzahl der Kühlwasserpumpe gemäß der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 erhöht wie in dem Fall, dass die innere Temperatur die Temperatur T1 übersteigt, wie in Fig. 5 gezeigt. Andererseits kann der Sollwert von Umdrehungen der Kühlwasserpumpe so festgelegt werden, dass er Schritt für Schritt ansteigt, wie sich die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 von 0 Grad auf die Temperatur T1 erhöht. Falls die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 zwischen 0 Grad und der Temperatur T1 liegt, welche eine niedrige Temperatur nahe 0 Grad ist, und der Antriebsbetrag der Kühlwasserpumpe 30 auf einen niedrigeren Wert festgelegt wird, kann eine ähnliche Wirkung wie die, welche einen durch Zirkulation des Kühlwassers hervorgerufenen Abfall einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf oder unter 0 Grad verhindert, erreicht werden.

E4. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 4

Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform der Antriebsbetrag (Drehzahl) der Kühlwasserpumpe 30 gesteuert wird, um die Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers gemäß der inneren Temperatur zu steuern, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 0 Grad übersteigt, kann die Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers durch unterschiedliche Verfahren gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Ventil, welches in der Lage ist, einen offenen Bereich des Kühlwasserkanals 28 zu ändern, an einer vorbestimmten Position des Kühlwasserkanals 28 vorgesehen sein. Mit dieser Konfiguration kann die Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers auch dann gesteuert werden, wenn der Antriebsbetrag der Kühlwasserpumpe 30 konstant ist. In dem Fall eines Erhöhens der Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers gemäß einem Anstieg der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 kann durch Zurückhalten einer Anstiegsrate einer Fließgeschwindigkeit, wenn die innere Temperatur gleich oder niedriger als die Temperatur T1 ist, eine ähnliche Wirkung wie die, welche verhindert, dass das erzeugte Wasser gefriert, erreicht werden.

E5. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 5

Eine Mehrzahl von Temperatursensoren 32 zum Erfassen der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 kann in der Brennstoffzelle 20 vorgesehen sein, um die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 gemäß Erfassungsergebnissen von jedem Sensor allgemein zu bestimmen. Überdies können die Temperatursensoren 32 zusätzlich dazu, dass sie in der Brennstoffzelle 20 vorgesehen sind, um eine Verbindung zwischen dem Kühlwasserkanal 28, welcher die Brennstoffzelle 20 mit dem Kühler 26 verbindet, und der Brennstoffzelle 20 herum vorgesehen sein. Es können alle Sensoren vorgesehen sein, welche Werte erfassen, welche die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 wiederspiegeln. Der Punkt ist, dass gemäß den Erfassungsergebnissen von den Sensoren bestimmt werden sollte, ob das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 20 gefrieren kann oder nicht.

E6. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 6

Obwohl in der obigen bevorzugten Ausführungsform die Bestimmung, ob oder nicht es notwendig ist, die Kühlwasserpumpe 30 anzutreiben, auf der Grundlage dessen vorgenommen wird, ob oder nicht die innere Temperatur der Brennstoffzelle gleich oder niedriger als 0 Grad ist, wie in Fig. 4 gezeigt, kann die Bestimmung auch gemäß anderen Bestimmungsstandardtemperaturen vorgenommen werden. Zum Beispiel kann eine Temperatur oberhalb von 0 Grad (5 Grad oder 10 Grad) als die Bestimmungsstandardtemperatur festgelegt werden, um zu bestimmen, ob oder nicht es notwendig ist, die Kühlwasserpumpe 30 anzutreiben. Die Bestimmungsstandardtemperatur wird festgelegt, um in Hinblick auf eine Erfassungsgenauigkeit des Temperatursensors 32 und innere Temperaturabweichungen jeder Zelle, welche die Brennstoffzelle 20 enthält, sicherer zu verhindern, dass das erzeugte Wasser gefriert. Allerdings steigt die Temperatur um die Elektrolytmembran 41 herum schnell an, wenn die Brennstoffzelle 20 aktiviert wird. Daher ist es vorzuziehen, dass die Bestimmungsstandardtemperatur im Hinblick auf einen Wärmewiderstand der Elektrolytmembran so festgelegt wird, dass eine Zirkulation des Kühlwassers eingeleitet wird, wenn eine Temperatur um die Elektrolytmembran 41 herum zulässig ist. Wie zuvor beschrieben, kann durch Festlegen der Bestimmungsstandardtemperatur auf um 0 Grad (z. B. -10 Grad ~ +10 Grad) nach Bedarf eine Wirkung erzielt werden, welche verhindert, dass das erzeugte Wasser auf eine Aktivierung der Brennstoffzelle hin unter kalten Bedingungen gefriert.

E7. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 7

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird in der obigen bevorzugten Ausführungsform die Bestimmung, ob oder nicht es notwendig ist, die Kühlwasserpumpe 30 anzutreiben, auf der Grundlage dessen vorgenommen, ob oder nicht die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 höher als die vorbestimmte Bestimmungsstandardtemperatur (0 Grad) ist. Mit dieser Konfiguration wird die Kühlwasserpumpe abgeschaltet, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 nach Antreiben der Kühlwasserpumpe 30 auf oder unter 0 Grad abfällt. Andererseits können zwei unterschiedliche Bestimmungsstandardtemperaturen so festgelegt werden, dass eine Bestimmungsstandardtemperatur ausgenutzt wird, wenn die Kühlwasserpumpe 30 aufgrund eines Anstiegs einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 angetrieben wird, und die andere ausgenutzt wird, wenn die Kühlwasserpumpe 30 aufgrund eines Abfalls der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 abgeschaltet wird. In anderen Worten, eine erste Bestimmungsstandardtemperatur, welche einer Bestimmung dient, ob oder nicht die Kühlwasserpumpe 30 angetrieben werden sollte, wenn die Brennstoffzelle 20 unter kalten Bedingungen aktiviert wird, kann höher festgelegt werden als eine zweite Bestimmungsstandardtemperatur zum Abschalten der Kühlwasserpumpe 30. Beispielsweise kann die erste Bestimmungsstandardtemperatur auf 5 Grad festgelegt werden, und die zweite Bestimmungsstandardtemperatur kann auf 0 Grad festgelegt werden. Mit dieser Konfiguration wird die Kühlwasserpumpe 30, auch wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 nach Antreiben der Kühlwasserpumpe 30 auf eine bestimmte Temperatur abfällt, nicht unmittelbar abgeschaltet. Damit kann ein Pendeln verhindert werden, um die Antriebszeitsteuerung der Kühlwasserpumpe 30 zu stabilisieren, wenn die Brennstoffzelle 20 unter kalten Bedingungen aktiviert wird.

E8. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 8

Fig. 7 ist eine beispielhafte Zeichnung, welche ein Brennstoffzellensystem 10A als eine beispielhafte Abänderung in einer Konfiguration des Brennstoffzellensystems 10 in der obigen bevorzugten Ausführungsform zeigt. Fig. 7 zeigt wie Fig. 2 die Konfiguration im Zusammenhang mit dem Kühlwasserkanal, und Teile, welche mit denen in Fig. 2 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Das Brennstoffzellensystem 10A ist mit Ventilen 34 und 36 auf einer Einlaßseite bzw. einer Auslaßseite von Verbindungen zwischen dem Kühlwasserkanal 28und der Brennstoffzelle 20 ausgestattet. Die Ventile 34 und 36 sind mit dem Steuerungsabschnitt 50 verbunden und werden so gesteuert, dass sie geöffnet sind, wenn die Kühlwasserpumpe 30 angetrieben wird, und geschlossen sind, wenn sich die Kühlwasserpumpe 30 in einem Ruhezustand befindet. Mit dieser Konfiguration wird ein adiathermischer Zustand bzw. eine Undurchlässigkeit in Bezug auf Strahlungsenergie bzw. eine Wärmeundurchlässigkeit zwischen dem Kühlwasser in der Brennstoffzelle 20 und dem außerhalb der Brennstoffzelle 20 befindlichen Kühlwasserkanal 28 verbessert. Daher kann eine Anstiegsgeschwindigkeit der inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einem größeren Ausmaß erhöht werden, wenn die Brennstoffzelle 20 aktiviert ist, im Vergleich mit dem Fall, in welchem der Kühlwasserkanal durch die Brennstoffzelle 20 verbunden ist. Als ein Ergebnis wird die elektrochemische Reaktion schneller intensiviert, und eine Zeit, um das Brennstoffzellensystem aufzuwärmen, kann verkürzt werden.

E9. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 9

Überdies kann das Brennstoffzellensystem 10A eine Konfiguration aufweisen, in welcher ein Ventil zum Abgeben von Wasser an entweder dem Einlass oder dem Auslass der Brennstoffzelle 20 in dem Kühlwasserkanal vorgesehen ist, und ein Anteil des Kühlwassers nach außerhalb abgegeben wird, um die sich in der Brennstoffzelle 20 ansammelnde Menge von Kühlwasser zu reduzieren, wenn sich die Kühlwasserpumpe 30 in einem Ruhezustand befindet. Durch Reduzieren der Menge des Kühlwassers in der Brennstoffzelle 20 kann die Wärmekapazität der Brennstoffzelle 20 erniedrigt werden, wenn die Brennstoffzelle 20 aktiviert wird. Daher ist es leichter, die Brennstoffzelle 20 aufzuwärmen, und die Zeit, um das Brennstoffzellensystem aufzuwärmen, kann verkürzt werden. In diesem Fall können die nachfolgenden Schritte nach Bedarf ausgeführt werden.
Ein Schritt besteht darin, die Menge des Kühlwassers auf den normalen Wert anzuheben, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle 20 in einem bestimmten Ausmaß ansteigt, nachdem die Brennstoffzelle 20 aktiviert ist (z. B. um das Kühlwasser zu speichern, welches abgegeben wird, während die Brennstoffzelle sich in einem vorgesehenen Tank in einem Ruhezustand befunden hat, und um das Kühlwasser dem Kühlwasserkanal wieder zuzuführen). Der andere Schritt besteht darin, die Kühlwasserpumpe 30 anzutreiben.

E10. Beispielhafte Abänderung in Konfiguration 10

Die Gestalt der Teile, welche die Brennstoffzelle 20 aufweist, wurde in Fig. 3 gezeigt. Allerdings können die unebenen Abschnitte zum Ausbilden der Kühlwasserkanäle und der Gaskanäle Teile mit vielfältigen anderen Gestalten als den Rippen 62 und 63 und den Nuten 87, welche in Fig. 3 gezeigt sind, aufweisen. Der Punkt ist, dass die Kühlwasserkanäle wenigstens in der Lage sein sollten, Wärme mit einem hinreichenden Wirkungsgrad in einen Gebiet auszutauschen, wo die elektrochemische Reaktion begleitet von Wärmeerzeugung abläuft, und dass die Gaskanäle wenigstens in der Lage sein sollten, ein vorbestimmtes Gas mit hinreichendem Wirkungsgrad der elektrochemischen Reaktion zuzuführen.

B11. Beispielhafte Abänderungen in Konfiguration 11

Die Hauptteile des Brennstoffzellensystems 10 sind in Fig. 1 gezeigt worden. Allerdings können vielfältige Arten von Brennstoffen zur Umwandlung ausgewählt werden, wie zuvor beschrieben, so dass die Teile des Brennstoffzellensystems 10 nach Bedarf gemäß einem Typ eines Brennstoffs zur Umwandlung geändert werden können. Wenn zum Beispiel der Brennstoff zur Umwandlung Schwefel enthält, kann vor dem Verdampfer-/Mischerabschnitt 74 eine Entschwefelungseinrichtung vorgesehen sein, um den Ausgangsbrennstoff zu entschwefeln. Außerdem kann anstelle des umgewandelten Gases Wasserstoffgas als Brenngas verwendet werden. Überdies können einzelne, der Brennstoffzelle vorgeschaltete Teile des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellensystems je nach Notwendigkeit aufgrund der Art des verwendeten Ausgangsbrennstoffs weggelassen werden, ohne dass davon die Wirkung oder die Lehre der vorliegenden Erfindung berührt wären. Durch Anwenden der vorliegenden Erfindung ungeachtet einer Konfiguration einer Gaszuführung kann eine ähnliche Wirkung wie die, welche verhindert, dass erzeugtes Wasser in der Brennstoffzelle gefriert, wenn das Brennstoffzellensystem unter kalten Bedingungen aktiviert wird, erreicht werden.
Vorstehend wurde ein Brennstoffzellensystem (10) beschrieben, in welchem ein Temperatursensor (32) eine innere Temperatur einer Brennstoffzelle (20) erfasst. Eine Kühlwasserpumpe (30) wird so gesteuert, dass sie angehalten wird, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) gleich oder niedriger als 0 Grad ist. Ein Antriebswert der Kühlwasserpumpe (30) steigt gemäß einem Anstieg einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle (20), wenn die innere Temperatur größer als 0 Grad ist. Eine Anstiegsrate eines Antriebswerts wird zurückgehalten, wenn die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) zwischen 0 Grad und einer vorbestimmten Temperatur größer als 0 Grad liegt.

Claims

1. Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (20), welche Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, einem Kühlmittelkanal, welcher in der Brennstoffzelle (20) ausgebildet ist und durch welchen ein Kühlmedium durchtritt, einer Pumpe (30), welche angeschlossen und angepasst ist, um das Kühlmittel durch den Kühlmittelkanal zu bewegen, und einem Temperatursensor (32), welcher angeordnet ist, um eine Temperatur zu erfassen, welche eine innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) widerspiegelt, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist:
einen Steuerungsabschnitt (50), welcher angeschlossen und angepasst ist, um die Pumpe (30) anzuhalten, wenn die durch den Temperatursensor (32) erfasste Temperatur gleich oder niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur ist.

2. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsabschnitt (50) angepasst ist, um die Pumpe (30) nach einem Anhalten der Pumpe (30) für eine vorbestimmte Zeit anzutreiben, wenn das Brennstoffzellensystem (10) aktiviert wird und die durch den Temperatursensor (32) erfasste Temperatur wenigstens gleich oder niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist.

3. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsabschnitt (50) angepasst ist, um die Pumpe (30) anzutreiben, um eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gemäß der durch den Temperatursensor (32) erfassten Temperatur einzustellen, falls die Temperatur die erste vorbestimmte Temperatur übersteigt.

4. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsabschnitt (50) vorgegebene Werte der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gemäß der durch den Temperatursensor (32) erfassten Temperatur speichert.

5. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsabschnitt (50) angepasst ist, um die Pumpe (30) auf der Grundlage der vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gemäß der durch den Temperatursensor (32) erfassten Temperatur anzutreiben und die hierin gespeicherte vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit gemäß einer Temperatur zu korrigieren, welche nachfolgend durch den Temperatursensor (32) erfasst wird.

6. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die durch den Temperatursensor (32) erfasste Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist und gleich oder niedriger als eine zweite vorbestimmte Temperatur (T1) ist, wobei die zweite vorbestimmte Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist, der Steuerungsabschnitt (50) eine Anstiegsrate der Strömungsgeschwindigkeit niedriger hält im Vergleich mit der Anstiegsrate der Strömungsgeschwindigkeit gemäß einem Temperaturanstieg als wenn die erfasste Temperatur höher als die zweite vorbestimmte Temperatur (T1) ist.

7. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, welche den von der ersten vorbestimmten Temperatur zu der zweiten vorbestimmten Temperatur (T1) reichenden Temperaturen entsprechen, Schritt für Schritt festgelegt werden.

8. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Temperatursensoren (32) in der Brennstoffzelle (20) vorgesehen ist.

9. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (32) für wenigstens den Kühlmittelkanal zum Einführen des Kühlmittels zwischen einem Kühler, welcher eine Temperatur des Kühlmittels reduziert, und der Brennstoffzelle (20) vorgesehen ist.

10. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Temperatur, wenn die die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) widerspiegelnde Temperatur ansteigt, höher festgelegt wird als die erste vorbestimmte Temperatur, wenn die die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) widerspiegelnde Temperatur abfällt.

11. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist:
Ventile (36), welche an einem Einlass und einem Auslass des in der Brennstoffzelle (20) ausgebildeten Kühlmittelkanals vorgesehen und durch den Steuerungsabschnitt (50) gesteuert werden, wobei
die Ventile (36) angepasst sind, um geschlossen zu sein, um das Kühlmittel in der Brennstoffzelle (20) von dem Kühlmittel außerhalb der Brennstoffzelle (20) zu isolieren, wenn die Pumpe (30) anhält.

12. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (30) einen Teil des Kühlmittels in der Brennstoffzelle (20) abgibt, wenn die Pumpe (30) anhält.

13. Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsbereich der Ventile (36) gemäß der durch den Temperatursensor (32) erfassten Temperatur geändert wird, wenn die erfasste Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist.

14. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Temperatur 0 Grad ist.

15. Brennstoffzellensystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, deren Gefrierpunkt niedriger als der von Wasser ist.

16. Gefrierschutzverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10), welches die Schritte umfasst:

a) Erfassen einer Temperatur, welche eine innere Temperatur einer Brennstoffzelle (20) widerspiegelt (S100);

b) Anhalten einer Pumpe (30), welche eine Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkanal steuert, zum Zirkulieren eines Kühlmittels in der Brennstoffzelle (20), wenn die in dem Schritt (a) erfasste Temperatur gleich oder niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur ist (S120); und

c) Antreiben der Pumpe (30), wenn die in dem Schritt (a) erfasste Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist (S140).

17. Gefrierschutzverfahren gemäß Anspruch 16, weiter gekennzeichnet durch einen Schritt, nach einem Halten der Pumpe (30) für eine vorbestimmte Zeit in einem angehaltenen Zustand, eines Antreibens der Pumpe (30), wenn die in den Schritt (a) erfasste Temperatur gleich oder niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist.

18. Gefrierschutzverfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebswert der Pumpe (30) in dem Schritt (c) einem Anstieg in der erfassten Temperatur entspricht und gemäß der erfassten Temperatur vorgegeben wird.

19. Gefrierschutzverfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst:
einen Schritt, nach einem Antreiben der Pumpe (30) durch den Antriebswert gemäß der erfassten Temperatur, eines erneuten Erfassens der Temperatur, und
einen Schritt eines Korrigierens eines vorgegebenen Antriebswerts der Pumpe (30) auf der Grundlage der erneut erfassten Temperatur.

20. Gefrierschutzverfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) umfasst:
einen Schritt eines Erhöhens einer Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gemäß der in dem Schritt (a) erfassten Temperatur, und
einen Schritt eines Haltens einer Anstiegsrate einer Strömungsgeschwindigkeit, wenn die in dem Schritt (a) erfasste Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur und gleich oder niedriger als eine zweite vorbestimmte Temperatur (T1) ist, wobei die zweite vorbestimmte Temperatur höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist, niedriger verglichen mit der Anstiegsrate einer Fließgeschwindigkeit, wenn die erfasste Temperatur höher als die zweite vorbestimmte Temperatur (T1) ist.

21. Gefrierschutzverfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Temperatur, wenn die die innere Temperatur der Brennstoffzelle (20) widerspiegelnde Temperatur ansteigt, höher festgelegt ist als die erste vorbestimmte Temperatur, wenn die die innere Temperatur der Brennstoffzelle widerspiegelnde Temperatur abfällt.