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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Ablassen von Verunreinigungen
in einem Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Elektrizität mittels
einer elektro-chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.
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Beschreibung des nächstkommenden Stands der Technik
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In
den letzten Jahren hat sich die Aufmerksamkeit auf Brennstoffzellen
konzentriert, die Elektrizität
mittels einer elektro-chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff als eine Energiequelle erzeugen. In dieser Art des Brennstoffzellensystems
kann Wasser, wenn die Umgebungstemperatur heruntergeht auf unter
Null, während
das System den Betrieb für
eine Weile anhält,
gefrieren, was in einem Betriebshindernis resultiert. Weiter besteht ebenso
die Möglichkeit,
dass dieses Gefrieren das Brennstoffzellensystem verschlechtern
könnte.
Es ist daher vorzuziehen, das angesammelte Wasser in dem Wasserfänger auf
solch eine Weise abzulassen, dass das Wasser nicht gefriert, wenn
die Temperaturen gering sind.
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In
der
JP 2002-313403
A und die
DE
102 01 893 A1 schlagen einen Wasserfänger vor, um das Wasser zeitweise
anzusammeln und dann das angesammelte Wasser von einer Ablassöffnung des
Wasserfängers
nach außen
abzulassen. Das angesammelte Wasser wird dabei mittels eines Wasser-Niveau-Sensors
in dem Wasserfänger
erfasst. Dabei besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Bereich,
in dem der Wasser-Niveau-Sensor Wasser erfasst, begrenzt ist. Zum
Beispiel besteht die Möglichkeit,
dass der Wasser-Niveau-Sensor nicht dazu imstande ist, das Wasser
zu erfassen, wenn die Quantität
des angesammelten Wassers klein ist. In diesem Fall besteht die
Möglichkeit,
dass das Wasser nicht erfasst werden kann und in dem Wasserfänger verbleibt.
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In
einem anderen Verfahren kann das angesammelte Wasser durch Öffnen der
Ablassöffnung für eine feste
Zeit abgelassen werden. Die Quantität des Wassers, das in dem Wasserfänger angesammelt
ist, hängt
jedoch von den Betriebszuständen
der Brennstoffzelle ab. Als Folge kann die Öffnungszeit der Ablassöffnung,
wenn eine große
Quantität
von angesammelten Wasser vorhanden ist, nicht ausreichen, was darin
resultiert, dass eine wesentliche Quantität von Wasser in dem Wasserfänger zurückbleibt.
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Die
JP 2002-313403 A schlägt dagegen
vor, das angesammelte Wasser, nachdem es mittels des Wasser-Niveau-Sensors
erfasst wurde für
eine vorgegebene Zeit abzugeben, die anhand eines Differenzdrucks
zwischen dem Gasdruck im Wasserfänger
und dem Gasdruck stromabwärts
von der Ablassöffnung
festgelegt wurde.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Technologie bereitzustellen,
die entscheiden kann, ob Wasser in dem Wasserfänger angesammelt ist oder nicht,
unabhängig
von der Quantität
des angesammelten Wassers.
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Die
obige Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
9 gelöst.
Die Unteransprüche
befassen sich mit Weiterbildungen der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen realisiert werden,
solche wie Computerprogramme, die die Funktionen von diesen Verfahren
oder Geräten
ausführen,
Aufzeichnungsmedien, worauf diese Computerprogramme aufgezeichnet werden,
Datensignale, die in Trägerwellen,
die diese Computerprogramme enthalten, eingebettet sind, und Fahrzeuge,
bei welchen ein Brennstoffzellensystem als Antriebsenergiequelle
eingerichtet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 zeigt.
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2(a) und 2(b) zeigen
den Aufbau des Wasserfängers.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das eine Wasserfängersteuerprozedur zeigt.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb des ersten Ablassprozessmodus
zeigt.
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5(a) und 5(b) zeigen
zwei Zustände des
Wasserfängers.
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6 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration
und der Ablasszeit T1 zeigt.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb des zweiten Ablassprozessmodus
zeigt.
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8 ist
ein Flussdiagramm, das eine Wasserfängersteuerprozedur zeigt.
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9 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Entwässerungsprozesses zeigt.
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10 ist
eine erläuternde
schematische Zeichnung, die den Aufbau eines anderen Wasserfängers zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden in folgender Reihenfolge beschrieben
werden.
- A. Erstes Ausführungsbeispiel:
- B. Zweites Ausführungsbeispiel:
- C. Drittes Ausführungsbeispiel:
- D. Viertes Ausführungsbeispiel:
- E. Abwandlungen
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A. Erstes Ausführungsbeispiel:
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A1. Systemaufbau
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 als
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 100 weist
eine Brennstoffzelle 10, einen Wasserstofftank 20,
ein Gebläse 30,
eine Steuereinheit 50, einen Wasserfänger 200 und einen
Drucksensor 90 auf.
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Die
Brennstoffzelle 10 ist von einer Festpolymerelektrolytbauart
und hat einen Stapel von einer Vielzahl von einzelnen Zellen. Jede
einzelne Zelle besteht aus einem Elektrolyt, der zwischen einer Wasserstoffelektrode
(Anode) und einer Sauerstoffelektrode (Kathode) eingesetzt ist.
Eine elektro-chemische Reaktion tritt zwischen einem Treibstoffgas,
das Wasserstoff enthält
und der Anode zugeführt
wird, und einem Sauerstoffgas, das der Kathode zugeführt wird,
auf, wodurch eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. Die elektrische
Energie, die in der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, wird
einem bestimmten Verbraucher zugeführt (nicht in der Zeichnung
gezeigt), der mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Zusätzlich zu
der Festpolymerelektrolytbauart können verschiedene Bauarten
von Brennstoffzellen für die
Brennstoffzelle 10 verwendet werden, solche wie eine der
Alkalisch-Wässrig-Elektrolyt-Bauart,
eine der Phosphorsäuren-Elektrolyt-Bauart
und eine der geschmolzenen Carbonat-Elektrolyt-Bauart.
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Das
Gebläse 30 befördert Luft
als Oxidationsgas zu der Kathodengaseinlassöffnung der Brennstoffzelle 10.
Das Gebläse 30 ist
mit der Kathodengaseinlassöffnung
der Brennstoffzelle 10 durch einen Kathodengaszuführströmungsweg 34 verbunden.
Ein Luftbefeuchter 60 ist in dem Kathodengaszuführströmungsweg 34 angeordnet.
Luft, die durch das Gebläse 30 komprimiert
wurde, wird der Brennstoffzelle 10 zugeführt, nachdem
diese von dem Luftbefeuchter 60 befeuchtet wurde. Ablassgas
von der Kathode, nachdem dieses einer elektro-chemischen Reaktion
unterzogen wurde (nachstehend als Kathodenablassgas bezeichnet)
wird nach außen
durch einen Kathodenablassgasströmungsdurchgang 36 abgelassen.
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Ein
Wasserstofftank 20 sammelt Wasserstoffgas und ist mit der
Anodengaseinlassöffnung
der Brennstoffzelle 10 durch einen Anodengaszuführströmungsweg 24 verbunden.
Eine Regeleinrichtung 22 ist nahe des Wasserstofftanks 20 von
dem Anodengaszuführströmungsweg 24 angeordnet.
Die Regeleinrichtung 22 verringert den Druck des Hochdruckwasserstoffgases,
das von dem Wasserstofftank 20 zu dem Anodengaszuführströmungsweg 24 gefördert wird.
Das Wasserstoffgas mit verringertem Druck wird zu der Anodengaseinlassöffnung der Brennstoffzelle 10 befördert. Der Wert
des verringerten Drucks kann passend in Übereinstimmung mit der Größe der Belastung
auf die Brennstoffzelle 10 festgelegt werden.
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Der
Wasserstofftank 20 kann durch ein Gerät ersetzt werden, das Wasserstoff
mittels eines Nachbildungsprozesses von Rohmaterial, solches wie
Alkohol, Kohlenwasserstoffe und Aldehyd, erzeugt und diesen Wasserstoff
dann zu der Anodengaseinlassöffnung
zuführt.
Das Ablassgas von der Anode wird, nachdem dieses einer elektro-chemischen
Reaktion unterzogen wurde (nachstehend als Anodenablassgas bezeichnet),
von der Brennstoffzelle 10 durch einen Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 (Anodenablassgasdurchflussleitung)
abgelassen. Der Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 ist
mit dem Anodengaszuführströmungsweg 24 an
einer Verbindungsstelle C verbunden. Auf diese Weise bildet der Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 einen
Zirkulationsweg aus, der Anodenablassgas wieder zu dem Anodengaszuführströmungsweg 24 zurückführt.
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Der
Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 ist
mit einer Zirkulationspumpe 28, einem Drucksensor 90 und
einem Wasserfänger 200 ausgestattet.
Die Zirkulationspumpe 28 zirkuliert das Anodenablassgas.
Wasserstoff, der in dem Anodenablassgas enthalten ist, wird verwendet,
um Energie mittels Zirkulieren des Anodenablassgas zu erzeugen.
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Der
Wasserfänger 200 sammelt
Wasser, das in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 vorliegt.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit,
dass das Anodenablassgas Verunreinigungen enthalten kann, anders
als Wasserstoff. Beispiele dieser Verunreinigungen sind Wasserdampf,
der durch eine elektro-chemische Reaktion erzeugt wurde, Stickstoffgas
oder Wasserdampf, der durch die Elektrolytmembran von der Kathodenseite
durchgegangen ist. In dieser Beschreibung beziehen sich die "Verunreinigungen" in dem Anodengaszuführströmungsweg 24 und
dem Anodenablassgasströmungsdurchgang auf
andere Komponenten als Treibstoffgas. Diese Verunreinigungen bleiben
zurück
ohne in der Brennstoffzelle verbraucht zu werden. Folglich steigt
die Konzentration der Verunreinigungen innerhalb des Anodenablassgases
stufenweise über
die Zeit an. Mitunter diesen Verunreinigungen wird das Wasser in dem
Wasserfänger 200 angesammelt.
Der Wasserfänger 200 weist
ein Ablassventil 222 auf, um das angesammelte Wasser aus
dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 abzulassen.
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Wenn
das Ablassventil 222 geöffnet
ist, wenn kein Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, wird Anodenablassgas, das Verunreinigungen, solche wie Stickstoff
oder Wasserdampf enthält,
aus dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 abgelassen,
wodurch die zirkulierende Quantität von Verunreinigungen reduziert
wird. Jedoch wird Wasserstoffgas (oder Treibstoffgas) ebenso zur
gleichen Zeit abgelassen. Darum ist die Verringerung der Ablassquantität des Gases
bevorzugt, um die Treibstoffeffizienz zu verbessern. Im Übrigen besteht
ebenfalls die Möglichkeit,
dass andere Komponenten in das Anodenablassgas als Verunreinigungen
wegen der Verwendung einer Brennstoffzelle einer anderen Bauart
als der Festpolymerelektrolytbauart, oder wegen der Umgebung der
Brennstoffzelle 10 eintreten können.
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Der
Drucksensor 90 misst den Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26.
Der gemessene Druck wird während
eines Ablassprozesses verwendet, um Verunreinigungen in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 durch
das Ablassventil 222 abzulassen, wie später im Detail beschrieben werden
wird. Der Drucksensor 90 muss nicht zwischen dem Wasserfänger 200 und
der Zirkulationspumpe 28 angeordnet sein und kann zwischen der
Zirkulationspumpe 28 und der Brennstoffzelle 10 oder
zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Wasserfänger 200 angeordnet
sein.
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Die
Steuereinheit 50 wird durch einen logischen Kreis dargestellt,
der einen Mikrocomputer hat. Im Einzelnen weist die Steuereinheit 50 eine CPU,
die spezielle Berechnungen gemäß einem Steuerprogramm,
das im Voraus bestimmt ist, ausführt,
einen ROM, der die Steuerprogramme und Steuerdaten sammelt, die
für die
Ausführung
jeden Berechnungsprozesses, der durch die CPU durchgeführt wird,
benötigt
werden, einen RAM, um zeitweise verschiedene Arten von Daten anzusammeln,
die für die
Ausführung
von Abläufen
durch die CPU benötigt werden,
und I/O-Ports auf, wo verschiedene Signale eingegeben und ausgegeben
werden. Die Steuereinheit 50 erlangt ebenso Informationen
bezüglich
der Brennstoffzellenausgabeanforderungen, gibt Antriebsignale zu
jedem Bauteil aus, woraus das Brennstoffzellensystem 100 besteht
(einschließlich
jeden Ventils und dem Gebläse,
die oben beschrieben wurden) und steuert den Gesamtbetriebszustand
des Brennstoffzellensystems 100. Die Steuereinheit 50 fungiert
als eine Ablassventilsteuereinheit 52, die den offenen/geschlossenen
Zustand des Ablassventils 222 steuert und fungiert ebenso
als eine Entscheidungseinheit 54, die entscheidet, ob Wasser
in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, oder nicht. Diese Funktionen werden später im Detail beschrieben werden.
Jede Funktion kann durch eine Software implementiert werden, solch
eine wie ein Steuerprogramm, während
ein Teil oder all die Funktionen durch die Hardware realisiert werden
können.
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2(a) ist ein vertikaler Querschnitt des Wasserfängers 200 in
diesem Ausführungsbeispiel. Der
Wasserfänger 200 weist
einen Zyklontrenner 210 und einen Flüssigkeitsbehälterabschnitt 220 auf.
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2(b) ist ein horizontaler Querschnitt des Zyklontrenners 210.
Der Zyklontrenner fungiert als Gas-Flüssigkeits-Trenner,
der als flüssiges
Wasser Wasserdampf, der in dem eingehenden Gas enthalten ist, sammelt.
Der Zyklontrenner 210 hat einen zylindrischen Aufbau, der
sich in der vertikalen Richtung nach unten erstreckt, wie in 2(a) gezeigt ist. Eine Strömungseinlassöffnung,
die durch einen Kreis 211 angedeutet ist, ist an der Seitenwand
des Zyklontrenners 210 ausgebildet, und ist mit dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 verbunden,
der sich in einer Richtung tangential zu der zylindrischen Wand
erstreckt. Ein Abflussweg 216, der für den Gasabfluss verwendet
wird, ist bei dem Zentrum des Zyklontrenners 210 ausgebildet.
Ein Ende des Abflusswegs 216 hat eine Ausflussöffnung,
die durch einen Kreis 212 in 2(a) angedeutet
wird, wobei das andere Ende mit dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 oben
an dem Zyklontrenner 210 verbunden ist.
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Die
Pfeile 214a~214c der gestrichelten Linien, die
in den 2(a) und 2(b) gezeigt
sind, deuten die Strömung
des Anodenablassgases an, und der Pfeil 218 der durchgezogenen
Linie deutet die Strömung
des Wassers an der Wand an. Während
Anodenablassgas von der Einflussöffnung
einströmt,
die durch einen Kreis 211 angedeutet wird, und entlang
der Wand in dem Zyklontrenner 210 kreist, strömt das Gas
in Richtung der Ausflussöffnung,
die durch den Kreis 212 angedeutet wird. Während dieser
kreisförmigen
Bewegung wird Wasserdampf, der in dem Anodenablassgas enthalten
ist, gegen die Wand gedrückt
und kondensiert an der Wand. Das flüssige Wasser fällt entlang
der Wand nach unten und wird in dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 angesammelt.
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Der
Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 sammelt
das Wasser an, das durch den Zyklontrenner 210 angesammelt
wurde. Das Ablassventil 222 ist an dem Boden des Flüssigkeitsbeckenabschnitts 220 vorgesehen.
Wasser, das in dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 angesammelt
wurde, und Anodenablassgas können
mittels Öffnen
des Ablassventils 222 abgelassen werden.
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A2. Wasserfängersteuerprozess:
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3 ist
ein Flussdiagramm, das eine Wasserfängersteuerprozedur zeigt, die
durch die Ablassventilsteuereinheit 52 und die Entscheidungseinheit 54 der
Steuereinheit 50 (1) ausgeführt wird.
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Die
Ablassventilsteuereinheit 52 beginnt die Zählung der
aufsummierten (bzw. integrierten) Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 10,
nachdem die Zählung
auf 0 in Schritt S100 initialisiert wurde. In Schritt S110 entscheidet
die Ablassventilsteuereinheit 52, ob die Verunreinigungskonzentration
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 höher ist
als eine Referenzkonzentration, oder nicht. Diese Entscheidung wird
basierend auf einem Parameterwert bezüglich der Verunreinigungskonzentration
durchgeführt.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird die aufsummierte Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle,
dessen Zählung
in Schritt S100 begonnen hat, als der Parameterwert bezüglich der
Verunreinigungskonzentration verwendet.
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Die
aufsummierte Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 10 steigt
zusammen mit der aufsummierten Menge der Oxidationsgaszufuhr an. Als
Folge steigt die Quantität
der Verunreinigungen an, die die Elektrolytmembran durchdringt,
zusammen mit dem Anstieg der aufsummierten Energieerzeugungsmenge.
Weiter steigt ebenso die Quantität des
Wasserdampfs, der durch die elektro-chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 erzeugt
wird an, zusammen mit dem Anstieg der aufsummierten Energieerzeugungsmenge.
Folglich kann angenommen werden, dass die Verunreinigungskonzentration (bzw.
Unreinheitskonzentration) ansteigt, wenn die aufsummierte Energieerzeugungsmenge
ansteigt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
entscheidet die Ablassventilsteuereinheit 52, dass die
Verunreinigungskonzentration größer ist
als eine Referenzkonzentration, wenn die aufsummierte Energieerzeugungsmenge,
deren Zählung
bei Schritt S100 begonnen wird, gleich oder größer ist als eine vorbestimmte aufsummierte
Referenzenergieerzeugungsmenge. Wenn eine Entscheidung getroffen
wird, dass die Verunreinigungskonzentration höher ist als der Referenzwert
(Schritt S110: Ja), führt
die Ablassventilsteuereinheit 52 einen Ablassprozess in
Schritt S120 aus, wobei das Ablassventil 222 (1)
geöffnet
ist, um die Verunreinigungen abzulassen (wird später im Detail beschrieben).
Wenn eine Entscheidung getroffen wird, dass die Verunreinigungskonzentration nicht
größer ist
als der Referenzwert (Schritt S110: Nein), wird der Prozess den
Schritt S110 wiederholen, bis eine Entscheidung getroffen wird,
dass die Verunreinigungskonzentration höher ist als der Referenzwert.
Nachdem der Ablassprozess in Schritt S120 abgeschlossen ist, kehrt
der Prozess zu Schritt S100 wieder zurück und beginnt die Zählung der
aufsummierten Energieerzeugungsmenge erneut. Danach wird die Prozedur
der Schritte S100~S120 wiederholt.
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A3. Ablassprozess:
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des ersten Ablassprozessmodus
als ein Beispiel des Ablassprozesses aus Schritt S120 in 3 beschreibt.
Das Ablaufdiagramm von 4 zeigt Änderungen über die Zeit des offenen/geschlossenen
Zustands des Ablassventils 222 (2), Änderungen des
Drucks in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26,
die dem Öffnen/Schließen des
Ablassventils 222 folgen, und Änderungen über die Zeit des Entscheidungsergebnisses
durch die Entscheidungseinheit 54.
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In
dem ersten Ablassprozessmodus, der in 4 gezeigt
ist, wiederholt die Ablassventilsteuereinheit 52 (1)
einen Ablassbetrieb in einer regelmäßigen Zeitspanne T2, während das
Ablassventil 222 (2) für eine feste
Ablasszeit T1 geöffnet
ist.
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Der
Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 ist
bei einem Betriebsdruck Pd1, welcher von der Größe der Belastung auf die Brennstoffzelle
abhängt,
vor dem Ablassprozess (vor dem Zeitpunkt ta). Wenn sich das Ablassventil 222 öffnet, wird
das angesammelte Wasser und/oder das Anodenablassgas durch das Ablassventil 222 abgelassen.
Darum fällt
der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26.
Nachdem das Ablassventil 222 wieder geschlossen ist, wird
der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 wieder
auf den Betriebsdruck Pd1 wegen der Wasserstoffgaszufuhr durch die
Regeleinrichtung 22 (1) hergestellt.
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Der
Ablassbetrieb wird wiederholt an dem Beispiel von 4 ausgeführt. Der
Druckabfall ist relativ gering bei den ersten drei Malen (Ablassbetrieb, der
bei Zeitpunkten ta, tb und tc ausgeführt wurde). Im Gegensatz dazu
ist der Druckabfall relativ groß bei
dem vierten Ablassbetrieb (Ablassbetrieb, der bei Zeitpunkt td ausgeführt wurde).
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5(a) und 5(b) zeigen
zwei Zustände des
Wasserfängers,
wenn das Ablassventil 222 geöffnet ist. 5(a) zeigt den Fall, wenn kein Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, während 5(b) den Fall zeigt, wenn Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist.
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Wie
in 5(a) gezeigt, wird das Anodenablassgas,
wenn das Ablassventil 222 geöffnet ist und wenn kein Wasser
in dem Wasserfänger
angesammelt ist, durch das Ablassventil 222 abgelassen
werden. Als Folge fällt
der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 25 wesentlich.
Im Gegensatz dazu, wie in 5(b) gezeigt,
wird Wasser durch das Ablassventil 222 abgelassen werden, wenn
Wasser in dem Wasserfänger
angesammelt ist. Im Allgemeinen hat eine Flüssigkeit eine höhere Viskosität verglichen
mit einem Gas. Folglich ist das Volumen des Wassers, das abgelassen
wird, bei dem Zustand von 5(b) kleiner
als das Volumen des Anodenablassgases, das von dem Wasserfänger 200 bei
dem Zustand von 5(a) abgelassen wird, wenn das
Ablassventil 222 für
eine feste Dauer geöffnet
ist. Als Folge wird der Druckabfall, wenn Wasser angesammelt ist,
kleiner als derjenige, wenn kein Wasser angesammelt ist.
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Auf
diese Weise ist es möglich
zu entscheiden, dass Wasser in dem Wasserfänger angesammelt ist, wenn
der Druckabfall in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 während des
Ablassbetriebs klein ist. Im Gegensatz dazu ist es möglich, zu entscheiden,
dass kein Wasser angesammelt ist, wenn der Druckabfall genügend groß ist.
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Die
Entscheidungseinheit 54 (1) entscheidet,
ob Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, oder nicht, basierend auf dem Messergebnis des Drucksensors 90. 4 zeigt
einen Gasablassdruck Pth1, der niedriger ist als der Betriebsdruck
Pd1. Der Gasablassdruck Pth1 ist ein Schwellwert, der für die Entscheidung
verwendet wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
entscheidet die Entscheidungseinheit 54, dass Wasser angesammelt
ist, wenn der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26,
der von dem Drucksensor 90 gemessen wird, nicht auf den
Gasablassdruck Pth1 abfällt,
während
die Ablassventilsteuereinheit 52 den Ablassbetrieb ausführt. Im
Gegensatz dazu entscheidet die Entscheidungseinheit 54,
dass kein Wasser angesammelt ist, wenn der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 gleich
dem Gasablassdruck Pth1 ist oder unter diesen fällt. In dem Beispiel von 4 geht
der Druck während
des vierten Ablassbetriebs runter auf den Gasablassdruck Pth1 (Ablassbetrieb,
der zu dem Zeitpunkt td ausgeführt
wurde).
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Es
ist zu bevorzugen, den Gasablassdruck Pth1 niedriger als den niedrigsten
möglichen
Druck des Strömungswegs 26 festzulegen,
welcher während
des Ablassbetriebs erreicht werden kann, wenn Wasser in dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 angesammelt
ist. Weiterhin ist es zu bevorzugen, den Gasablassdruck Pth1 höher als
den niedrigsten möglichen
Druck des Strömungswegs 26 festzulegen, welcher
während
des Ablassbetriebs erreicht werden kann, wenn kein Wasser in dem
Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 angesammelt
ist. Dadurch ist es möglich
zu verhindern, dass der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 auf
den Gasablassdruck Pth1 abfällt,
wenn Wasser in dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220 angesammelt
ist, nämlich wenn
Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist. Im Gegensatz dazu kann der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 verringert werden,
um gleich oder kleiner als der Gasablassdruck Pth1 zu sein, wenn
kein Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist.
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Die
Ablassventilsteuereinheit 52 wiederholt den Ablassbetrieb,
bis die Entscheidungseinheit 54 "eine Entscheidung trifft, dass kein
Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist." Der Ablassbetrieb
wird Wasser ablassen, wenn dieser ausgeführt wird, solange Wasser in
dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist. Deshalb kann das Wasser in dem Wasserfänger 200 zuverlässig durch
die Wiederholung des Ablassbetriebs abgelassen werden, bis die Entscheidung,
dass kein Wasser angesammelt ist, getroffen ist, wodurch verhindert
wird, dass Wasser in dem Wasserfänger 200 verbleibt.
Danach hält
die Ablassventilsteuereinheit 52 die Wiederholung des Ablassbetriebs
an, um den Ablassprozess abzuschließen.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
richtig zu entscheiden, ob Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist oder nicht, unabhängig
von der Quantität
des Wassers, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, nämlich
mittels der Entscheidungseinheit 54, die den Druck in dem
Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 mit
dem Gasablassdruck Pth1 bei dem ersten Ablassprozessmodus vergleicht.
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Es
ist zu bevorzugen, dass die Zeitspanne T2 des Ablassbetriebs (4)
zu einer Zeitspanne festgelegt wird, die ausreichend ist, um den
Druck, der wegen dem Ablassbetrieb abgefallen ist, wieder auf den
ursprünglichen
Druck herzustellen. Wenn ein nachfolgender Ablassbetrieb ausgeführt wird,
bevor der Druck wiederhergestellt wird, besteht die Möglichkeit,
dass der Druck wesentlich abfällt,
unabhängig
davon, ob Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist oder nicht, und eine Entscheidung, dass kein Wasser angesammelt
ist, kann irrtümlich getroffen
werden. Wenn die Zeitspanne T2 ausreichend für die Druckwiederherstellung
ist, kann die irrtümliche
obige Entscheidung vermieden werden. Im Übrigen ist es nicht notwendig,
den Ablassbetrieb bei einer festen Zeitspanne zu wiederholen. Die
Entscheidungseinheit 54 kann Entscheidungen bei jedem Ablassbetrieb
richtig treffen.
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Wie
oben beschrieben, führt
der erste Ablassprozessmodus die Steuerung des Ablassventils 222 aus,
sodass sich dieses für
eine vorbestimmte Ablasszeit T1 bei einem einzelnen Ablassbetrieb öffnet. Folglich
ist es nicht notwendig, den offenen/geschlossenen Zustand des Ablassventils 222 synchron
mit einer extern bereitgestellten Zeiteinteilung zu ändern. Darum
kann die Einstellung der Ablassventilsteuereinheit 52 und
des Ablassventils 222 vereinfacht werden.
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Weiterhin
wird bei dem ersten Ablassprozessmodus das Anodenablassgas durch
das Ablassventil 222 abgelassen, wenn der Druck in dem
Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 auf
ein Niveau fällt,
das gleich oder kleiner als der Gasablassdruck Pth 1 ist. Als Folge
werden Verunreinigungen, die in dem Anodenablassgas enthalten sind,
ebenso abgelassen, wodurch die Zirkulationsquantität von Verunreinigungen
verringert wird. Wenn der erste Ablassprozessmodus auf diese Weise
ausgeführt
wird, können
sowohl Flüssigkeits-
und Gasverunreinigungen abgelassen werden, ohne ein separates Ventil vorzusehen,
um unreines Gas abzulassen, solches wie Stickstoff.
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Da
Wasserstoffgas (Treibstoffgas) ebenso in dem Anodenablassgas enthalten
ist, ist es deshalb vorzuziehen, einen unangemessenen hohen Ablass des
Anodenablassgases von dem Betrachtungspunkt der Treibstoffeffizienz
zu vermeiden. Wenn eine Entscheidung, dass die Verunreinigungskonzentration
hoch ist, in der Wasserfängersteuerprozedur,
die in 3 gezeigt ist, getroffen wird (Schritt S110: JA),
wird der Ablassprozess bei Schritt S120 ausgeführt. Als Folge wird Anodenablassgas
mit einer hohen Verunreinigungskonzentration bei dem Ablassprozess
abgelassen, wodurch ein unangemessen hoher Ablass von Wasserstoffgas
vermieden wird.
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B. Zweites Ausführungsbeispiel:
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In
dem ersten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Ablassquantität des Anodenablassgases
während
des Ablassbetriebs höher
eingestellt werden, wenn die Verunreinigungskonzentration höher wird.
Bei dem ersten Ablassprozessmodus, der in 4 gezeigt
ist, kann die Ablassquantität des
Anodenablassgases durch Einstellen der Ablasszeit T1, wenn das Ablassventil 222 (1, 2) geöffnet
ist, eingestellt werden.
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6 zeigt
ein Beispiel der Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration
und der Ablasszeit T1 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die horizontale
Achse zeigt die Verunreinigungskonzentration zur Zeit des Ablassbetriebs,
und die vertikale Achse zeigt die Ablasszeit T1. Es ist möglich, auf
die Weise einen unangemessen hohen Ablass von Wasserstoffgas zu
vermeiden, dadurch dass die Ablasszeit T1 relativ kurz gemacht wird
und dadurch dass die Ablassquantität des Anodenablassgases relativ klein
gemacht wird, wenn die Verunreinigungskonzentration relativ gering
ist. Weiter ist es ebenso möglich
zu verhindern, dass die Verunreinigungskonzentration größer wird,
dadurch, dass die Ablasszeit T1 relativ lang gemacht wird und dadurch
dass die Ablassquantität
des Anodenablassgases relativ groß gemacht wird, wenn die Verunreinigungskonzentration
relativ hoch ist.
-
Der
Ablassprozess wird ausgeführt,
wenn die Verunreinigungskonzentration höher als ein Referenzwert (Verunreinigungskonzentration
entsprechend einer aufsummierten Referenzenergieerzeugungsmenge)
in der Wasserfängersteuerprozedur wird,
die in 3 gezeigt ist. Folglich ist es möglich, die
Verunreinigungskonzentration effektiv zu verringern, während ein
unangemessen hoher Ablass von Wasserstoffgas durch Einstellung der
Ablasszeit T1, die auf der Verunreinigungskonzentration basiert, vermieden
wird.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
wird es bevorzugt, die Ablassbetriebszeitspanne T2 genügend kurz
festzulegen, dass der Ablassbetrieb wieder beginnt, bevor die Verunreinigungskonzentration
nach dem vorigen Ablassbetrieb höher
als der Referenzwert wird. Die Zeitspanne T2 bei der Wasserfängersteuerprozedur,
die in 3 gezeigt ist, kann auf eine kürzere Zeit festgelegt werden,
als die Zeit, während
welcher die Verunreinigungskonzentration nach dem vorigen Ablassprozess
höher wird
als der Referenzwert. Zum Beispiel kann die Zeitspanne T2 auf eine
Zeit festgelegt werden, die kleiner ist als eine Zeit, während welcher
die Verunreinigungskonzentration wieder auf den Referenzwert kommt,
wenn die Maximalquantität
der Energie, die von der Brennstoffzelle 10 (1)
erzeugt wird, kontinuierlich ausgegeben wird. Dementsprechend ist
es möglich
zu verhindern, dass die Verunreinigungskonzentration zu viel ansteigt,
bevor der Ablassprozess abgeschlossen ist.
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C. Drittes Ausführungsbeispiel:
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb des zweiten Ablaufprozessmodus
als ein anderes Beispiel des Ablassprozesses von Schritt S120 bei
der Wasserfängersteuerprozedur,
die in 3 gezeigt ist, beschreibt. Der Unterschied zu
dem ersten Ablassprozessmodus, der in 4 gezeigt
ist, ist, dass das Ablassventil 222 sich öffnet und
dann schließt
im Ansprechen auf die Entscheidungseinheit 54, die "eine Entscheidung,
das kein Wasser angesammelt ist" bei
dem zweiten Ablassprozessmodus triff.
-
In
dem Beispiel von 7 öffnet die Ablassventilsteuereinheit 52 (1)
das Ablassventil 222 (2, 5) zum Zeitpunkt te. Wasser, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, wird durch das offene Ablassventil 222 entsprechend
abgelassen. Der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 fällt von
einem Betriebsdruck Pd2 um einen relativ kleinen Grad bei dem Ablassen
des Wassers ab. Der Betriebsdruck Pd2 hängt von der Größe der Belastung
auf die Brennstoffzelle ab.
-
Wenn
das Wasser in dem Wasserfänger 200 vollständig abgelassen
ist, beginnt das Anodenablassgas durch das Ablassventil 222 auszutreten. Der
Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 fällt um einen
relativ großen
Grad bei dem Ablassen des Gases.
-
7 zeigt
einen vorbestimmten Gasablassdruck Pth2, der geringer ist als der
Betriebsdruck Pd2. Die Entscheidungseinheit 54 (1)
entscheidet, dass kein Wasser angesammelt ist, wenn der Druck in
dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 gleich
oder kleiner als der Gasablassdruck Pth2 ist.
-
In
dem zweiten Ablassprozessmodus wird es für den Gasablassdruck Pth2 bevorzugt,
dass dieser kleiner festgelegt wird, als der geringsten mögliche Druck,
der erreicht werden kann, wenn die Maximalquantität von Wasser,
die in dem Wasserfänger
angesammelt werden kann, kontinuierlich abgelassen wird. Diese Festlegung
macht es möglich,
dass verhindert wird, dass der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 auf
den Gasablassdruck Pth2 heruntergeht, während Wasser in dem Wasserfänger verbleibt,
wenn das Ablassventil 222 geöffnet ist. Im Gegensatz dazu
wird, wenn der Ablass des Wassers, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, abgeschlossen ist und das Anodenablassgas beginnt auszutreten,
der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 unter
den Gasablassdruck Pth2 heruntergehen. Als Folge kann die Entscheidungseinheit 54 durch
Vergleichen des Drucks in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 und
dem Gasablassdruck Pth2 richtig entscheiden, ob Wasser in dem Wasserfänger 200 vorliegt
oder nicht, unabhängig
von der Quantität
des Wassers, das in dem Wasserfänger
angesammelt ist.
-
Die
Ablassventilsteuereinheit 52 schließt das Ablassventil 222 (Zeitpunkt
tf) und schließt
den Ablassprozess im Ansprechen auf die Entscheidungseinheit 54,
die „eine
Entscheidung trifft, dass kein Wasser angesammelt ist" ab.
-
Bei
dem zweiten Ablassprozessmodus, der oben beschrieben ist, hält die Ablassventilsteuereinheit 52 dass
Ablassventil 222 in einem offenen Zustand aufrecht, bis „eine Entscheidung,
dass kein Wasser angesammelt ist" getroffen
ist und wechselt dann das Ablassventil 222 zu einem geschlossenen Zustand
in Erwiderung auf das Treffen einer "Entscheidung dass kein Wasser angesammelt
ist". Folglich kann
Wasser in dem Wasserfänger 200 zuverlässig abgelassen
werden.
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Wenn
der Druck in dem Anodenströmungsdurchgang 26 auf
den Gasablassdruck Pth2 abfällt, wird
das Anodenablassgas durch das Ablassventil 222 abgelassen
werden. Als Folge werden Verunreinigungen, die in dem Anodenablassgas
enthalten sind, ebenso abgelassen, wodurch die Zirkulationsmenge
von Verunreinigungen verringert wird. Der zweite Ablassprozessmodus
kann Flüssigkeits-
und Gasverunreinigungen ablassen, ohne ein separates Ventil vorzusehen,
um unreines Gas abzulassen, solches wie Stickstoff.
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Es
wird bevorzugt, einen unangemessen hohen Ablass von Anodenablassgas
von dem Betrachtungspunkt der Treibstoffeffizienz zu verhindern. Wenn
der Gasablassdruck Pth2 höher
in dem zweiten Ablassprozessmodus festgelegt wird, kann die Quantität des Gases
verringert werden. In anderen Worten kann die Ablassquantität des Anodenablassgases
durch Einstellen des Gasablassdrucks Pth2 eingestellt werden.
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D. Viertes Ausführungsbeispiel:
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8 ist
ein Flussdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel von einer Wasserfängersteuerprozedur
zeigt. Es gibt zwei Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel der Wasserfängersteuerprozedur,
die in 3 gezeigt ist. Der erste Unterschied ist, dass
der oben beschriebene Ablassprozess ausgeführt wird, wenn die Zirkulationspumpe 28 (1)
nicht in Betrieb ist. Der zweite Unterschied ist, dass ein Entwässerungsprozess
ausgeführt
wird, wenn eine Entscheidung getroffen wurde, dass die Verunreinigungskonzentration
hoch ist, während
die Zirkulationspumpe 28 in Betrieb ist. Hier ist der Entwässerungsprozess
ein Prozess, der Wasser ablässt,
das in dem Wasserfänger 200 angesammelt wurde,
ohne Anodenablassgas abzulassen.
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Die
Möglichkeit,
dass Wasser in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 gefriert, steigt,
wenn das Gas nicht in dem Strömungsweg 26 strömt, oder
wenn das Brennstoffzellensystem 100 nicht in Betrieb ist.
Der Ablassprozess wird deshalb ausgeführt, wenn die Zirkulationspumpe 28 in
diesem Ausführungsbeispiel
nicht in Betrieb ist.
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Die
Ablassventilsteuereinheit 52 beginnt eine Zählung der
aufsummierten Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 10 in
Schritt S200. Dieser Schritt S200 ist der gleiche wie Schritt S100
in 3.
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Die
Steuereinheit erfasst den Betriebszustand der Zirkulationspumpe 28 in
Schritt S210. Wenn die Zirkulationspumpe 28 in Betrieb
ist (Schritt S210: Ja), entscheidet die Steuereinheit, ob die Verunreinigungskonzentration
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 höher ist
als eine Referenzkonzentration oder nicht in Schritt S220. Dieser Schritt
S220 ist der gleiche wie der Schritt S110 in 3, wobei
die Entscheidung gemacht wird als Ergebnis von dem Vergleich zwischen
der aufsummierten Energieerzeugungsmenge, dessen Zählung in Schritt
S200 begonnen wurde, und einer vorbestimmten, aufsummierten Referenzenergieerzeugungsmenge.
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Wenn
eine Entscheidung, dass die Verunreinigungskonzentration höher ist
als die Referenzkonzentration, nicht getroffen wird (Schritt S220:
Nein), kehrt der Prozess wieder zu Schritt S210 zurück.
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Wenn
die Entscheidung, dass die Verunreinigungskonzentration höher ist
als die Referenzkonzentration, getroffen wird (Schritt S220: Ja), öffnet die Ablassventilsteuereinheit 52 das
Ablassventil (1) und führt den Entwässerungsprozess
aus, um das Wasser, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt ist,
zu entwässern
in Schritt S230.
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9 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel des Entwässerungsprozesses in Schritt
S230 in 8 beschreibt. Das Ablaufdiagramm
zeigt Änderungen über die
Zeit des offenen/geschlossenen Zustands des Ablassventils 222 (2) und Änderungen des Drucks in dem
Anodenablassgasströmungsdurchgang 26,
der dem Öffnen/Schließen des
Ablassventils 222 folgt.
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Der
Unterschied zu den Ablassprozesses, die in 4 und 7 gezeigt
sind, ist, dass der Ablass des Wassers, das in dem Wasserfänger 200 (2) angesammelt ist, so ausgeführt wird,
dass das Anodenablassgas nicht abgelassen werden wird. In anderen
Worten ist das Ablassventil 222 (2) geschlossen,
bevor das Wasser, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, vollständig
abgelassen ist.
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In
dem Entwässerungsprozessmodus,
der in 9 gezeigt ist, öffnet die Ablassventilsteuereinheit 52 (1)
das Ablassventil 222 für
eine vorbestimmte Entwässerungszeit
T3.
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Die
Entwässerungszeit
T3 wird so festgelegt, dass diese kürzer wird als die Zeit, um
das Ablassen des Wassers, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, abzuschließen.
Folglich wird das Wasser, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, in diesem Entwässerungsprozess
so abgelassen, dass das Anodenablassgas gänzlich nicht abgelassen wird,
oder nur eine kleine Menge von Anodenablassgas abgelassen wird,
falls welches abgelassen wird. Dieser Entwässerungsprozess setzt den Druck in
dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 von
dem Betriebsdruck Pd3 herab, welcher von der Belastung auf die Brennstoffzelle
abhängt,
aber der Druck wird höher
als der Druck Pth3 aufrecht erhalten, der erreicht werden kann,
wenn das Anodenablassgas abgelassen wird.
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Weiter
ist in der Wasserfängersteuerprozedur,
die in 8 gezeigt ist, die Quantität des Wassers, das in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, in Beziehung stehend mit der Verunreinigungskonzentration in
dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26,
und steht folglich mit der Referenzkonzentration, die in Schritt
S220 verwendet wird, in Beziehung. Deshalb kann die Entwässerungszeit
T3 basierend auf der Referenzkonzentration (oder der aufsummierten
Referenzenergieerzeugungsmenge) festgelegt werden.
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In 8 kehrt
der Prozess wieder zu Schritt S200 zurück, nachdem der Entwässerungsprozess in
Schritt S230 abgeschlossen ist.
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Wenn
die Zirkulationspumpe 28 nicht in Betrieb ist (Schritt
S210: Nein), kann der Ablassprozess in Schritt S240 ausgeführt werden.
Dieser Ablassprozess in Schritt S240 ist der gleiche wie in Schritt
S120 von 3, wobei das Wasser, das in
dem Wasserfänger 200 angesammelt
wird, entsprechend zuverlässig
abgelassen wird. Der Ablassprozess kann bei dem ersten Modus, der
in 4 gezeigt ist, oder bei dem zweiten Modus, der
in 7 gezeigt ist, ausgeführt werden.
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In
dem oben beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel wird ein Ablassprozess,
wenn die Zirkulationspumpe 28 nicht in Betrieb ist, ausgeführt, um
zuverlässig
das angesammelte Wasser abzulassen. Dies verhindert das Gefrieren
des Wassers in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26, während das
Brennstoffzellensystem 100 nicht in Betrieb ist. Wenn die
Zirkulationspumpe 28 nicht in Betrieb ist, wird der Entwässerungsprozess,
der kein Anodenablassgas ablässt,
andererseits ausgeführt, wodurch
der Ablass des Wasserstoffgases verringert und die Treibstoffeffizienz
verbessert wird.
-
Im Übrigen kann
eine hohe Konzentration von Verunreinigungen in dem Anodengas (solch
eines wie Stickstoff) manchmal die Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 bestimmen.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, ein anderes Gasablassventil (nicht
gezeigt) in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 separat
von dem Wasserfänger 200 bereitzustellen.
Durch Öffnen
des zusätzlichen
Gasablassventils, um das Anodenablassgas abzulassen, wenn die Verunreinigungskonzentration
steigt, ist es möglich,
einen unangemessen hohen Anstieg der Verunreinigungskonzentration
in dem Anodengas, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird,
zu verhindern.
-
E. Abgewandelte Beispiele:
-
E1. Abgewandeltes Beispiel 1:
-
Für den Parameterwert,
der mit der Verunreinigungskonzentration in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 in
Beziehung steht, können
verschiedene Parameterwerte, anders als die aufsummierte Energieerzeugungsmenge
der Brennstoffzelle 10, verwendet werden. Zum Beispiel
können
eine verstrichene Zeit von dem letzten Ablassprozess oder die aufsummierte
Energieerzeugungszeit der Brennstoffzelle 10 als der Parameterwert
verwendet werden, der mit der Verunreinigungskonzentration in Beziehung
steht, wobei die Verunreinigungskonzentration aus dem Parameterwert
geschätzt
werden kann. Weiter kann die Verunreinigungskonzentration ebenso
direkt gemessen werden, wenn ein Stickstoffkonzentrationssensor
oder ein ähnliches
Gerät verwendet
wird.
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E2. Abgewandeltes Beispiel 2:
-
In
Ausführungsbeispielen,
wie in 4 und in 7 gezeigt
sind, wird die Entscheidung, ob Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist oder nicht, leichtfertig getroffen, da diese durch Vergleichen
des Drucks in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 mit
dem vorbestimmten Gasablassdruck Pth1 oder Pth2 getroffen wird.
Verschiedene andere Verfahren können
für die
Entscheidung verwendet werden, andere als das Vergleichen zwischen
dem Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 und
dem Gasablassdruck Pth1, Pth2. Zum Beispiel ist es möglich, zu
entscheiden, dass das Wasser nicht angesammelt ist, wenn der Druck
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 sich
in einem relativ großen
Verhältnis ändert, während das
Ablassventil 222 offen ist, und zu entscheiden, dass Wasser
in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist, wenn sich der Druck zu einem relativ kleinen Verhältnis ändert. Kurz
gesagt ist es möglich,
richtig zu entscheiden, ob Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist oder nicht, unabhängig
von der Quantität
des angesammelten Wassers, mittels dem Treffen der Entscheidung,
die auf einer Druckänderung
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 basiert,
während
das Ablassventil 222 offen gehalten wird.
-
E3. Abgewandeltes Beispiel 3:
-
In
dem Ausführungsbeispiel
des Ablassprozesses, der in 4 gezeigt
ist, kann der Prozess, nachdem „die Entscheidung, dass kein
Wasser in dem Wasserfänger 200 angesammelt
ist" getroffen wird,
verändert
werden in Anbetracht der Quantität des
Anodenablassgases, das abgelassen werden soll.
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Zum
Beispiel wird hier angenommen, dass der Gasablassdruck Pth1 so festgelegt
wird, dass genügend
Verunreinigungen ohne einen unangemessen hohen Ablass des Wasserstoffgases
abgelassen werden, solange bis der Druck in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 den
Druck Pth1 erreicht. Wenn eine Entscheidung, dass kein Wasser angesammelt
ist, getroffen wird, die diesen Gasablassdruck Pth1 verwendet, kann
ein unangemessen hoher Ablass des Wasserstoffgases durch Schließen des
Ventils verhindert werden, sogar bevor die Ablasszeit T1 verstreicht.
-
Alternativ
wird angenommen, dass der Gasablassdruck Pth1 so festgelegt wird,
dass genügend Verunreinigungen
ohne einen unangemessen hohen Ablass von Wasserstoffgas abgelassen
werden, wenn das Ventil für
eine feste Zeit T4 offen gehalten wird, sogar nachdem der Druck
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 den
Druck Pth1 erreicht.
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In
diesem Fall wird das Ventil für
eine feste Zeit T4 offen gehalten, sogar nachdem die Ablasszeit T1
verstrichen ist, wodurch genügend
Verunreinigungen abgelassen werden, während ein unangemessen hoher
Ablass des Wasserstoffgases vermieden wird. Wenn die feste Zeit
T4 so festgelegt wird, dass diese gleich der Ablasszeit T1 ist,
bedeutet das, dass der Ablassbetrieb sich einmal mehr wiederholt,
nachdem eine Entscheidung getroffen wurde, dass kein Wasser angesammelt
ist. Dies vereinfacht die Steuerung des Ablassventils 222,
um Verunreinigungen abzulassen, während ein unangemessen hoher
Ablass des Wasserstoffgases vermieden wird.
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E4. Abgewandeltes Beispiel 4:
-
Das
Ausführungsbeispiel,
das in 2 gezeigt ist, verwendet den
Wasserfänger 200,
der den Zyklontrenner 210 hat, als ein Gas-Flüssigkeits-Trenner.
Verschiedene andere Geräte
und Verfahren können
als Gas-Flüssigkeits-Trenner
beziehungsweise zur Gas-Flüssigkeitstrennung
verwendet werden. Exemplarisch kühlt
und kondensiert ein Gerät
oder ein Verfahren Wasserdampf in dem Anodenablassgas und sammelt
das Wasser.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein System anwendbar, das einen Wasserfänger hat,
der nicht mit einer Gas-Flüssigkeitstrennungsfunktion
ausgerüstet
ist. 10 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein
Beispiel eines Wasserfängers
zeigt, der nicht mit einer Gas-Flüssigkeitstrennungsfunktion
ausgerüstet ist.
Der Unterschied zu dem Wasserfänger 200,
der in 2 gezeigt ist, ist, dass der
Zyklontrenner 210 nicht bereitgestellt ist. Der Wasserfänger 200a,
der in 10 gezeigt ist, ist mit einem
Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220a ausgerüstet und
ein Ablassventil 222a ist an dem Boden des Flüssigkeitsbeckenabschnitts 220a vorgesehen.
Der Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220a ist
mit dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 verbunden.
Wasser, das in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 kondensiert
und zu dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220a strömt oder
Wasser, das in dem Wasserfänger 200 kondensiert,
sammelt sich in dem Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220a an.
Mit dieser Art von Flüssigkeitsbeckenabschnitt 220a kann
das angesammelte Wasser zuverlässig
durch Ausführen
eines Ablassprozesses abgelassen werden, der auf Druckänderungen
in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 basiert.
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E5. Abgewandeltes Beispiel 5:
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Obwohl
in dem Ausführungsbeispiel
des Wasserfängersteuerprozesses,
der in 8 gezeigt ist, in Schritt S210 entsprechend des
Betriebszustandes der Zirkulationspumpe 28 entschieden
wird, welcher der Prozesse, der Ablassprozess von Schritt S240 oder
der Entwässerungsprozess
von Schritt S230, auszuführen
ist, ist es ebenso möglich,
verschiedene andere Verfahren zu verwenden. Zum Beispiel kann der
Ablassprozess ausgeführt
werden, während
die Brennstoffzelle 10 Energie erzeugt, und der Entwässerungsprozess
kann ausgeführt
werden, während
die Energieerzeugung angehalten ist. Für beide Fälle ist es vorzuziehen, zu
entscheiden, ob das Brennstoffzellensystem 10 in einem
speziellen Betriebszustand ist oder nicht, der die Temperatur der
Brennstoffzelle 10 oder des Anodenablassgasströmungsdurchgangs
leicht, entsprechend der Umgebungstemperatur abfallen lässt und
es ist weiter zu bevorzugen, einen Ablassprozess auszuführen, um zuverlässig das
angesammelte Wasser abzulassen, wenn das System in einem speziellen
Betriebszustand ist. Wenn das Brennstoffzellensystem 100 bei einer
niedrigen Temperatur unter der Gefriertemperatur gelassen wird,
wird das Ausführen
der obigen Aktionen es ermöglichen,
das Gefrieren des Wassers in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 zu verhindern,
und den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 aufrecht
zu erhalten.
-
E6. Abgewandeltes Beispiel 6:
-
In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
besteht die Möglichkeit,
wenn der Flächenbereich
des Wassers, das in dem Wasserfänger
angesammelt ist, wobei der Flächenbereich
des Wassers Kontakt mit dem Anodenablassgas herstellt, groß ist, dass
die Fläche
des Wassers sich wegen der Strömung
des Gases in dem Wasserfänger
wellt und der Unterschied der Druckmessungen in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 wird
entsprechend größer. Folglich
ist es zu bevorzugen, dass der Flächenbereich des Wassers (Flächenbereich
SW1 in dem Beispiel von 2(a)),
das in dem Wasserfänger
angesammelt ist, klein ist. Speziell ist es zu bevorzugen, dass
der Flächenbereich 20 mal
oder weniger eines Querschnittsbereichs ist (Flächenbereich SF1a, SF1b in dem
Beispiel von 2(a)), der nahe zu der Verbindungsstelle
des Anodenablassgasströmungsdurchgangs 26 und
dem Wasserfänger 200 liegt.
Es ist im Besonderen zu bevorzugen, dass der Flächenbereich 10 mal
oder kleiner und optimal 5 mal oder kleiner im Querschnittsbereich
ist. Diese Einstellung lässt
eine präzise
Messung des Drucks in dem Anodenablassgasströmungsdurchgang 26 zu.
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E7. Abgewandeltes Beispiel 7:
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Obwohl
das Brennstoffzellensystem die Rückführung des
Anodenablassgases von der Brennstoffzelle 10 in den obigen
Ausführungsbeispielen
verwendet, ist die vorliegende Erfindung ebenso bei einem Brennstoffzellensystem
mit einer Einstellung anwendbar, das Anodenablassgas ablässt, ohne
dieses zu rückzuführen. Weiter
kann ein anderer Wasserfänger
in dem Kathodenablassgasströmungsdurchgang 36 angeordnet
sein, um Wasser in dem Kathodenablassgasströmungsdurchgang 36 abzulassen.
Weiter kann ein Wasserfänger
ebenso an dem Anodengaszuführströmungsweg 24 und/oder
an dem Kathodengaszuführströmungsweg 34 angeordnet
sein, um das angesammelte Wasser abzulassen. Im Allgemeinen kann
ein Wasserfänger für das Ablassen
von Wasser in einem Gasströmungsdurchgang
angeordnet sein, wo Wasser angesammelt werden könnte; dies wird verhindern,
dass Wasser in dem Gasströmungsdurchgang
gefriert. Es ist ebenso möglich,
richtig zu entscheiden, ob Wasser in dem Wasserfänger angesammelt ist oder nicht, unabhängig von
der Quantität
des angesammelten Wassers durch Ausführung der Entscheidung, die
auf der Druckänderung
in dem Gasströmungsdurchgang basiert.
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Ein
Wasserfänger,
der ein Ablassventil hat, ist in einem Gasströmungsdurchgang eines Brennstoffzellensystems
angeordnet. Es wird entschieden, ob Wasser in dem Wasserfänger angesammelt
ist, oder nicht, basierend auf der Druckänderung in dem Gasströmungsdurchgang,
wenn das Ablassventil offen gehalten wird.