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Dokumentenidentifikation DE102006035851B4 28.04.2011
Titel Brennstoffzellensystem, Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug und Lademengeneinstellverfahren für Engergiespeicher
Anmelder Honda Motor Co., Ltd., Tokyo, JP
Erfinder Wake, Chihiro, Wako, Saitama, JP;
Miyata, Koichiro, Wako, Saitama, JP;
Ogawa, Jumpei, Wako, Saitama, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 01.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006035851
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse H01M 8/04  (2006.01)  A,  F,  I,  20060801,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse H02J 7/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20060801,  B,  H,  DE
B60L 11/18  (2006.01)  A,  L,  I,  20060801,  B,  H,  DE
B60W 10/28  (2006.01)  A,  L,  I,  20060801,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und einen Energiespeicher enthält, der durch den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom geladen wird, und der die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle unterstützt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen der elektrischen Energiemenge, die in den Energiespeicher geladen wird.

Z. B. verwendet eine Festpolymerbrennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung, die eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Luftelektrode) sowie eine zwischen den Elektroden angeordnete Polymerelektrolytmembrane enthält. Die Elektrolytmembrane ist eine Ionenaustauschermembrane. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen einem Paar von Separatoren aufgenommen. Ein Brenngasfließfeld ist zwischen der Anode und einem der Separatoren ausgebildet, und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ist zwischen der Kathode und dem anderen der Separatoren ausgebildet. Im Gebrauch sind normalerweise eine vorbestimmte Anzahl der Membranelektrodenanordnungen und Separatoren zur Bildung eines Brennstoffzellenstacks aufeinander gestapelt.

In der Brennstoffzelle wird ein Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, dem Brenngasfließfeld zugeführt. Das Brenngas fließt durch das Brenngasfließfeld entlang der Anode. Der Katalysator der Anode induziert eine elektrochemische Reaktion des Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen und Elektronen aufzutrennen. Die Wasserstoffionen bewegen sich zu der Kathode durch die geeignet befeuchtete Elektrolytmembrane, und die Elektronen fließen durch eine externe Schaltung zur Kathode, um hierdurch eine elektrische Gleichstromenergie zu erzeugen. Ferner wird in der Brennstoffzelle ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld zugeführt, und das sauerstoffhaltige Gas fließt entlang der Anode zum Induzieren einer elektrochemischen Reaktion. An der Kathode vereinigen sich die Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und dem Sauerstoff unter Erzeugung von Wasser. Das Wasser wird auch, z. B. aufgrund einer Rückdiffusion von der Kathode oder einer hohen Befeuchtung des Brenngases, an der Anode zurückgehalten.

Wenn sich in einer der Elektroden zuviel Wasser befindet, könnte es zu einer Wasserverstopfung kommen. Im Hinblick darauf ist in dem Brennstoffzellensystem eine Technik für einen Spülprozess in der JP-A-2003-331893 A vorgeschlagen worden. Wenn dort der Betrieb des Brennstoffzellensystem gestartet oder beendet wird, wird ein sauerstoffhaltiges Gas der Anode, zusätzlich zur Kathode, zugeführt, um das Wasser zu beseitigen, das bei der Stromerzeugung von der Membranelektrodenanordnung oder den Separatoren der Brennstoffzelle erzeugt wird.

Um den Spülprozess für die Anode und/oder die Kathode durchzuführen, ist eine andere Energiequelle als die Brennstoffzelle erforderlich. Somit ist in dem Brennstoffzellensystem ein Energiespeicher, wie etwa ein Kondensator oder eine Batterie, angebracht, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu unterstützen.

Wenn ein Zündschalter ausgeschaltet wird (Stromerzeugungsstopp-Anforderung), wird in dem Brennstoffzellensystem der Spülprozess mittels der im Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie, in Vorbereitung für den nächsten Anfahrbetrieb des Brennstoffzellensystems, vor dem Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt.

Wenn es jedoch, nachdem das Brennstoffzellensystem gestoppt ist, notwendig wird, den Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur zu starten, wenn etwa die Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts liegt, aufgrund der Abnahme der Außenlufttemperatur, hat es sich herausgestellt, dass es in einigen Fällen schwierig wird, das Brennstoffzellensystem bei niedriger Temperatur, wie etwa der Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts, wieder hochzufahren. Z. B. wird dies durch die Abnahme der elektrischen Restenergie hervorgerufen, die in dem Energiespeicher gespeichert ist, da die Energie in dem Spülprozess verbraucht wird.

Ferner könnte in dem Fall, wo der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur, wie etwa unter dem Gefrierpunkt, gestartet wird, der Zündschalter vom Fahrer ausgeschaltet werden, bevor die Brennstoffzelle warm geworden ist. Wenn daher der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei der Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts gestartet ist und die Stromerzeugung nur für eine kurze Zeitdauer erfolgt, oder anders ausgedrückt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems durch Bedienung des Fahrers innerhalb einer kurzen Zeitdauer gestoppt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle bei der Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts gestartet ist, hat es sich herausgestellt, dass das Brennstoffzellensystem in einigen Fällen unstabil wird, solange nicht ein langer Spülprozess durchgeführt wird, z. B. aufgrund der ungenügenden Aktivität der Elektrolytmembrane. Es hat sich also herausgestellt, dass dann, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems nach einem vorübergehenden Hochfahren bei niedriger Tempreatur gestoppt wird, es in einigen Fällen sehr schwierig wird, den Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts, wieder zu starten, und zwar aufgrund einer weiteren Abnahme der elektrischen Restenergie in dem Energiespeicher.

Aus der DE 197 31 250 A1 ist ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 bekannt. Dort wird das Brennstoffzellensystem gestoppt, wenn die Speicherbatterie einen vorbestimmten Ladepegel erreicht hat.

Aus der DE 600 07 917 C2 ist es bekannt, in einem Hybridfahrzeug während niedriger Temperatur den maximalen Ladepegel der Speicherbatterie abzuheben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Einstellen der in einem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energiemenge anzugeben, worin selbst dann, wenn ein Fahrer den Betrieb des Brennstoffzellensystems nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur stoppt, der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur, wie etwa bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts, zuverlässig gestartet wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 angegeben.

Hierbei wird die Lademenge (die Menge an elektrischer Energie, die in den Energiespeicher geladen wird) so eingestellt, dass sie der Größenbeziehung von ”Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach Hochfahren bei niedriger Temperatur > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur” genügt. Somit wird unter den jeweiligen Bestimmungsbedingungen die Zeit, die zum Laden des Energiespeichers in Antwort auf die Stromerzeugungsstoppanforderung benötigt wird, minimiert.

Bevorzugt wird bestimmt, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle dann, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems vor der Stromerzeugungsstoppanforderung gestartet wird, nicht höher ist als eine erste Schwellentemperatur, und die Temperatur der Brennstoffzelle dann, wenn die Stromerzeugungsstoppanforderung eingegeben wird, nicht höher ist als eine zweite Schwellentemperatur, die höher ist als die erste Schwellentemperatur. Somit kann die Bestimmung noch zuverlässiger gemacht werden.

Selbst wenn in dem Verfahren der Betrieb des Brennstoffzellensystems nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur gestoppt wird, wird der Spülproress durch den Energiespeicher zuverlässig durchgeführt, sodass die Zeit, die für den Spülprozess während des Stromerzeugungsstopps bei normaler Temperatur benötigt wird, minimiert wird und das nächste Mal der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts, zuverlässig gestartet wird.

Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der Erfindung nur als Illustrationsbeispiel gezeigt ist.

1 zeigt schematisch die Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgestattet ist;

2 ist ein Gesamtflussdiagramm, das den Betrieb der Ausführung von 1 zeigt;

3 ist ein Flussdiagramm mit Darstellung von Details eines Ladeschwellenwertänderungsprozesses und eines Ladeprozesses unter Verwendung des geänderten Schwellenwerts, nachdem der Zündschalter ausgeschaltet ist, im Gesamtflussdiagramm von 2; und

4 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb in dem Fall zeigt, wo eine Anforderung für den Betriebsstopp des Brennstoffzellensytems, nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur, eingegeben wird.

Nachfolgend wird eine Ausführung der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt schematisch in einem Diagramm die Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs 12, das ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführung der Erfindung enthält.

Grundlegend enthält das Brennstoffzellenfahrzeug 12 eine Brennstoffzelle 14 und einen Kondensator 16 als Energiespeicher zum Unterstützen der Brennstoffzelle 14 sowie eine Last 18, wie etwa einen Fahrantriebsmotor, sowie Hilfsvorrichtungen, wie etwa einen Luftkompressor 36 oder dgl. Der Kondensator 16 wird durch den in der Brennstoffzelle 14 erzeugten Energieerzeugungsstrom If geladen. Anstelle des Kondensators 16 kann als Energiespeicher z. B. auch eine Batterie verwendet werden. Alternativ können sowohl der Kondensator 16 als auch die Batterie verwendet werden.

Die Brennstoffzelle 14 hat eine Stapelstruktur, die durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Zellen gebildet ist, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Festpolymerelektrolytmembrane enthalten.

Die Brennstoffzelle 14 hat eine Wasserstoffzufuhröffnung 20 zum Zuführen von Brenngas, wie etwa Wasserstoff(H2)-Gas zur Brennstoffzelle 14, eine Wasserstoffauslassöffnung 22 zum Ausgeben von Abgas von der Brennstoffzelle 14 (das Abgas enthält das Wasserstoffgas, das bei der Stromerzeugung nicht verbraucht worden ist), eine Luftzufuhröffnung 24 zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas, wie etwa Sauerstoff(O2)-haltiger Luft zu der Brennstoffzelle 14, sowie eine Luftauslassöffnung 26 zum Ausgeben der Luft, die nicht verbrauchten Sauerstoff enthält, aus der Brennstoffzelle 14.

Ein Temperatursensor 71 ist nahe der Wasserstoffauslassöffnung 22 vorgesehen, und ein Temperatursensor 72 ist nahe der Luftauslassöffnung 26 vorgesehen. Der Temperatursensor 71 misst die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22, und der Temperatursensor 72 misst die Temperatur To des Gases in der Luftauslassöffnung 26. Ferner ist, obwohl nicht gezeigt, ein Kühlmittelkanal in der Brennstoffzelle 14 vorgesehen, und ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Kühlmittels ist nahe dem Auslass des Kühlmittelkanals vorgesehen.

Ein Wasserstoffzufuhrkanal 28 ist mit der Wasserstoffzufuhröffnung 20 verbunden. Ein Ejektor 48 ist in dem Wasserstoffzufuhrkanal 28 vorgesehen. Ein Wasserstofftank 42 speichert Hochdruckwasserstoff, und das Wasserstoffgas wird von dem Wasserstofftank 42 dem Ejektor 48 durch ein Wasserstoffzufuhrventil 44 zugeführt. Der Ejektor 48 liefert das Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 14 durch den Wasserstoffzufuhrkanal 28 und die Wasserstoffzufuhröffnung 20. Ferner saugt der Ejektor 48 das Abgas, das das nicht verbrauchte Wasserstoffgas enthält, das in der Brennstoffzelle 14 nicht verbraucht worden ist, an, sodass das Abgas zu einem Wasserstoffzirkulationskanal 46 ausgegeben wird, der mit der Wasserstoffauslassöffnung 22 verbunden ist. Das von dem Ejektor 48 angesaugte Abgas wird der Brennstoffzelle 14 wieder zugeführt.

Ein Wasserstoffspülventil 30 ist in dem Wasserstoffzirkulationskanal 46 vorgesehen. Das Wasserstoffspülventil 30 wird bei Bedarf geöffnet. Wenn das Wasserstoffspülventil 30 geöffnet ist, wird das Brenngas, das das in der Anode zurückgehaltene Wasser enthält, und das Stickstoffgas, das in die Anode von der Kathode durch die Elektrolytmembrane hindurch eingemischt ist, durch einen Wasserstoffspülkanal 32 und einen Verdünnungskasten (nicht gezeigt) nach außen abgegeben. Somit erreicht man eine Stabilität bei der Stromerzeugung. Ferner ist ein Ablassventil 50 in dem Wasserstoffzirkulationskanal 46 vorgesehen. Das Ablassventil 50 entlädt Wasser, das in einem Auffangtank (nicht gezeigt) in dem Wasserstoffzirkulationskanal 46 zurückgehalten wird, durch einen Wasserauslasskanal 52 nach außen. Ferner ist ein Luftauslassventil 56 in dem Wasserstoffzirkulationskanal 46 vorgesehen. Wenn das Luftauslassventil 56 geöffnet wird, wird das Wasser, das an der Anode oder dem Separator zurückgehalten wird, oder das restliche Brenngas zusammen mit der Luft, die von der Wasserstoffzufuhröffnung 20 in die Brennstoffzelle 14 während des Spülprozesses zugeführt worden ist, von der Wasserstoffauslassöffnung 22 durch einen Luftauslasskanal 58 nach außen abgegeben.

Ds Luftauslassventil 56, das Luftzufuhrventil 54 und das Wasserstoffspülventil 30 sind EIN/AUS-Ventile.

Ein Luftzufuhrkanal 34 ist mit der Luftzufuhröffnung 24 verbunden. Ein Luftkompressor 36 ist mit dem Luftzufuhrkanal 34 verbunden. Der Luftkompressor 36 enthält einen Kompressormotor zum Verdichten der Atmosphärenluft von der Außenseite her, und zum Zuführen der verdichteten Luft zur Brennstoffzelle 14.

Ferner ist ein Gegendrucksteuerventil 38 an der Luftauslassöffnung 36 vorgesehen. Ds Gegendrucksteuerventil 38 reguliert den Druck der Luft, die der Brennstoffzelle 14 durch den Luftzufuhrkanal 34 und die Luftzufuhröffnung 24 zugeführt wird. Die Luftauslassöffnung 26 der Brennstoffzelle 14 ist mit der Außenseite durch das Gegendrucksteuerventil 38 und einen Luftauslasskanal 40 verbunden.

Ferner ist das Luftzufuhrventil 54 zwischen dem Wasserstoffzufuhrkanal 28 und dem Luftzufuhrkanal 34, die mit der Brennstoffzelle 14 verbunden sind, vorgesehen. Das Luftzufuhrventil 54 wird geöffnet, während die verdichtete Luft in die Wasserstoffzufuhröffnung 20 durch den Lufteinlasskanal 53 zugeführt wird, d. h. während des Anodenspülprozesses.

Ferner ist in dem Brennstoffzellensystem 10 sowie dem mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeug 12 eine Steuerungsvorrichtung 70 vorgesehen. Die Steuerungsvorrichtung 70 steuert/regelt den gesamten Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und des Brennstoffzellenfahrzeugs 12.

Die Steuerungsvorrichtung 70 umfasst einen Computer zum Erreichen verschiedener Funktionen durch Ausführung von in einem Speicher gespeicherten Programmen auf der Basis verschiedener Eingaben. In der Ausführung arbeitet z. B. die Steuerungsvorrichtung 70 so, dass als sie den Startbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur erlaubt, dass sie bestimmt, ob eine Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, dass sie die Lademenge für den Kondensator 16 einstellt, dass sie Schwellenwerte ändert, dass sie die elektrischen Restenergie erfasst (berechnet), die in dem Kondensator 16 gespeichert ist, und dass sie als Zähler (Timer) arbeitet.

In 1 bezeichnen durchgehende Linien Stromleitungen, die gepunkteten Linien bezeichnen Signalleitungen, wie etwa eine Steuerleitung, und die doppelten Linien bezeichnen Rohre.

Während des normalen Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems 10 wird, durch die Ventilansteuerung der Steuerungsvorrichtung 70 grundlegend das Wasserstoffzufuhrventil 44 geöffnet, und das Gegendrucksteuerventil 38 wird um einen geeigneten Grad geöffnet. Obwohl das Wasserstoffspülventil 30 und das Ablassventil 50 bei Bedarf geöffnet werden, sind normalerweise das Wasserstoffspülventil 30 und das Ablassventil 50 geschlossen. Ferner sind das Luftzufuhrventil 54 und das Luftauslassventil 56 geschlossen.

Während des normalen Stromerzeugungsbetriebs wird die Luft (Sauerstoff) von dem Luftkompressor 36 der Kathode der Brennstoffzelle 14 zugeführt, und das Wasserstoffgas wird von dem Hochdruckwasserstofftank 42 der Anode zugeführt. In der Anode wird der Wasserstoff in Wasserstoffionen und -elektronen aufgetrennt. Die Wasserstoffionen bewegen sich zur Kathode durch die Festpolymerelektrolytmembrane hindurch. Die Elektroden werden als der Energieerzeugungsstrom If durch eine externe Schaltung gesammelt.

Auf diese Weise wird während des normalen Stromerzeugungsbetriebs mit der Brennstoffzelle 14 unter Verwendung der Reaktionsgase der an der Brennstoffzelle 14 gesammelte Energieerzeugungsstrom If der Last (der elektrischen Last) 18 und einem Antriebsmotor des Luftkompressors 36 durch einen Strom/Spannungssensor 60 zugeführt. Ferner wird der Energieerzeugungsstrom If auch dem Kondensator 16 durch einen Strom/Spannungssensor 62 zum Laden des Kondensators 16 zugeführt. Die in dem Kondensator 16 gespeicherte elektrische Restenergie wird durch die Steuerungsvorrichtung 70 auf der Basis der Ausgabe des Strom/Spannungssensors 62 reguliert, und die Daten der elektrischen Restenergie werden in dem Speicher gespeichert.

Z. B. ist der Kondensator 16 ein elektrischer Doppelschichtkondensator. Der Kondensator 16 wird durch den Energieerzeugungsstrom If von der Brennstoffzelle 14 unter der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 70 Brennstoffzelle 14 gestoppt wird, die im Kondensator 16 gespeicherte elektrische Energie (Elektrizität) der Last 18 und dem Luftkompressor 36 zugeführt. Ferner wird die im Kondensator 16 gespeicherte elektrische Energie einer Heizung 64 zum Aufwärmen der Brennstoffzelle 14 zugeführt, während des Startbetriebs der Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts. Der Kondensator 16 unterstützt die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 14. Während der Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs 12 wird die Antriebskraft von den Antriebsrädern auf den Antriebsmotor als Last 18 übertragen. Hierbei fungiert die Antriebsmotor als Stromgenerator und erzeugt die sogenannte regenerative Bremskraft. Somit ist es möglich, die kinetische Energie des Fahrzeugkörpers als elektrische Energie zu sammeln. Von der Last 18 wird die Regeneration der elektrischen Energie durchgeführt, d. h. die elektrische Energie wird in dem Kondensator 16 gespeichert.

Während des normalen Stromerzeugungsbetriebs in dem mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeug 12 wird in der Steuerungsvorrichtung 70 die an orderte elektrische Energie auf der Basis der Pedalstellung AP eines Gaspedals (nicht gezeigt), der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs oder dgl berechnet. Auf der Basis der berechneten angeforderten elektrischen Energie implementiert die Steuerungsvorrichtung 70 verschiedene Steuerungen/Regelungen, d. h. sendet Steuersignale zu der Brennstoffzelle 14, der Last 18, dem Luftkompressor 36 und dem Gegendrucksteuerventil 38 oder dgl. Um ferner eine zuverlässige Steuerung der Last 18 sowie der Steuerung während des Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts, zu realisieren, fragt die Steuerungsvorrichtung 70 von den Strom/Spannungssensoren 60, 62, dem Temperatursensor 73 des Kondensators 16 zum Erfassen der Temperatur des Energiespeichers, einem Außenlufttemperatursensor 74 und den Temperatursensoren 71, 72 Signale ab, die den Energieerzeugungsstrom If, den in den Kondensator 16 fließenden Strom, die Spannung Vc des Kondensators 16, die Temperatur Tc des Kondensators 16, die Kondensators 16, die Temperatur Tc des Kondensators 16, die Außenlufttemperatur Ta, die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 sowie die Temperatur To des Gases in der Luftauslassöffnung 26 anzeigen. Auf der Basis dieser Signale verfolgt die Steuerungsvorrichtung 70 die elektrische Restenergie und die angeforderte elektrische Restenergie, die in dem Kondensator 16 gespeichert ist.

Ferner ist ein Zündschalter (IG-Schalter) 76 mit der Steuerungsvorrichtung 70 verbunden. Der Zündschalter 76 gibt ein Hochfahrsignal (Signal für Startbetrieb) und ein Stoppsignal (Signal für Stoppbetrieb) für das Brennstoffzellenfahrzeug 12 und das Brennstoffzellensystem 10 aus.

Oben ist die Grundstruktur und der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und – des mit dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeugs 12 beschrieben worden. Als Nächstes wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und des Brennstoffzellenfahrzeugs 12 in Bezug auf die Flussdiagramme in den 2 und 3 und das Zeitdiagramm in 4 beschrieben. Das Zeitdiagramm in 4 zeigt den Betrieb in dem Fall bei der Bestimmung, ob eine Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem oder zeitweiligem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist.

Wenn in Schritt S1 die Steuerungsvorrichtung 70 ein EIN-Signal (Signal zum Ändern des EIN-Zustands zum AUS-Zustand) des Zündschalters 76 als Hochfahrsignal für den Startbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 erfasst (siehe Zeit t0 in dem Zeitdiagramm), wird die Betriebsstartzeit (die Hochfahrzeit) tstart = t0 gespeichert (der Timer wird gestartet). Ferner erhält in Schritt S2 die Steuerungsvorrichtung 70 die Temperatur Txstart (die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 und/oder die Temperatur To des Gases in der Luftauslassöffnung 26 und/oder die Temperatur des Kühlmittels nahe dem Auslass des Kühlmittelkanals (nicht gezeigt)) von den Temperatursensoren 71, 72. In der Ausführung wird die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 (nachfolgend als ”Hochfahrtemperatur” bezeichnet) gemessen. D. h. die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 ist die Hochfahrtemperatur (Th = Txstart).

Als Nächstes wird in Schritt S3 der oben beschriebene normale Stromerzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle 14 durchgeführt. Während des Startbetriebs bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts (in diesem Fall bestätigt der Außenlufttemperatursensor 74, dass die Außenlufttemperatur Ta unterhalb des Gefrierpunkts liegt), wird die Heizung 64 für eine gewisse Zeitdauer durch die im Kondensator 16 gespeicherte elektrische Energie eingeschaltet, um die Brennstoffzelle 14 rasch aufzuwärmen.

Während des normalen Stromerzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle 14 wird in Schritt S4 konstant bestimmt, ob der Spülprozess erforderlich ist oder nicht. Insbesondere wird in der Ausführung bestimmt, ob der Spülprozess, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei der Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts zu erlauben, erforderlich ist oder nicht.

D. h. um in dieser Ausführung den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur glattgängig zu starten, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gestoppt ist, d. h. wenn das Brennstoffzellensystem 10 vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand geschaltet wird, dann wird der Spülprozess durchgeführt, wenn auf der Basis der gegenwärtigen Außenlufttemperatur Ta oder dgl. vorhergesagt wird, dass der Betrieb das nächste Mal bei niedriger Temperatur gestartet wird.

Die Bestimmung davon, ob der Spülprozess erforderlich ist oder nicht, wird in Schritt S4 folgendermaßen durchgeführt. Wenn der Zündschalter 76 im EIN-Zustand ist und dabei der Minimalwert der Außenlufttemperatur Ta, die durch den Außenlufttemperatursensor 74 des Brennstoffzellenfahrzeugs 12 erfasst wird, einen vorbestimmten Wert hat oder darunter liegt, dann wird bestimmt, dass der Spülprozess erforderlich ist, da nach dem Ausschalten des Zündschalters 76 die Außenlufttemperatur Ta unter den Gefrierpunkt fallen könnte. Somit wird ein Spülflag gesetzt.

Als Nächstes wird in Schritt S5 bestimmt, ob der Zündschalter 76 vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand geschaltet worden ist.

Wenn bestimmt wird, dass der Zündschalter 76 vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand geschaltet worden ist, wie zur Zeit t1 gezeigt, wird in Schritt S6 eine Betriebs(Stromerzeugungs)-Stoppanforderungszeit (Stoppanforderungszeit) tstop = t1 gespeichert (anderenfalls wird der in Schritt S2 gestartete Timer gestoppt). Ferner wird die Temperatur Txstop abgefragt, wenn der Zündschalter 76 ausgeschaltet wird (Stromerzeugungsstoppanforderungstemperatur). In dieser Ausführung wird die Temperatur Th des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 als die Stromerzeugungsstoppanforderungstemperatur Txstop (Th = Txstop) gemessen.

Dann wird in Schritt 7 auf der Basis des Vorhandenseins des Spülflags als dem Bestimmungsergebnis in Schritt S4 bestimmt, ob eine Spülprozessanforderung vorliegt.

Wenn in Schritt S7 bestimmt wird, dass der Spülprozess nicht erforderlich ist, dann ist, bei Fehlen des Spülflags, der Ladeschwellenwert Cth zum Laden des Kondensators 16 durch den Energieerzeugungsstrom If ein normaler Ladeschwellenwert A (siehe 4) und in Schritt S8 wird das Laden des Kondensators 16 durchgeführt, bis der SOC (Ladezustand) [%] des Kondensators 16 den Ladeschwellenwert A erreicht. Anstelle des Ladezustands SOC könnte auch die Menge an geladener elektrischer Energie [&Dgr; × Wh] als der Ladeschwellenwert A verwendet werden. Alternativ könnte, da der Ladezustand des Kondensators 16 proportional zur Ladespannung (Klemmenspannung) ist, die Ladespannung als der Ladeschwellenwert A verwendet werden. Ferner könnte, anstelle des Ladespannung als Ladeschwellenwerte B und C verwendet werden, wie später beschrieben wird.

Wenn in Schritt S8 das Laden des Kondensators 16 durch den Energieerzeugungsstrom If ausgeführt wird, um den normalen Ladeschwellenwert A zu erreichen, wird in Schritt S9 die Stromerzeugung gestoppt. In dem Stromerzeugungsstoppprozess wird der Betrieb des Luftkompressors 36 gestoppt, und das Wasserstoffzufuhrventil 44 und alle anderen Ventile 54, 30, 50, 56 und 38 werden geschlossen (normaler geschlossener Zustand). Ferner wird, obwohl nicht gezeigt, die Last 18 durch einen Kontakt (nicht gezeigt) abgeschaltet. Somit wird in Schritt S13 das Brennstoffzellensystem 10 gestoppt. Dann wird das nächste Hochfahrsignal von dem Zündschalter 76 abgewartet.

Wenn in Schritt S7 bestimmt wird, dass der Spülprozess erforderlich ist, wird, in Gegenwart des Spülflags in Schritt S10, der Ladeschwellenwert Cth zur Zeit des Ladens des Kondensators 16 durch die Brennstoffzelle 14 auf einen Ladeschwellenwert B oder einen Ladeschwellenwert C geändert, wie in 4 gezeigt. Der Ladeschwellenwert B oder der Ladeschwellenwert C hat einen großen Wert im Vergleich zum Ladeschwellenwert A im Falle des Ladens des Kondensators 16 bei normaler Temperatur (bei normaler Temperatur bedeutet hier den Zustand, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle 0[°C] oder mehr beträgt). D. h. der Prozess zum Ändern des Schwellenwerts wird ausgeführt, und der Ladeprozess wird auf der Basis des geänderten Schwellenwerts durchgeführt.

3 ist ein Flussdiagramm, das im Detail den Schwellenwertänderungsprozess und den Prozess zum Laden des Kondensators 16 auf der Basis des geänderten Schwellenwerts aufzeigt.

In diesem Fall wird zuerst in Schritt S10a von 3 bestimmt, ob eine Zeitdauer tint (nachfolgend als ”Bestimmungszeit für den Stopp nach vorübergehendem Hochfahren” genannt) ab der Betriebsstartzeit tstart = t0, wenn der Zündschalter 76 eingeschaltet wird, bis zur Betriebsstoppanforderungszeit tstop = t1, wenn der Zündschalter ausgeschaltet wird (siehe 4), innerhalb einer vorbestimmten kurzen Zeitdauer tshort (mehrere Minuten) liegt oder nicht, d. h. ob der Zündschalter 76 unmittelbar nach dem Start der Stromerzeugung ausgeschaltet worden ist oder nicht. Hierbei wird bestimmt, ob die in Schritt S2 erhaltene Hochfahrtemperatur Txstart höher als eine erste Schwellentemperatur Tth1 (z. B. 0[°C] am Gefrierpunkt) ist oder nicht.

Die Bestimmung in Schritt S10a ist JA, wenn die Bestimmungszeit zum Stopp nach vorübergehendem Hochfahren tint innerhalb einer kurzen Zeitdauer liegt (tint ≤ tshort), und die Hochfahrtemperatur Txstart nicht höher als die erste Schwellentemperatur Tth1 ist (Txstart ≤ Tth1).

Hierbei wird ferner in Schritt S10b bestimmt, ob die Stromerzeugungsstoppanforderungstemperatur Txstop zur Zeit t1, wenn der Zündschalter 76 ausgeschaltet wird, höher als eine vorbestimmte zweite Schwellentemperatur Tth2 ist oder nicht (siehe 4, z. B. Tth2 = 10[°C]) (Txstop ≤ Tth2), d. h. es wird bestimmt, ob die Brennstoffzelle 10 in den normalen Zustand versetzt worden ist oder nicht.

Wenn die Bestimmung JA ist (wenn z. B. die Änderung der in 4 gezeigten Temperatur Tx auftritt), wird in Schritt S10c der Ausschaltvorgang des Zündschalters 76 zur Zeit t1 als die Stromerzeugungsstoppanforderung betrachtet, in der eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt. Somit wird ein Bestimmungsflag Fs gesetzt, das anzeigt, dass eine Anforderung für den Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt. (Fs = 1, siehe Zeit t1 in 4).

Wenn die Bestimmung in Schritt S10a NEIN ist (wenn die gegenwärtige Zeit nicht unmittelbar nach dem Start der Stromerzeugung ist, oder wenn die Hochfahrtemperatur Txstart höher als die erste Schwellentemperatur Tth1 ist), oder wenn die Bestimmung in Schritt S10b NEIN ist (wenn die Stromerzeugungsstoppanforderungstemperatur Txstop zur Zeit t1, wenn der Zündschalter 76 ausgeschaltet ist, höher ist als eine vorbestimmte zweite Schwellentemperatur Tth2), dann wird in Schritt S10d der Vorgang des Ausschaltens des Zündschalters 76 zur Zeit t1 nicht als ein Vorgang betrachtet (Stromerzeugungsstoppanforderung), der der Bedingung genügt, dass bestimmt wurde, dass eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt. Somit bleibt das Bestimmungsflag Fs, das anzeigt, dass eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt, nicht gesetzt (Fs = 0 bleibt bestehen).

Als Nächstes wird im Schritt S10e auf der Basis des Werts des Flags Fs, das anzeigt, dass eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt, bestimmt, ob eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt. Wenn die Bestimmung JA ist (Fs = 1), wird in Schritt S10f, wie in 4 gezeigt, zur Zeit t1 der Ladeschwellenwert Cth auf den Ladeschwellenwert C mit dem größten Wert geändert. In Schritt S10h wird der Kondensator 16, durch den von der Brennstoffzelle 14 ausgegebenen Energieerzeugungsstrom If, bis zu dem Ladeschwellenwert C geladen (siehe Zeit t2).

Bei der Bestimmung von Schritt S10e wird auf der Basis des Werts des Flags Fs, das anzeigt, das eine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt, bestimmt, dass keine Anforderung für den Stoppbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach dem vorübergehenden Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt (Fs = 0), da bestimmt worden ist, dass in Schritt S7 eine Spülprozessanforderung vorliegt, wobei in Schritt S10g zur Zeit t1 der Ladeschwellenwert Cth auf den Ladeschwellenwert B für den normalen Startbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur geändert wird, wie etwa der Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts. Dann wird in Schritt S10h der Kondensator 16, durch den von der Brennstoffzelle 14 ausgegebenen Energieerzeugungsstrom If bis zum Ladeschwellenwert B aufgeladen.

Dann wird in Schritt S11 die Stromerzeugung gestoppt (siehe Zeit t2, wo der Energieerzeugungsstrom If null ist). Der Stromerzeugungsstoppprozess wird in der gleichen Weise wie im Fall von Schritt S9 durchgeführt. Dann wird zu der Zeit, zu der die Stromerzeugung gestoppt wird, der Betrieb des Luftkompressors 36 von dem Zustand, in dem die von der Brennstoffzelle 14 zugeführte elektrische Energie verwendet wird, zu dem Zustand, in dem die vom Kondensator 16 zugeführte elektrische Energie verwendet wird, umgeschaltet.

Dann wird in Schritt S12 der Spülprozess für eine bestimmte Zeitdauer durchgeführt, durch Überwachung der Zeit mittels des Timers.

D. h. bei dem Spülprozess in Schritt S12 wird, um die verdichtete Luft von dem Kompressor 36 der Anode zuzuführen, wobei der Kompressor 36 mittels der vom Kondensator 16 zugeführten elektrischen Energie betrieben wird, zuerst das Wasserstoffzufuhrventil 44 geschlossen, um die Zufuhr des Wasserstoffgases zu stoppen. Dann wird das Luftzufuhrventil 54 am Lufteinlasskanal 53 geöffnet, um die verdichtete Luft von sowohl der Wasserstoffzufuhröffnung 20 als auch der Luftzufuhröffnung 26 der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 14 zuzuführen. Die verdichtete Luft fließt im Inneren der Brennstoffzelle 14. Dann wird die verdichtete Luft von der Wasserstoffauslassöffnung 22 und der Luftauslassöffnung 26 ausgegeben. Hierbei wird das Wasserstoffspülventil 30 für eine bestimmte Zeitdauer geöffnet, um die Wasserstoffspülung durchzuführen. Danach wird das Wasserstoffspülventil 30 geschlossen.

Dann werden das Ablassventil 50 und das Luftauslassventil 56 für eine bestimmte Zeitdauer geöffnet. Durch die der Brennstoffzelle 14 zugeführte Spülluft wird das bei der Stromerzeugung oder dgl. erzeugte Wasser zuverlässig von den Membranelektrodenanordnungen und den Separatoren beseitigt. In diesem Fall wird an der Kathode das bei der Stromerzeugung oder dgl. erzeugte Wasser von der Luftauslassöffnung 26 durch das Gegendrucksteuerventil 38 und den Luftauslasskanal 40, zusammen mit der Spülluft, nach außen abgegeben. An der Anode wird das von der Wasserstoffauslassöffnung 22 ausgegebene Wasser durch das Luftauslassventil 56 und den Luftauslasskanal 58 (und das Ablassventil 50 und den Wasserauslasskanal 52) zusammen mit der Spülluft nach außen abgegeben.

Nach dem Spülprozess wird das System in Schritt S13 gestoppt.

Der Systemstoppprozess wird in der gleichen Weise wie im Falle von Schritt S9 ausgeführt. Der Betrieb des Luftkompressors 36 wird gestoppt und das Wasserstoffzufuhrventil 44 und alle anderen Ventile 54, 30, 50, 56 und 38 werden geschlosen (normaler geschlossener Zustand).

Wenn, wie in der Ausführung beschrieben, nach dem Betriebsstart der Brennstoffzelle 14, während des Stromerzeugungsbetriebs, ein Signal, das anzeigt, dass der Zündschalter 76 vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand geschaltet ist, als die Stromerzeugungsstoppanforderung in die Steuerungsvorrichtung 70 eingegeben wird, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70 in Schritt S10a, dass der Betrieb der Brennstoffzelle 14 bei niedriger Temperatur zur Zeit t0 vor der Stromerzeugungsstoppanforderung zur Zeit t1 gestartet wurde. Wenn in Schritt S10b die Temperatur Th (= Txstop) des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 der Brennstoffzelle 14 zur Zeit t1, bei Anforderung des Stromerzeugungsstopps, nicht höher als die zweite Schwellentemperatur Th2 ist, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung zur Zeit t1 eine Anforderung zum Stoppen des Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist. D. h. sie bestimmt, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung zur Zeit t1 der Bedingung genügt, dass es eine Anforderung zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur gibt, und setzt das Bestimmungsflag Fs, das anzeigt, dass eine Anforderung zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur gesetzt ist (Fs = 1).

Hier setzt die Steuerungsvorrichtung 70 die Lademenge, wenn die Stromerzeugung des Kondensators 16 gestoppt ist, auf den Ladeschwellenwert C. Der Ladeschwellenwert C ist größer als der Ladeschwellenwert in dem Fall, wo der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei normaler Temperatur gestartet wird und bei normaler Temperatur gestoppt wird. Selbst wenn somit der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur gestoppt wird, wird der Spülprozess mithilfe des Kondensators 16 zuverlässig durchgeführt, und das nächste Mal wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts, zuverlässig gestartet.

Die Lademenge wird durch die Steuerungsvorrichtung 70 eingestellt zum Erfüllen der Größenbeziehung von ”Ladeschwellenwert C (entsprechend der Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur) > Ladeschwellenwert B (entsprechend der Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach dem Hochfahren bei niedriger Temperatur) > Ladeschwellenwert A (entsprechend der Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur). Daher wird unter den jeweiligen Bestimmungsbedingungen die Zeit, die zum Laden des Kondensators 10 nach der Stromerzeugungsstoppanforderung erforderlich ist, minimiert.

In der Praxis bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70, dass eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems 10 nach dem vorübergehenden Hochfahren bei niedriger Temperatur vorliegt, wenn die Temperatur Th = Txstart des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 der Brennstoffzelle 14, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 vor der Stromerzeugungsstoppanforderung gestartet wird, nicht höher ist als die erste Schwellentemperatur Tth1, und die Temperatur Th = Txstop des Gases in der Wasserstoffauslassöffnung 22 der Brennstoffzelle 14, wenn die Stromerzeugungsstoppanforderung eingegeben wird, nicht höher ist als die zweite Schwellentemperatur Tth2, die höher ist als die erste Schwellentemperatur Tth1. Auf diese Weise wird die Bestimmung zuverlässig durchgeführt.

Wenn in der oben beschriebenen Ausführung bei niedriger Temperatur, wie etwa unterhalb des Gefrierpunkts, erfasst wird, dass der Zündschalter eine kurze Zeitdauer, nachdem der Zündschalter eingeschaltet wurde (t0), ausgeschaltet wird (t1), wird der Ladeschwellenwert Cth auf den Ladeschwellenwert C geändert, der einen größeren Wert hat, und das Laden des Kondensators 16 erfolgt auf der Basis des geänderten Ladeschwellenwerts C (t1 bis t2). Auch erfolgt der Spülprozess für eine ausreichende Zeitdauer. Dann wird während des Aufwärmbetriebs des Brennstoffzellensystems 10 bei niedriger Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts oder dgl. beim nächsten Mal mittels der im Kondensator 16 gespeicherten elektrischen Energie die Brennstoffzelle 14 durch die Heizung 64 oder dgl. rasch aufgewärmt, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zuverlässig zu starten.

Wenn erfasst wird, dass der Zündschalter 76 eine kurze Zeitdauer nach dem Einschalten t0 des Zündschalters 76 bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ausgeschaltet wird t1, wird erfindungsgemäß der Ladeschwellenwert eines Kondensators 16 auf einen größeren Ladeschwellenwert C geändert, um die Menge der in den Kondensator 16 geladenen elektrischen Energie auf der Basis des Ladeschwellenwerts C zu erhöhen t1 bis t2. Der Kondensator 16 wird dazu verwendet, einen Spülprozess über eine ausreichende Zeitdauer hinweg durchzuführen. Beim nächsten Startbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts wird, mittels der elektrischen Energie des Kondensators 16, die Brennstoffzelle 14 durch einen Heizer 64 oder dgl. rasch aufgewärmt, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zu starten.


Anspruch[de]
Brennstoffzellensystem (10), umfassend:

eine Brennstoffzelle (14) zur Stromerzeugung mittels der Brennstoffzelle (14) zugeführten Reaktionsgasen;

einen Energiespeicher (16) zum Unterstützen der Leistung der Brennstoffzelle (14), wobei die elektrische Energie von der Brennstoffzelle (14) in den Energiespeicher (16) geladen wird;

eine Einrichtung (70, 64, 54), die ausgelegt ist, um den Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10) bei niedriger Temperatur durch die Leistung des Energiespeichers (16) zu erlauben; und

eine Steuerungsvorrichtung (70), die bestimmt, ob eine Stromerzeugungsstoppanforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) vorliegt, und die die Lademenge (SOC) des Energiespeichers (16) einstellt, wenn die Stromerzeugung gestoppt worden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (70) in Antwort auf eine Stromerzeugungsstoppanforderung während des Stromerzeugungsbetriebs nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10), bestimmt, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, wenn die Temperatur (Tx) der Brennstoffzelle (14) nicht höher als eine vorbestimmte Temperatur (Tth2) ist und vor der Stromerzeugungsstoppanforderung der Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) bei niedriger Temperatur gestartet worden ist; und dann die Brennstoffzelle (14) weiter arbeiten lässt, bis mit der hierdurch erzeugten elektrischen Energie die Lademenge (SOC) des Energiespeichers (16) einen Wert (C) erreicht hat, der größer ist als die Lademenge (A) zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur,

wobei die Lademenge (SOC) durch die Steuerungsvorrichtung (70) so eingestellt wird, dass sie der Größenbeziehung von ”Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur (C) > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach Hochfahren bei niedriger Temperatur (B) > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur (A)” genügt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (70) bestimmt, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, wenn die Temperatur (Txstart) der Brennstoffzelle (14) bei Betriebstart (t0) des Brennstoffzellensystems (10) vor der Stromerzeugungsstoppanforderung nicht höher ist als eine erste Schwellentemperatur (Tth1), und die Temperatur (Txstop) der Brennstoffzelle (14) bei Eingabe (t1) der Stromerzeugungsstoppanforderung nicht höher ist als eine zweite Schwellentemperatur (Tth2), die höher ist als die erste Schwellentemperatur (Tth1). Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) ist, bevor das Aufwärmen der Brennstoffzelle (14) nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10) abgeschlossen ist. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (10) gemäß Anspruch 1 in einem Fahrzeug (12), das einen durch die Brennstoffzelle (14) betriebenen Fahrmotor enthält. Verfahren zum Einstellen der Lademenge für einen Energiespeicher eines Brennstoffzellensystems (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Brennstoffzelle (14) zur Stromerzeugung mittels der Brennstoffzelle (14) zugeführten Reaktionsgasen sowie einen Energiespeicher (16) zum Unterstützen der Leistung der Brennstoffzelle (14) umfasst, wobei elektrische Energie von der Brennstoffzelle (14) in den Energiespeicher (16) geladen wird, um den Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10) bei niedriger Temperatur durch die Leistung des Energiespeichers (16) zu erlauben, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Bestimmen (S10a, S10b, S10c), ob eine Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) vorliegt, und

Einstellen (S10e, S10f, S10g) der Lademenge (SOC) des Energiespeichers (16), wenn die Stromerzeugung gestoppt worden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

in Antwort auf eine Stromerzeugungsstoppanforderung während des Stromerzeugungsbetriebs nach Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10) (S5: JA) in dem Bestimmungsschritt bestimmt wird, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, wenn die Temperatur (Tx) der Brennstoffzelle (14) nicht höher als eine vorbestimmte Temperatur (Tth2) ist und vor der Stromerzeugungsstoppanforderung der Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) bei niedriger Temperatur gestartet worden ist, (S10a: JA, S10b: JA, S10c); und dann die Brennstoffzelle (14) weiter arbeitet, bis mit der hierdurch erzeugten elektrischen Energie die Lademenge (SOC) des Energiespeichers (16) einen Wert (C) erreicht hat, der größer ist als die Lademenge (A) zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur,

wobei die Lademenge (SOC) in dem Einstellschritt so eingestellt wird, dass sie der Größenbeziehung von ”Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur (C) > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps nach Hochfahren bei niedriger Temperatur (B) > Lademenge zur Zeit des Betriebsstopps bei normaler Temperatur (A)” genügt.
Lademengeneinstellverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bestimmungsschritt (S10a: JA, S10b: JA, S10c) bestimmt wird, dass die Stromerzeugungsstoppanforderung eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur ist, wenn die Temperatur (Txstart) der Brennstoffzelle (14) bei Betriebsstart (t0) des Brennstoffzellensystems (10) vor der Stromerzeugungsstoppanforderung nicht höher ist als eine erste Schwellentemperatur (Tth1), und die Temperatur (Txstop) der Brennstoffzelle (14) bei Eingabe (t1) der Stromerzeugungsstoppanforderung nicht höher ist als eine zweite Schwellentemperatur (Tth2), die höher ist als die erste Schwellentemperatur (Tth1). Lademengeneinstellverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) nach vorübergehendem Hochfahren bei niedriger Temperatur eine Anforderung zum Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems (10) ist, bevor das Aufwärmen der Brennstoffzelle (14) nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems (10) abgeschlossen ist.






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