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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das eine Kühlwasserpumpe aufweist, die auf einer Kühlwasserleitung angeordnet ist, in der ein Kühlwasser zu einer Brennstoffzelle transportiert wird, und die das Kühlwasser fördert, eine Brenngaszuführleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist und die der Brennstoffzelle ein Brenngas zuführt, eine Brenngasumwälzleitung, die mit der Brennstoffzelle und der Brenngaszuführleitung verbunden ist und die ein Brenngas umwälzt, das aus der Brennstoffzelle zur Brenngaszuführleitung abgeführt wird, und eine Brenngaspumpe, die auf der Brenngasumwälzleitung angeordnet ist und die das Brenngas fördert, das aus der Brennstoffzelle zur Brenngaszuführleitung abgeführt wird, wobei das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas durch die Brenngaspumpe gefördert wird, nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt bzw. gestoppt worden ist.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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In jüngster Zeit hat die Brennstoffzelle als eine Zelle mit einem hohen Wirkungsgrad und günstigen umweltfreundlichen Eigenschaften viel Beachtung erhalten. Im Allgemeinen erzeugt die Brennstoffzelle elektrische Energie durch eine chemische Reaktion zwischen einem Wasserstoff, bei dem es sich um ein Brenngas handelt, und einem Sauerstoff in der Luft, bei dem es sich hier um ein Oxidationsgas handelt. Infolge der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff kommt es zur Entstehung von Wasser.
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Zu den verschiedenen Arten von Brennstoffzellen gehören Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen und Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Unter diesen gilt einem Brennstoffzellensystem, bei dem eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet wird, besondere Beachtung, da ein derartiges Brennstoffzellensystem dahingehend vorteilhaft ist, dass das System bei normalen Temperaturen gestartet werden kann und die Zeitdauer zum Hochfahren kurz ist. Ein derartiges Brennstoffzellensystem wird beispielsweise als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektroauto, verwendet.
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Wenn in einem Brennstoffzellensystem ein Zustand, in dem die Brennstoffzelle sich im Betriebsstillstand befindet, in einer Niedertemperaturumgebung, wie z. B. bei kaltem Klima im Freien, für lange Zeit fortbesteht, kann sich an den Ventilen, Pumpen etc. in dem Brennstoffzellensystem aufgrund der Feuchtigkeit, wie z. B. dem in dem Brennstoffzellensystem verbleibenden Produktwasser, Frost bilden. Aufgrund dessen sind verschieden Verfahren zur Verhinderung einer Frostbildung an den Ventilen, Pumpen etc. in dem Brennstoffzellensystem entwickelt und vorgeschlagen worden.
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Die Patentschrift
JP 2004-193102 A offenbart ein Brennstoffzellen-Betriebsverfahren, in dem die Zuführung einer Leistung aus der Brennstoffzelle unterbrochen, eine Außenlufttemperatur erfasst, entsprechend der Außenlufttemperatur dem Reaktionsgasströmungsweg ein Reaktionsgas zugeführt wird, um das Wasser in dem Reaktionsgasströmungsweg abzuführen, und die Brennstoffzelle in den Betriebsstillstand versetzt wird.
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In einem Brennstoffzellensystem wird während des Betriebs der Brennstoffzelle ein aus der Brennstoffzelle abgeführtes Brenngas durch die Brenngaspumpe, wie z. B. eine Wasserstoffpumpe, komprimiert, und das komprimierte Brenngas wird zur Wiederverwendung zur Brennstoffzelle gefördert. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann es sein, dass in dem Brennstoffzellensystem Wasser in einem Ventil oder dergleichen aufgrund dessen zurückbleibt, dass das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas feuchtigkeitshaltig ist. Daher wird nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt worden ist, ein Trocknungsvorgang ausgeführt, indem die Brenngaspumpe angetrieben und das Brenngas gefördert wird.
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Während des Trocknungsvorgangs wird die in dem Brennstoffzellensystem verbleibende Feuchtigkeit durch das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas absorbiert. Aufgrund dessen kann die in dem aus der Brennstoffzelle abgeführten Brenngas enthaltene Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe kondensieren, und es kann zur Entstehung von Kondenswasser kommen. Wenn also z. B. der Betriebsstillstand der Brennstoffzelle in einer Niedertemperaturumgebung fortbesteht, kann die Brenngaspumpe eingefrieren.
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Ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 ist aus der
WO 2005/018980 A2 bekannt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, in dem, nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt bzw. gestoppt worden ist, die Kondensation von Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe verhindert wird und das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas durch die Brenngaspumpe gefördert wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems geschaffen, das eine Kühlwasserpumpe aufweist, die auf einer Kühlwasserleitung angeordnet ist, in der ein Kühlwasser zu einer Brennstoffzelle transportiert wird, und die das Kühlwasser gefördert, eine Brenngaszuführleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist und die der Brennstoffzelle ein Brenngas zuführt, eine Brenngasumwälzleitung, die mit der Brennstoffzelle und der Brenngaszuführleitung verbunden ist und die ein aus der Brennstoffzelle abgeführtes Brenngas zur Brenngaszuführleitung umwälzt, und eine Brenngaspumpe, die auf der Brenngasumwälzleitung angeordnet ist und die das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas fördert. Das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas wird durch die Brenngaspumpe gefördert, nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt worden ist, und das Kühlwasser wird durch die Kühlwasserpumpe gefördert, um die Brennstoffzelle zu kühlen und eine Temperatur der Brennstoffzelle auf eine niedrigere Temperatur als eine Temperatur der Brenngaspumpe zu senken, nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt bzw. gestoppt worden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass in dem Brennstoffzellensystem die Brenngaspumpe in einen Betriebsstillstand versetzt wird, nachdem die Kühlwasserpumpe in einen Betriebsstillstand versetzt worden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass in dem Brennstoffzellensystem die Kühlwasserpumpe in einen Betriebsstillstand versetzt wird und die Brenngaspumpe in einen Betriebsstillstand versetzt wird, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Brenngaspumpe gesenkt worden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, dass das Brennstoffzellensystem ferner eine Kühleinrichtung aufweist, die auf der Kühlwasserleitung angeordnet ist und die das aus der Brennstoffzelle abgeführte Kühlwasser kühlt, wobei das Kühlwasser, das durch die Kühleinrichtung gekühlt wird, gefördert wird und die Brennstoffzelle gekühlt wird, nachdem die Brennstoffzelle in einen Betriebsstillstand versetzt worden ist.
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Gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann, nachdem die Brennstoffzelle in den Betriebsstillstand versetzt worden ist, dadurch, dass die Temperatur der Brennstoffzelle auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Brenngaspumpe gesenkt wird, eine Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe verhindert und das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas durch die Brenngaspumpe gefördert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist ein Diagramm, dass eine Struktur eines Brennstoffzellensystems in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2(A) ist ein Diagramm, das Veränderungen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur der Brenngaspumpe darstellt, wenn die Brennstoffzelle gekühlt wird, ohne dass die Kühlwasserpumpe angetrieben wird, nachdem die Brennstoffzelle in den Stillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur > Brenngaspumpentemperatur zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands der Brennstoffzelle).
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2(B) ist ein Diagramm, das Veränderungen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur der Brenngaspumpe darstellt, wenn die Brennstoffzelle gekühlt wird, indem die Kühlwasserpumpe angetrieben wird, nachdem die Brennstoffzelle in den Betriebsstillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur > Brenngaspumpentemperatur zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands der Brennstoffzelle).
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3(A) ist ein Diagramm, das Veränderungen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur der Brenngaspumpe darstellt, wenn die Brennstoffzelle gekühlt wird, ohne dass die Kühlwasserpumpe antrieben wird, nachdem die Brennstoffzelle in den Betriebsstillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur < Brenngastemperatur zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands der Brennstoffzelle).
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3(B) ist ein Diagramm, das Veränderungen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur der Brenngaspumpe darstellt, wenn die Brennstoffzelle gekühlt wird, indem die Kühlwasserpumpe angetrieben wird, nachdem die Brennstoffzelle in den Betriebsstillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur < Brenngaspumpentemperatur zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands der Brennstoffzelle).
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BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Nachstehend erfolgt eine ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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1 ist ein Diagramm, dass eine Struktur eines Brennstoffzellensystems 10 darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 12, ein Kühlwassersystem mit einer Kühleinrichtung 14 etc., ein Brenngassystem mit einer Brenngaszuführvorrichtung 16 etc., ein Oxidationsgassystem mit einer Oxidationsgaszuführvorrichtung 18 etc. und eine Steuerung 20 auf.
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Die Funktion der Brennstoffzelle 12 ist es, durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, und einem Oxidationsgas, wie z. B. Sauerstoff, eine Leistung zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 12, bei der es sich beispielsweise um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 12 handelt, beinhaltet einen Stapel, der durch Aneinanderschichten von einer Mehrzahl von Einzelzellen zusammengebaut wird. Eine Einzelzelle ist so aufgebaut, dass Katalysatorschichten an beide Seiten einer Elektrolytmembran geschichtet sind, eine Gasdiffusionsschicht jeweils an eine Katalysatorschicht geschichtet ist, so dass eine Membranelektrodenanordnung gebildet wird, und ferner ein Separator an die Membranelektrodenanordnung geschichtet ist. Indem ein Stromkollektor zu beiden Seiten eines derartigen Stapels ein Stromkollektor angeordnet wird, kann aus dem Stromkollektor Strom gewonnen werden.
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Die Funktionen der Elektrolytmembran sind unter anderem das Weiterleiten von auf der Seite der Anodenelektrode erzeugten Wasserstoffionen auf die Seite der Kathodenelektrode. Als ein für die Elektrolytmembran geeignetes Material wird eine Ionenaustauschmembran aus einem chemisch stabilen Harz auf Fluorbasis, wie z. B. Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure, verwendet. Als die Ionenaustauschmembran aus Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure kann beispielsweise eine Nafion-Membran (eingetragenes Warenzeichen der Du Pont Corporation) verwendet werden.
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Die Funktion der Katalysatorschicht ist es, eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff auf der Seite der Anodenelektrode und eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff auf der Seite der Kathodenelektrode zu unterstützen. Die Katalysatorschicht beinhaltet einen Katalysator und einen Träger für den Katalysator. Im Allgemeinen ist der Katalysator in Form von Partikeln ausgebildet und haftet für seine Verwendung am Katalysatorträgermaterial, um die Fläche der Elektrode, auf der die Reaktion abläuft, zu vergrößern. Als der Katalysator wird Platin oder dergleichen verwendet, bei dem es sich um ein Element der Platingruppe handelt, das in Bezug auf die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs und die Reduktionsreaktion von Sauerstoff eine geringe Aktivierungsüberspannung aufweist. Als Träger für den Katalysator wird ein Kohlenstoffmaterial, z. B. Ruß, verwendet.
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Die Funktionen der Gasdiffusionsschicht sind z. B. ein Diffundieren von Wasserstoff, bei dem es sich um den Brennstoff handelt, und von Sauerstoff, bei dem es sich um das Oxidationsmittel handelt, in die Katalysatorschicht und ein Weiterleiten von Elektronen. Für die Gasdiffusionsschicht kann ein Webstoff aus Kohlefaser oder Kohlepapier verwendet werden, bei dem es sich um ein Material mit einer leitfähigen Eigenschaft handelt. Die Membranelektrodenanordnung kann dadurch hergestellt werden, dass die Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht aneinander geschichtet und einer Behandlung mit einer Heißpresse oder dergleichen unterzogen werden.
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Der Separator ist auf die Gasdiffusionsschicht der Membranelektrodenanordnung geschichtet und weist die Funktion auf, den Wasserstoff, bei dem es sich um das Brenngas handelt, und Luft, bei der es sich um das Oxidationsmittel handelt, an nebeneinander angeordneten Einzelzellen abzuscheiden. Die Funktion des Separators ist es zudem, eine Einzelzelle mit einer anderen Einzelzelle elektrisch zu verbinden. Der Separator kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass eine Titaniumlage oder eine Lage aus rostfreiem Stahl in einem Pressenwerk bearbeitet werden.
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Das Kühlwassersystem des Brennstoffzellensystems 10 weist eine Kühlwasserleitung 22 auf, in der ein Kühlwasser zur Brennstoffzelle 12 umgewälzt und transportiert wird. Die Kühlwasserleitung 22 weist eine Kühlwasserzuführleitung 22a, die das Kühlwasser der Brennstoffzelle 12 zuführt, eine Kühlwasserabführleitung 22b, die das Kühlwasser aus der Brennstoffzelle 12 abführt, und eine Kühlwasserumgehungsleitung 22c auf, die mit der Kühlwasserzuführleitung 22a und der Kühlwasserabführleitung 22b verbunden ist. Bei dem Kühlwasser kann es sich um ein Kühlmittel der Marke LONG LIFE COOLANT oder ähnliches handeln.
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Die Funktion der Kühleinrichtung 14 ist es, die Wärme des Kühlwassers nach außen abzuführen, und sie ist auf der Kühlwasserleitung 22 angeordnet und mit der Kühlwasserzuführleitung 22a und der Kühlwasserabführleitung 22b verbunden. Indem das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser in der Kühlwasserabführleitung 22b zur Kühleinrichtung geleitet wird, kann die Wärme des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers abgeführt und das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser gekühlt werden. Das durch die Kühleinrichtung 14 gekühlte Kühlwasser wird in der Kühlwasserzuführleitung 22a transportiert und der Brennstoffzelle 12 zugeführt.
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Die Funktion einer Kühlwasserpumpe 24 ist es, Kühlwasser mit Druck zu beaufschlagen und das Kühlwasser zu fördern, und sie ist auf der Kühlwasserleitung 22 angeordnet. Eine Kühlung der Brennstoffzelle 12 ist dadurch möglich, dass das Kühlwasser durch die Kühlwasserpumpe 24 gefördert und umgewälzt wird. Die Kühlwasserpumpe 24 kann auf der Kühlwasserzuführleitung 22a oder auf der Kühlwasserabführleitung 22b angeordnet sein. Als die Kühlwasserpumpe 24 kann beispielsweise eine Pumpe verwendet werden, die durch eine Drehbewegung eines Elektromotors angetrieben wird. Das Starten und Stoppen des Betriebs der Kühlwasserpumpe 24 wird basierend auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerung 20 ausgeführt.
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Die Funktion eines Kühlwassertemperatursensors 26 ist es, eine Temperatur des Kühlwassers zu messen, und er ist auf der Kühlwasserabführleitung 22b angeordnet. Die Messung der Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers wird dadurch ermöglicht, dass der Kühlwassertemperatursensor 26 auf der Kühlwasserabführleitung 22b angeordnet ist. Als der Kühlwassertemperatursensor 26 kann beispielsweise ein Temperatursensor, wie z. B. ein Thermoelement, verwendet werden. Die durch den Kühlwassertemperatursensor 26 gemessenen Kühlwassertemperaturdaten werden an die Steuerung 20 weitergeleitet.
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Nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt bzw. gestoppt worden ist, kann die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers als die Brennstoffzellentemperatur herangezogen werden, weil die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 12 unterbrochen wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, und somit liegt eine ungefähre Entsprechung zwischen der Kühlwassertemperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers und der Brennstoffzellentemperatur vor. Alternativ kann an einer vorbestimmten Stelle der Brennstoffzelle 12 auch ein Temperatursensor oder dergleichen angeordnet werden und die Brennstoffzellentemperatur dort gemessen werden.
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Die Funktion eines Kühlwasserschaltventils 28 ist es, ein Umschalten der Strömungsrichtung des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers zu bewirken, und es ist mit der Kühlwasserabführleitung 22b und der Kühlwasserumgehungsleitung 22c verbunden. Das Kühlwasserschaltventil 28 kann die Strömung des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers basierend auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerung 20 auf die Seite der Kühleinrichtung 14 oder die Seite der Kühlwasserumgehungsleitung 22c umschalten. Wenn die Brennstoffzelle 12 beispielsweise weiter gekühlt werden soll, kann das Kühlwasserschaltventil 28 basierend auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerung 20 auf die Seite der Kühleinrichtung 14 umgeschaltet werden, so dass das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser zur Kühleinrichtung 14 strömt, und das durch die Kühleinrichtung 14 gekühlte Kühlwasser wird der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Wenn hingegen die Kühlung der Brennstoffzelle 12 verhindert werden soll, kann das Kühlwasserumschaltventil 28 basierend auf dem durch die Steuerung 20 vorgenommenen Steuerungsvorgang auf die Seite der Kühlwasserumgehungsleitung 22c umgeschaltet werden, so dass das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser zur Kühlwasserumgehungsleitung 22c strömt und der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird. Als das Kühlwasserschaltventil 28 kann beispielsweise ein Dreiwegeventil verwendet werden.
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Das Brenngassystem des Brennstoffzellensystems 10 weist eine Brenngaszuführleitung 30 auf, die mit der Brennstoffzelle 12 verbunden ist und die das Brenngas zur Anode der Brennstoffzelle 12 transportiert und dieser zuführt, und eine Brenngasumwälzleitung 32, die mit der Brennstoffzelle 12 und der Brenngaszuführleitung 30 verbunden ist und die das von der Anode der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas transportiert und das Brenngas zur Brenngaszuführleitung 30 umwälzt.
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Die Funktion der Brenngaszuführvorrichtung 16 ist es, das Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, zuzuführen, und sie ist mit der Brenngaszuführleitung 30 verbunden. Die Brenngaszuführvorrichtung 16 kann beispielsweise aus einem Hochdruck-Brenngastank, wie z. B. einem Hochdruck-Wasserstofftank, gebildet sein. Alternativ kann die Brenngaszuführvorrichtung 16 eine wasserstoffabsorbierende Legierung oder ein Reformiermittel aufweisen. Daneben sind auf der Brenngaszuführleitung 30 ein Blockierventil 36, das die Zufuhr des Brenngases und die Unterbrechung der Brenngaszufuhr aus der Brenngaszuführvorrichtung 16 steuert, ein Drucksensor 38, der einen Druck eines Brenngases erfasst, ein Druckeinstellungsventil 40 für ein Brenngas, das den Druck des Bremsgases einstellt, und ein Blockierventil (nicht gezeigt) angeordnet, das eine Brenngaszuführöffnung der Brennstoffzelle 12 etc. öffnet und schließt.
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Die Funktion einer Brenngaspumpe 42 ist es, das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas zur Brenngaszuführleitung 30 zu fördern, und sie ist auf der Brenngasumwälzleitung 32 angeordnet. Mit der Brenngaspumpe 42 kann das Brenngas, das während des Durchströmens der Anode der Brennstoffzelle 12 einen Druckverlust erlitten hat, komprimiert werden, der Druck auf einen geeigneten Gasdruck verstärkt und das Brenngas zur Brenngaszuführleitung 30 zurückgeführt werden. Das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas 12 strömt mit dem aus der Brenngaszuführvorrichtung 16 zugeführten Brenngas an der Brenngaszuführleitung 30 zusammen und wird der Brennstoffzelle 12 zugeführt und in derselben wiederverwendet. Als die Brenngaspumpe 42 wird beispielsweise eine Pumpe verwendet, die durch die Drehbewegung des Elektromotors oder dergleichen angetrieben wird. Das Starten und Stoppen der Brenngaspumpe 42 kann basierend auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerung 20 ausgeführt werden.
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Die Funktion eines Brenngastemperatursensors 44 ist es, eine Temperatur des Brenngases zu messen, und er ist auf der Brenngasumwälzleitung 32 angeordnet. Die Messung der Temperatur des aus der Brenngaspumpe 42 abgeführten Brenngases wird dadurch ermöglicht, dass der Brenngastemperatursensor 44 auf der Abführseite des Brenngases in der Brenngaspumpe 42 angeordnet wird. Als der Brenngastemperatursensor 44 wird beispielsweise ein Temperatursensor, wie z. B. ein Thermoelement, verwendet. Die durch den Brenngastemperatursensor 44 gemessenen Brenngastemperaturdaten werden an die Steuerung 20 weitergeleitet.
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Die Temperatur des aus der Brenngaspumpe 42 abgeführten Brenngases kann als die Brenngaspumpentemperatur herangezogen werden, weil zwischen der Temperatur des aus der Brenngaspumpe 42 abgeführten Brenngases und der Brenngaspumpentemperatur eine ungefähre Entsprechung vorliegt. Alternativ kann ein Temperatursensor oder dergleichen zur Messung einer Brenngaspumpentemperatur an einer vorbestimmten Stelle der Brenngaspumpe 42 angeordnet werden.
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Auf der Brenngasumwälzleitung 32 sind ein Blockierventil (nicht gezeigt), das das Brenngas abführt, ein Drucksensor 48, der einen Druck des Brenngases erfasst, und ein Rückschlagventil 50 angeordnet, das eine Rückströmung des in der Brenngaszuführleitung 30 auf die Seite der Brenngasumwälzleitung 32 etc. transportierten Brenngases verhindert. Darüber hinaus zweigt an einer Brenngasabführleitung 52 zum Abführen des aus einem Brenngasumwälzsystem abgeführten Brenngases nach außerhalb des Fahrzeugs durch eine Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt), wie z. B. eine Wasserstoffkonzentrations-Reduziervorrichtung, von der Brenngasumwälzleitung 32 ab. Zudem ist auf der Brenngasabführleitung 52 ein Abführventil 53 angeordnet. Indem das Abführventil 53 geöffnet und geschlossen wird, kann das Brenngas, das aufgrund einer wiederholten Umwälzung in der Brennstoffzelle 12 eine erhöhte Verunreinigungskonzentration aufweist, nach außen abgeführt werden und neues Brenngas eingeführt werden, um eine Abnahme der Spannung in der Brennstoffzelle 12 zu verhindern.
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Das Oxidationsgassystem des Brennstoffzellensystems 10 weist eine Oxidationsgaszuführleitung 54 auf, deren Funktion es ist, ein Oxidationsgas zu einer Kathode der Brennstoffzelle 12 zu transportieren und dieser zuzuführen, und eine Oxidationsgasabführleitung 56, deren Funktion es ist, das aus der Kathode der Brennstoffzelle 12 abgeführte Oxidationsgas zu transportieren.
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Die Funktion der Oxidationsgaszuführvorrichtung 18 ist es, ein Oxidationsgas, wie z. B. komprimierte Luft, zuzuführen, und sie ist mit der Oxidationsgaszuführleitung 54 verbunden. Die Oxidationsgaszuführvorrichtung 18 weist beispielsweise ein Luftfilter 58, das einen in der Luft enthaltenen Staub oder dergleichen entfernt, der aus der Atmosphäre aufgenommen wird, und eine Pumpe oder einen Luftkompressor 60 auf, der durch einen Elektromotor angetrieben wird und dessen Funktion es ist, als eine Pumpeinheit zum Fordern der Luft zu dienen.
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Eine Befeuchtungseinrichtung 62 ist mit der Oxidationsgaszuführleitung 54 und der Oxidationsgasabführleitung 56 verbunden, ist zwischen der Oxidationsgaszuführvorrichtung 18 und der Brennstoffzelle 12 angeordnet, und es ist deren Funktion, eine Feuchtigkeit zwischen dem Oxidationsgas, das sich aufgrund des durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 12 erzeugten Produktwassers in einem hochfeuchten Zustand befindet, und dem Oxidationsgas auszutauschen, das einen Zustand geringer Feuchtigkeit aufweist und aus der Atmosphäre aufgenommen wird. Durch die Befeuchtungseinrichtung 62 kann das Oxidationsgas, das sich in einem Zustand geringer Feuchtigkeit befindet und aus der Atmosphäre aufgenommen wird, befeuchtet werden.
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Ein Druckeinstellungsventil 64 für ein Oxidationsgas ist auf der Oxidationsgaszuführleitung 54 oder auf der Oxidationsgasabführleitung 56 angeordnet, und es ist dessen Funktion, den Druck des Oxidationsgases in der Kathode einzustellen. Als das Druckeinstellungsventil 64 für das Oxidationsgas kann ein elektromagnetisches Ventil oder dergleichen verwendet werden, das allgemein zum Einstellen eines Drucks eines Gases, wie z. B. Luft, verwendet wird. Auf der Oxidationsgaszuführleitung 54 oder auf der Oxidationsgasabführleitung 56 ist ein Drucksensor 66 oder dergleichen angeordnet, der einen Druck des Oxidationsgases erfasst. Das Oxidationsgas, das in der Oxidationsgasabführleitung 56 strömt, wird z. B. durch einen Gas-Flüssigkeits-Separator oder einen Schalldämpfer nach außerhalb des Fahrzeugs abgeführt.
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Die Funktion eines Außenlufttemperatursensors 68 ist es, als Temperaturmesseinheit zu dienen, die eine Temperatur der Außenluft misst, und dieser Sensor 68 ist in dem Brennstoffzellensystem 10 angeordnet. Als der Außenlufttemperatursensor 68 kann beispielsweise ein Thermoelement oder dergleichen verwendet werden. Daten über die Außenlufttemperatur, die durch den Außenlufttemperatursensor 68 gemessen werden, werden an die Steuerung 20 weitergeleitet.
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Die Steuerung 20 ist als ein Microcomputer konstruiert, der darin eine CPU, einen RAM und einen ROM aufweist, und sie führt eine Steuerung von Betriebsabläufen verschiedener Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 gemäß einem in dem ROM gespeicherten Programm aus. Die Steuerung 20 empfängt Sensorsignale von den Temperatursensoren, die in den verschiedenen Leitungen angeordnet sind, wie z. B. dem Kühlwassertemperatursensor 26, dem Brenngastemperatursensor 44 und dem Außenlufttemperatursensor 68, und von den Drucksensoren 38, 48 und 66, und treibt Elektromotoren an, um die Drehzahl von jeweils der Kühlwasserpumpe 24, der Brenngaspumpe 42 und dem Luftkompressor 60 etc. gemäß dem Betriebszustand (beispielsweise einer Betriebslast) der Brennstoffzelle 12 einzustellen. Die Steuerung 20 steuert ferner die Öffnung und Schließung verschiedener Ventile, wie dem Kühlwasserumschaltventil 28, und stellt den Öffnungsgrad dieser Ventile ein. Die Steuerung 20 ist beispielsweise durch ein Stromkabel oder ähnliches (nicht gezeigt) mit den Pumpen, den Sensoren, wie z. B. dem Temperatursensor und dem Drucksensor, und Ventilen, wie z. B. dem Schaltventil, verbunden.
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Anschließend erfolgt eine Beschreibung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10.
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Nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, wird das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas durch die Brenngaspumpe 42 gefordert und einem Trocknungsvorgang unterzogen. Zunächst wird das von der Brenngaszuführvorrichtung 16 zugeführte Brenngas in der Brenngaszuführleitung 30 transportiert und der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas wird in der Brenngasumwälzleitung 32 transportiert, durch die Brenngaspumpe 42 gefördert und der Brenngaszuführleitung 30 wieder zugeführt. Weil das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas eine Feuchtigkeit, wie z. B. einen in der Umwälzleitung 32 oder in den auf der Brenngasumwälzleitung 32 angeordneten Ventilen oder ähnlichem verbliebenen Wasserdampf absorbiert, werden die Brenngasumwälzleitung 32 oder die auf der Brenngasumwälzleitung 32 angeordneten Ventile oder ähnliches einem Trocknungsvorgang unterzogen.
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Die Steuerung 20 empfängt die Kühlwassertemperaturdaten, die von dem Kühlwassertemperatursensor 26 gesendet bzw. weitergeleitet werden, und die Brenngastemperaturdaten, die von dem Brenngastemperatursensor 44 gesendet bzw. weitergeleitet werden, und vergleicht die Kühlwassertemperatur mit der Brenngastemperatur. Wenn die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlwassers höher ist als die Temperatur des aus der Brenngaspumpe 42 abgeführten Brenngases, bestimmt die Steuerung 20, dass die Brennstoffzellentemperatur höher ist als die Brenngaspumpentemperatur.
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Wenn die Brennstoffzellentemperatur höher ist als die Brenngaspumpentemperatur, steuert die Steuerung 20 die Kühlwasserpumpe 24 an. Weil das Kühlwasser durch die Kühlwasserpumpe 24 gefördert und der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, wird die Brennstoffzelle 12 gekühlt und die Brennstoffzellentemperatur gesenkt. Die Kühlwasserpumpe 24 wird vorzugsweise mit einer höheren Elektromotordrehzahl angetrieben als der während des Betriebs der Brennstoffzelle 12. Die Umwälzung des Kühlwassers kann bei einer derartigen Konfiguration beschleunigt werden, und die Kühlrate der Brennstoffzelle 12 beschleunigt werden.
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Die Steuerung 20 schaltet vorzugsweise das Kühlwasserschaltventil 28 auf die Seite der Kühleinrichtung 14 um, so dass das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser zur Kühleinrichtung 14 strömt. Weil das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Kühlwasser durch die Kühleinrichtung 14 gekühlt wird, kann die Kühlrate der Brennstoffzelle 12 erhöht werden. Dabei wird vorzugsweise das Gebläse der Kühleinrichtung 14 betätigt, und mit einer derartigen Konfiguration kann die Kühlrate der Brennstoffzelle 12 noch weiter erhöht werden.
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Die Brenngaspumpe 42 wird vorzugsweise mit einer höheren Elektromotordrehzahl als der während des Betriebs der Brennstoffzelle 12 angetrieben. Mit einer derartigen Konfiguration wird die Brenngaspumpe 42 durch die abgeführte Wärme des Elektromotors oder dergleichen erwärmt, und folglich wird verhindert, dass die Brenngaspumpentemperatur abnimmt.
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Weil die Brennstoffzelle 12 durch das Kühlwasser gekühlt wird, wird die Brennstoffzellentemperatur auf eine niedrigere Temperatur als die Brenngaspumpentemperatur gesenkt. Mit einer solchen Konfiguration kommt es in Bezug auf das feuchtigkeitshaltige Brenngas, das durch die Brennstoffzelle 12, die Brenngaszuführleitung 30 und die Brenngasumwälzleitung 32 umgewälzt wird, zu einer Kondensation der Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12, und die Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe 42 wird somit verhindert.
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Nachdem die Brennstoffzellentemperatur auf eine niedrigere Temperatur als die Brenngaspumpentemperatur abgenommen hat und die Brennstoffzellentemperatur beispielsweise auf eine Temperatur nahe der Außenlufttemperatur, die durch den Außenlufttemperatursensor 68 gemessen wird, gesunken ist, wird die Kühlwasserpumpe 24 durch die Steuerung 20 gesteuert und in den Betriebsstillstand versetzt. Weil die Brennstoffzellentemperatur niedriger ist als die Brenngaspumpentemperatur, kondensiert die in dem aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Brenngas enthaltene Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12, und die Kondensation in der Brenngaspumpe 42 wird somit verhindert.
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An dieser Stelle ist es zu bevorzugen, die Kühlwasserpumpe 24 in den Betriebsstillstand zu versetzen, während die Brenngaspumpe 42 angetrieben wird. Dies hat den Grund, dass durch Antreiben der Brenngaspumpe 42, auch wenn die Kühlwasserpumpe 24 in einen Betriebsstillstand versetzt worden ist, die Brenngaspumpentemperatur auf einer höheren Temperatur als der Brennstoffzellentemperatur beibehalten wird, selbst wenn die Brennstoffzellentemperatur aufgrund des Stillstands der Kühlwasserpumpe 24 geringfügig angestiegen ist. Nachdem die Steuerung 20 die Kühlwasserpumpe 24 in einen Betriebsstillstand versetzt hat, wird durch die Steuerung 20 die Brenngaspumpe 42 ebenfalls in einen Betriebsstillstand versetzt.
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In der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird ein Fall beschrieben, in dem die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, wenn die Brennstoffzellentemperatur höher ist als die Brenngaspumpentemperatur, nachdem die Brennstoffzelle 12 in den Betriebsstillstand versetzt worden ist. Alternativ kann die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben und die Brennstoffzelle 12 auch dann gekühlt werden, wenn die Brennstoffzellentemperatur niedriger ist als die Brenngaspumpentemperatur, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist. Indem die Kühlwasserpumpe 24 angesteuert und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, auch wenn die Brennstoffzellentemperatur niedriger ist als die Brenngaspumpentemperatur, kann die Brennstoffzellentemperatur mit erhöhter Sicherheit bei einer niedrigeren Temperatur als der Brenngaspumpentemperatur aufrechterhalten werden.
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2 ist ein Diagramm, das die Veränderungen der Brennstoffzellentemperatur und der Brenngaspumpentemperatur darstellt, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur > die Brenngaspumpentemperatur zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands der Brennstoffzelle 12 ist). 2(A) ist ein Diagramm, das einen Fall darstellt, in dem die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, ohne dass die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird, nachdem die Brennstoffzelle 12 in den Betriebsstillstand versetzt worden ist, und 2(B) ist ein Diagramm, das einen Fall darstellt, in dem die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, nachdem die Brennstoffzelle 12 in den Betriebsstillstand versetzt worden ist. In 2 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, die seit der Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 12 vergangen ist, und die vertikale Achse stellt die Brennstoffzellentemperatur und die Brenngastemperatur dar. Eine auf den Zeitverlauf bezogene Veränderung der Brennstoffzellentemperatur ist durch eine durchgehende Link dargestellt, und eine auf den Zeitverlauf bezogene Veränderung der Brenngaspumpentemperatur ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. 2 zeigt Fälle, in denen die Brennstoffzellentemperatur zum Zeitpunkt des Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 12 höher ist als die Brenngaspumpentemperatur.
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Wird die Brennstoffzelle 12 gekühlt, ohne dass die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, nimmt die Brennstoffzellentemperatur allmählich ab, wie in 2(A) gezeigt ist. Weil die Brennstoffzellentemperatur höher ist als die Brenngaspumpentemperatur, kondensiert die in dem Brenngas enthaltene Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe 24 in einem höheren Ausmaß als in der Brennstoffzelle 12.
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Wenn die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 unterbrochen bzw. in den Stillstand versetzt worden ist, wie in 2(B) gezeigt ist, nimmt die Brennstoffzellentemperatur rascher ab als in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, ohne dass die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird. Aufgrund dessen fällt die Brennstoffzellentemperatur auf eine niedrigere Temperatur ab als die Brenngaspumpentemperatur, und die in dem Brenngas enthaltene Feuchtigkeit kondensiert in der Brennstoffzelle 12. Somit wird die Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe 42 verhindert.
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3 ist ein Diagramm, das Veränderungen bezüglich der Brennstoffzellentemperatur und der Brenngaspumpentemperatur darstellt, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist (wenn die Brennstoffzellentemperatur < die Brenngaspumpentemperatur zum Zeitpunkt des Unterbrechens des Betriebs der Brennstoffzelle 12 ist). 3(A) zeigt einen Fall, in dem die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, ahne dass die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, und 3(B) zeigt einen Fall, in dem die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist. In 3 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, die seit dem Zeitpunkt der Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 12 verstrichen ist, und die vertikale Achse stellt die Brennstoffzellentemperatur und die Brenngaspumpentemperatur dar. Eine auf den Zeitverlauf bezogene Veränderung der Brennstoffzellentemperatur ist mit einer durchgehenden Linie dargestellt, und eine auf den Zeitverlauf bezogene Veränderung der Brenngaspumpentemperatur ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt. 3 zeigt Fälle an, in denen die Brennstoffzellentemperatur zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 12 geringer ist als die Brenngaspumpentemperatur ist.
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Wenn die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, ohne dass die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, nimmt die Brennstoffzellentemperatur allmählich ab, wie in 3(A) gezeigt ist. Weil die Brenngaspumpe 42 allgemein eine geringere Wärmekapazität aufweist als die Brennstoffzelle 12, ist die Kühlgeschwindigkeit der Brenngaspumpe 42 schneller als die Kühlgeschwindigkeit der Brennstoffzelle 12. Aufgrund dessen kann, auch wenn die Brennstoffzellentemperatur geringer ist als die Brenngaspumpentemperatur, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 12 unterbrochen wird, die Brennstoffzellentemperatur die Brenngaspumpentemperatur überschreiten, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem Zeitpunkt der Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 12 verstrichen ist. Folglich kann die in dem Brenngas enthaltene Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe 42 in einem größeren Ausmaß als in der Brennstoffzelle 12 kondensieren.
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Wenn die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben wird und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand worden ist, wie in 3(B) gezeigt ist, nimmt die Brennstoffzellentemperatur rascher ab als in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 12 ohne Antrieb der Kühlwasserpumpe 24 gekühlt wird. Aufgrund dessen kann, auch wenn die Brennstoffzellentemperatur geringer ist als die Brenngaspumpentemperatur, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 12 in den Stillstand versetzt worden ist, die Brennstoffzellentemperatur mit erhöhter Zuverlässigkeit bei einer geringeren Temperatur als der Brenngaspumpentemperatur gehalten werden, indem die Kühlwasserpumpe 24 angetrieben und die Brennstoffzelle 12 gekühlt wird. Bei einer solchen Konfiguration kondensiert die in dem Brenngas enthaltene Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12, und folglich wird die Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe 42 verhindert.
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Indem das Kühlwasser durch die Kühlwasserpumpe gefördert und die Brennstoffzelle gekühlt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle in den Stillstand versetzt worden ist, so dass die Brennstoffzellentemperatur auf eine geringere Temperatur als die Brenngaspumpentemperatur gesenkt wird, kann mit der vorstehend beschriebenen Struktur die Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe verhindert werden, mit der Brenngaspumpe das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas gefördert und der Trocknungsvorgang vorgenommen werden. Weil die Kondensation der Feuchtigkeit in der Brenngaspumpe verhindert wird, kann eine Frostbildung in der Brenngaspumpe verhindert werden, selbst wenn der Betriebsstillstand der Brennstoffzelle für längere Zeit in einer Niedrigtemperaturumgebung fortbesteht.
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Der vorstehend beschriebenen Struktur entsprechend kann, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle in den Stillstand versetzt worden ist, die Brennstoffzellentemperatur mit höherer Zuverlässigkeit auf eine niedrigere Temperatur gesenkt werden als die Brenngaspumpentemperatur, indem der Betrieb der Brenngaspumpe in den Stillstand versetzt wird, nachdem der Betrieb der Kühlwasserpumpe in den Stillstand versetzt worden ist.
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Mit der vorstehend beschriebenen Struktur kann die Brennstoffzelle rascher gekühlt und die Brennstoffzellentemperatur auf eine niedrigere Temperatur gesenkt werden als die Brenngaspumpentemperatur, indem das Kühlwasser, das durch die Kühleinrichtung gekühlt wird, gefördert und die Brennstoffzelle gekühlt wird, nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle in den Stillstand versetzt worden ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist in einer beliebigen Anwendung effektiv, in der eine Brennstoffzelle verwendet wird, und es ist insbesondere in einer Fahrzeug-Brennstoffzelle von Nutzen.