DE102006019077B4

DE102006019077B4 - Verfahren zur Steuerung der elektrischen Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102006019077B4
Application number: DE102006019077A
Authority: DE
Inventors: Hidehiko Kariya Hiramatsu; Takeshi Kariya Yamamoto; Shingo Kariya Morishima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019077A1; JP2006310000A; US20060246330A1; JP4752317B2

Abstract

Verfahren zur Steuerung der elektrischen Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellensystem aufweisend:
eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung bei einer chemischen Reaktion durch Kombination von Brennstoffgas und Sauerstoffgas;
eine Brennstoffgasversorgungsleitung, durch welche das Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
eine Abgaszirkulationsleitung, durch welche ein Auslass der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist, wobei die Abgaszirkulationsleitung von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßenes Abgas der Brennstoffgasversorgungsleitung bereitstellt, um dem Brennstoffgas das Abgas beizumischen;
eine Abgaszirkulationseinrichtung, zur Zirkulation des Abgases durch die Abgaszirkulationsleitung; und
eine Zirkulationsverhältniseinrichtung, zur Einstellung eines Zirkulationsverhältnisses eines Molflusses des Brennstoffgases, welches durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömt, zu einem Molfluss des Abgases, welches durch die Abgaszirkulationsleitung strömt, durch Steuern von zumindest einem der Brennstoffgasflussmenge und der Abgasflussmenge,
umfassend die Schritte:
Zuführen des von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßenen Abgases zu der Brennstoffgasversorgungsleitung durch die Abgaszirkulationsleitung, Beimischen des Abgases zu dem Brennstoffgas und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle (FC-Stack bzw. FC-Stapel) ausgestattet ist und in der Lage ist, in einer elektrochemischen Reaktion durch Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie zu erzeugen, und betrifft insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle als elektrische Leistungsquelle bzw. Stromquelle ausgestattet ist, das in geeigneter Weise auf bewegliche Körper, wie beispielsweise Automobile, elektrische Fahrzeuge, Seefahrzeuge, tragbare Stromgeneratoren, Kleingeneratoren für den Hausgebrauch, und andere mobile Vorrichtungen, anwendbar ist.
2. Beschreibung des Standes des Technik
Während eines Stopps bzw. einer Unterbrechung des Betriebs einer Brennstoffzelle ist es aus Gründen der Sicherheit, der Haltbarkeit der Elektrolytmembran und so weiter, vorzuziehen, ein Wasserstoffelektrodenende (oder ein Brennstoffelektrodenende) in einer Brennstoffzelle mit Luft oder einem inaktivem Gas zu füllen. Ferner verursacht das außer Betrieb halten der Brennstoffzelle für einen langen Zeitraum, dass das Wasserstoffelektrodenende (oder das Brennstoffelektrodenende) in der Brennstoffzelle mit Luft gefüllt wird, die durch die Elektrolymembran von der Luftelektrode in der Brennstoffzelle strömt, selbst wenn das Wasserstoffelektrodenende in der Brennstoffzelle nicht durch Luft ersetzt wurde. Demgemäß ist es notwendig, um die Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu beginnen, die in das Wasserstoffelektrodenende eingefüllte Luft schnell durch Wasserstoffgas zu ersetzen.
Um eine solche Anforderung zu lösen, ist in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. JP 2003-157875 A eine folgende, herkömmliche Art offenbart. Bei einem Brennstoffzellensystem, in welchem ein von einer Wasserstoffelektrode ausgestoßenes Abgas von einem Ejektor zirkuliert wird, wird ein Brennstoffgas zum Startzeitpunkt der Brennstoffzelle in einen Bereich geliefert, bei dem im Ejektor ein Rückfluß oder Rückströmen auftritt, um das Gas durch ein Entlüftungsventil auszustoßen und das Gas in der Zirkulationsleitung durch Wasserstoff zu ersetzen.
In einer anderen offengelegten japanische Patentschrift Nr. JP 2003-331888 A ist die folgende, herkömmliche Art offenbart. Ein Wasserstoff-Austauschventil mit einer größeren Öffnungsgröße als die eines Entlüftungsventils wird an einer Abgaszirkulationsleitung montiert, durch welche das von der Wasserstoffelektrode ausgegebene Abgas strömt und zirkuliert. Das Wasserstoff-Austauschventil ist beim Start der Brennstoffzelle geöffnet, um eine Versorgungsmenge bzw. Zufuhrmenge mit Wasserstoff konstant zu halten, und das Wasserstoffgas wird während der Zufuhr von Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle auch durch das Wasserstoff-Austauschventil entladen.
Diese in den offengelegten japanischen Patenschriften JP 2003-157875 A und JP 2003-331888 A offenbarten herkömmlichen Arten und Technologien haben jedoch einen Nachteil oder ein Problem, in dem Wasserstoffgas in einer hohen Konzentration aus der Brennstoffzelle an die Außenseite der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems ausgestoßen bzw. abgegeben wird, wenn die Brennstoffzelle unmittelbar nach einer zeitweiligen Unterbrechung der Brennstoffzelle wieder gestartet wird, da die hohe Konzentration des Wasserstoffgases weiterhin in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle verbleibt. Die führt zu einem Sicherheitsproblem.
DE 10 2004 049 165 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches ein kombiniertes Injektor/Ejektor-System umfasst. Der Druck eines Wasserstoffgases, das in das Brennstoffzellensystem durch den Injektor injiziert wird, wirkt als eine Pumpe, die ein Anodenabgas, das von dem Ejektor geführt wird, zurück in das Brennstoffzellensystem zieht. Die jeweiligen Gase mischen sihc zusammen in der Nähe des Ejektors vor einer Einführung zurück in das Brennstoffzellensystem. Eine Drucksteuereinheit kann vorgesehen sein, um den Druck des Wasserstoffgases, das auf den Injektor aufgebracht wird, zu steuern und damit das Anodenabgas effektiver zu ziehen. Auf diese Art und Weise wird der Bedarf nach einer separaten Pumpe für den Ejektor der für diesen Betriebsablauf erforderlichen Energie beseitigt oder zumindest verringert, wodurch der Gesamtenergiewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems gesteigert wird.
US 5,441,821 A zeigt ein elektrochemisches Brennstoffzellensystem mit einem geregelten Vakuumejektor für die Zirkulation des Fluidbrennstoffstroms. Dabei enthält das System einen Brennstoffzellenstapel, eine unter Druck stehende Brennstoffversorgung mit einem Drucksteuerventil zum Regulieren des Drucks der Brennstoffversorgung, einen Vakuumejektor, der zwischen der Brennstoffversorgung und dem Stapelbrennstoffstromeinlass angeordnet ist, einen Druckwandler der zwischen dem Ejektorentladungsauslass und dem Stapelbrennstoffstromeinlass angeordnet ist, sowie eine unter Druck stehende Oxidationsmittelversorgung mit einem Druckwandler. Der Ejektorsaugeinlass ist mit dem Brennstoffstromauslass des Brennstoffzellenstapels zur Durchleitung des Fluids verbunden. Der Brennstoffstromdruckwandler überträgt ein Signal des Drucksteuerventils, um den Druck der Brennstoffversorgung einzustellen, wenn der erfasste Druck des Brennstoffstroms von einem vorbestimmten Wert abweicht. Der Oxidationsmittelstromdruckwandler übermittelt ein Signal des Drucksteuerventils, um den Druck der Brennstoffversorgung einzustellen, wenn der erfasste Druck des Oxidationsmittelstroms sich ändert. Das System ist lastfolgend, um einen gleichförmigen Brennstoffstromdruck sowie ein Zirkulationsverhältnis über den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Das System erhält ebenso das Gleichgewicht zwischen dem Druck des Brennstoffstroms und dem Druck des Oxidationsmittelstroms aufrecht.
DE 102 51 878 B4 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffkreislauf, welches eine mit Brennstoff und mit einem Oxidationsmittel gespeiste Brennstoffzelle, welche die elektrische Energie erzeugt; einen Brennstoffzufuhrkanal für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle; einen Brennstoffzirkulationskanal, welcher aus der Brennstoffzelle abgeführten unverbrauchten Brennstoff in den Brennstoffzufuhrkanal zurückführt; eine Brennstoffpumpe, die den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und ausstößt; und einen Ejektor, der unter Nutzung von durch die Brennstoffströmung entstehendem Unterdruck den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und eine Einmischung dieses unverbrauchten Brennnstoffs in den Brennstoff, der anchließend in die Brennstoffzelle geleitet wird, bewirkt, umfasst.
US 7,105,243 B2 offenbart ein Brennstoffzellensystem das dem genauen Steuern eines Versorgungsdrucks des Brennstoffs dient. Dabei wird ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, welches einen Abgasumlaufmechanismus enthält, der zum Mischen des aus der Brennstoffzelle abgezogenen Abgases mit einem Wasserstoffgas gemischt wird, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll. Der Abgasumlaufmechanismus wird durch eine Ejektorvakuumpumpe implementiert, welche einen Bereich ihres Auslasses davon steuert, um einen Ausgangsdruck in Übereinstimmung mit einem Solldruck zu bringen. Die Verwendung eines solchen Typs von Ejektorvakuumpumpen stellt eine gewünschte Geanuigkeit des Umlaufs des Abgases sicher und dient der Regulation des Drucks des Brennstoffs, der der Brennstoffzelle zugeführt werden soll.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes, mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes, Brennstoffzellensystem bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem in der Lage ist, ein Ausstoßen von verbleibenden Gasen in einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle an die Außenseite des Brennstoffzellensystems beim Starten der Stromerzeugung des Brennstoffzellensystems zu verhindern, und das in der Lage ist, ein Brennstoffgas an die Brennstoffzelle zu liefern, um die Brennstoffzelle in einen Bereitschaftszustand zur Stromerzeugung zu versetzten.
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen wird, nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Brennstoffgasversorgungsleitung, einer Abgaszirkulationsleitung, einer Abgaszirkluationseinrichtung und einer Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung bereitgestellt. Die Brennstoffzelle ist konfiguriert, um elektrische Erzeugungerzeugung in einer elektrochemischen Reaktion durch Kombination von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu erzeugen. Die Brennstoffgasversorgungsleitung ist mit einem Einlaß der Brennstoffzelle verbunden. Durch die Brennstoffgasversorgungsleitung wird die Brennstoffzelle mit Brennstoffgas versorgt. Die Abgaszirkulationsleitung verbindet einen Auslaß der Brennstoffzelle mit der Brennstoffgasversorgungsleitung. Durch den Auslaß der Brennstoffzelle wird ein Abgas ein einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle entlüftet bzw. ausgestoßen (exhausted). Die Abgaszirkulationseinrichtung ist konfiguriert, um das Abgas von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zur Brennstoffgasversorgungsleitung zu zirkulieren. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung ist konfiguriert, um ein Zirkulationsverhältnis eines Molflußes des Brennstoffgases zu einem Molfluß des Abgases durch Steuern von zumindest einem von einer Brennstoffgasflussmenge und einer Abgasflussmenge einzustellen, so dass das Zirkulationsverhältnis während einer Vorbehandlung (pre-process) für die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle auf ein vorbestimmtes Zirkulationsverhältnis gesetzt wird, um alles Restgas, das in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle verblieben ist, vor dem Start der Vorbehandlung auszustoßen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Brennstoffgasversorgungsleitung, einer Abgaszirkulationsleitung, einer Abgaszirkulationseinheit und einer Zirkulationsverhältniseinstelleinheit bereitgestellt. Bei dem Brennstoffzellensystem ist die Brennstoffzelle konfiguriert, um elektrische Leistungserzeugung in einer elektrochemischen Reaktion durch Kombination von Brennstoffgas und Sauerstoffgas zu erzeugen. Durch die Brennstoffgasversorgungsleitung wird die Brennstoffzelle mit Brennstoffgas versorgt. Die Abgaszirkulationsleitung, durch welche ein Auslaß der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist, ist konfiguriert, um von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßenes Abgas für die Brennstoffgasversorgungsleitung bereitzustellen, um das Abgas dem Brennstoffgas beizumischen. Die Abgaszirkulationseinheit ist konfiguriert, um das Abgas durch die Abgaszirkulationsleitung zu zirkulieren. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinheit ist konfiguriert, um ein Zirkluationsverhältnis eines Molflußes des durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömenden Brennstoffgases zu einem Molfluß des durch die Abgaszirkulationsleitung strömenden Abgases durch Steuern von zumindest einem der Brennstoffgasflussmenge und der Abgasflussmenge einzustellen. Bei dem Brennstoffzellensystem wird das von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßene Abgas durch die Abgaszirkulationsleitung zur Brennstoffgasversorgungsleitung geliefert, wird dem Brennstoffgas beigemischt und der Brennstoffzelle zugeführt. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinheit ist konfiguriert, um vor dem Starten der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle eine Vorbehandlung auszuführen, bei welcher das Brennstoffgas der Brennstoffzelle zugeführt wird, so dass das Zirkulationsverhältnis auf ein vorbestimmtes Zirkulationsverhältnis eingestellt wird. Eine Untergrenze des vorbestimmten Zirkulationsverhältnisses wird auf einen Wert eingestellt, bei dem alles verbleibende Gas in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch Zufuhr von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle ausgestoßen werden kann, bevor die Stromerzeugung der Brennstoffzelle gestartet wird.
Gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung ist es möglich, anfängliches Gas bzw. Anfangsgas in der Brennstoffelektrode (beispielsweise der Wasserstoffelektrode) der Brennstoffzelle durch das Brennstoffgas (beispielsweise Wasserstoffgas) zu ersetzen, indem das Anfangsgas, das in der Brennstoffelektrode vor der Vorbehandlung enthalten war, über die Abgaszirkulationsleitung zirkuliert wird, und indem die Emission bzw. der Ausstoß des Anfangsgases, beispielsweise stickstoffreiches Gas, an die Außenseite des Brennstoffzellensystems verhindert wird. Es ist dadurch möglich, die Stromerzeugung der Brennstoffzelle in kurzer Zeit zu starten. Dies kann verhindern, dass das Brennstoffgas, unmittelbar auf eine zeitweilige Unterbrechung der Stromerzeugung folgend, an die Außenseite des Brennstoffzellensystems ausgestoßen wird, selbst wenn das Brennstoffgas in der Brennstoffelektrode gehalten wird.
Der untere Wert bzw. die Untergrenze des vorbestimmten Bereichs des Zirkulationsverhältnisses wird auf einen Wert eingestellt, bei dem alle Gase in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle aus der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch Einbringen des Brennstoffgases in die Brennstoffzelle vor Beginn der Vorbehandlung für die Stromerzeugung ausgestoßen werden. Dies kann eine instabile Stromerzeugung verhindern, die durch die Anwesenheit des verbleibenden Anfangsgases in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle vor Beginn der Stromerzeugung verursacht wird.
Die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses wird basierend auf einem Volumen der Brennstoffgasversorgungsleitung einschließlich eines Volumens der Brennstoffelektrode in der Brennstoffzelle und eines Versorgungsdrucks bzw. Zufuhrdrucks des in die Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffgases wenn die Vorbehandlung beginnt, bestimmt.
Ferner wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ausführen einer Vorbehandlung zur Stromerzeugung in einem mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Verfahren weist die Schritte Ausführen einer Vorbehandlung vor Beginn der üblichen Stromerzeugung der Brennstoffzelle, und dann Ausführen der üblichen Stromerzeugung nach Vollendung der Vorbehandlung auf. Bei der Vorbehandlung werden von einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle abgegebenes Abgas und an das Brennstoffgas zu liefernde Brennstoffgas gemischt, und das gemischte Gas wird in einem vorbestimmten Zirkulationsverhältnis der Brennstoffzelle zugeführt, während zumindest eine von einer Flussmenge des Brennstoffgases und einer Flussmenge des Abgases gesteuert werden. Bei dem Verfahren ist das Zirkulationsverhältnis ein Verhältnis eines Molflußes des Brennstoffgases zu einem Molfluß Abgases, um alles Restgas in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zu entlüften, das vor Beginn der Vorbehandlung verblieben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte, nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung, die einen Gasfluss in einer Wasserstoffversorgungsleitung, die in mehrere Leitungen für Zelleinheiten aufgeteilt ist, welche die Brennstoffzelle bilden, und eine Abgaszirkulationsleitung im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
3 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einem Einbringungsdruck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffgases und einer Untergrenze eines Zirkulationsverhältnisses B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
4 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Düsenöffnung einer Ejektorpumpe oder eines Ejektors und eines Zirkulationsverhältnisses B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
5 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Zusammensetzung von gemischtem Gas, das aus zwei Gasen, Wasserstoffgas und Stickstoffgas, besteht, und einem Koeffizienten der Viskosität der gemischten Gases im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
6 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einem Primärdruck einer Ejektorpumpe und einem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
8 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Düsenöffnung und einem Primärdruck einer Ejektorpumpe, und eine Beziehung zwischen dem Primärdruck der Ejektorpumpe und einem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
9 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Öffnungszeit der Düsenöffnung einer Ejektorpumpe und einer Öffnungszeit eines an einem Bypass montierten Sperrventils im Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform darstellt;
11 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
14 eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt
15 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einem Einbringungsdruck des einer Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffgases und einer Untergrenze eines Zirkluationsverhältnisses B/A des Wasserstoffgases im Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform darstellt; und
16 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Düsenöffnung einer Düse und einem Primärdruck einer Ejektorpumpe, sowie eine Beziehung zwischen dem Primärdruck der Ejektorpumpe und einem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder ähnliche Bestandteile durchgehend in den einzelnen Schaubildern.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration, ein Betrieb und Merkmale des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
1 zeigt die Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle (FC-Stack) 10 auf, die in einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 speist die erzeugte elektrische Energie in einen an einem Fahrzeug angebrachten Motor, eine Sekundärbatterie sowie zusätzliche elektrische Ausrüstung (in den Figuren weggelassen).
In einem Fall der ersten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 10 eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), in der eine Mehrzahl von Zelleinheiten in einer Mehrschichtanordnung laminiert und gestapelt ist. Jede Zelleinheit hat eine Konfiguration, bei welcher eine Elektrolytmembran zwischen einem Paar Separatoren liegt. Jede Zelle erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie. Wasserstoffelektrode: H₂ → 2H⁺ + 2e^–, und Sauerstoffelektrode: 2H⁺ + ½O₂ + 2e^– → H₂O.
Ein herkömmliches Brennstoffzellensystem ist mit einer Luftversorgungsleitung 20, durch welche die Brennstoffzelle 10 mit Luft (Sauerstoff) versorgt wird, und einer Luftabgasleitung 21, durch welche Luft aus der Brennstoffzelle 10 an die Außenseite des Brennstoffzellensystems ausgestoßen wird, ausgestattet.
Die Luftversorgungsleitung 20 ist mit einer Luftversorgungsvorrichtung 22 ausgestattet, die Luft verdichtet und die verdichtete Luft der Brennstoffzelle 10 zuführt. Bei dieser Ausführungsform wird die Luftversorgungseinrichtung 22 beispielsweise als ein Kompressor ausgeführt. Die Luftabgasleitung 21 ist mit einem Gegendruckventil 23 ausgestattet, das in der Lage ist, einen Luftdruck der Brennstoffzelle 10 durch Einstellen bzw. Anpassen eines Strömungsquerschnittsbereichs (flow sectional area) der Luftabgasleitung 21 zu regulieren.
Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform ist ferner mit Wasserstoffversorgungsleitungen 30 und 31 sowie mit einer Abgaszirkulationsleitung 32 ausgestattet. Durch die Wasserstoffversorgungsleitungen 30 und 31 wird Wasserstoffgas als Brennstoffgas von einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Durch die Abgaszirkulationsleitung 32 wird Abgas, das restliches bzw. übriges Wasserstoffgas enthält, das nicht während der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 10 reagiert hat, zirkuliert und erneut der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
Die Abgaszirkulationsleitung 32 verbindet das Auslassende der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 mit den Wasserstoffversorgungsleitungen 30 und 31. Die Wasserstoffversorgungsleitungen 30 und 31 sind in zwei Leitungen aufgeteilt, beispielsweise die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 am stromaufwärtigen Ende und die zweite Wasserstoffversorgungsleitung 31 am stromabwärtigen Ende der Wasserstoffversorgungsleitung. Es fließt nur Wasserstoff, der von der Wasserstoffversorgungseinrichtung 33 (oder einem Wasserstofftank) geliefert wird, durch die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30.
Das Wasserstoffgas, das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 geliefert wird, und das durch die Abgaszirkulationsleitung 32 zirkulierende Abgas fließen durch die zweite Wasserstoffversorgungsleitung 31 in die Brennstoffzelle 10.
Die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 ist mit der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 und einem Druckregulierungsmechanismus 34 ausgestattet oder verbunden. Bei dieser Ausführungsform wird ein Hochdruck-Wasserstofftank, der mit Hochdruck-Wasserstoffgas gefüllt ist, als Wasserstoffversorgungseinrichtung 33 verwendet. Der Druckregulierungsmechanismus 34 hat ein Druckregulierungsventil zum Regulieren des Drucks des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll. Bei dieser Ausführungsform ist der Druckregulierungsmechanismus 34 in der Lage, Wasserstoff mit einem Versorgungsdruck bzw. Zuführdruck (supply pressure) von 300 kPa abs für die Brennstoffzelle 10 durch eine Ejektorpumpe 35 bereitzustellen.
Diese Ejektorpumpe 35 ist an einer Verbindungsstelle der Wasserstoffversorgungsleitung 30, der Wasserstoffversorgungsleitung 31 und der Abgaszirkulationsleitung 32 installiert, um das Abgas, welches durch die Abgaszirkulationsleitung 32 strömt, zu der Brennstoffzelle 10 zu zirkulieren. Die Ejektorpumpe 35 stößt das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 gelieferte Wasserstoffgas mir einer hohen Geschwindigkeit aus, um einen negativen Druck zu erzeugen. Der erzeugte negative Druck saugt das von der Abgaszirkulationsleitung 32 gelieferte Abgas an. Die Ejektorpumpe 35 mischt das Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 und das Abgas von der Abgaszirkulationsleitung 32 und führt das aus Wasserstoffgas und Abgas gemischte Gas der zweiten Wasserstoffleitung zu, welche mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Die Ejektorpumpe 35 ist in der Lage, die Menge des Abgaszirkulationsflusses durch Ändern der Menge des Wasserstoffgases einzustellen, der durch Einstellen der Düsenöffnung oder des Versorgungsdruckes (als primärer Druck der Ejektorpumpe 35) des an die Ejektorpumpe 35 zu liefernden Wasserstoffgases verändert wird. Die Ejektorpumpe 35 im Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform ist konfiguriert, um die Menge des durch die Abgaszirkulationsleitung 32 strömenden Abgases durch Einstellen der Düsenöffnung mittels eines Aktuators (in den Zeichnungen weggelassen) einzustellen.
Wie in 1 dargestellt, ist die Abgaszirkulationsleitung 32 mit einem Absaug- bzw. Entlüftungsventil 36 ausgestattet, durch welches das zu zirkulierende Abgas aus dem Brennstoffzellensystem nach Außen abgegeben wird. verunreinigte bzw. unreine Materialien wie beispielsweise Stickstoff, werden im Gas im Wasserstoffelektrodenende der Brennstoffzelle 10 im Verlauf des Betriebs der Brennstoffzelle 10 angesammelt. Dies erhöht die Konzentration der Verunreinigungen im Abgas, das von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, und verringert dadurch die Wasserstoffkonzentration im Gas. Um dieses Phänomen zu verhindern, öffnet das Entlüftungsventil 36 zu einem optionalen Zeitpunkt während des Betriebs der Brennstoffzelle 10, um einen Teil des Abgases mit niedriger Wasserstoffkonzentration aus dem Brennstoffzellensystem nach außen abzugeben.
Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform ist ferner mit einer Steuervorrichtung 50 (oder einer Steuerung) ausgestattet, welche unterschiedliche arithmetische Prozesse ausführt und Steuersignale erzeugt und ausgibt. Die Steuervorrichtung 50 weist einen handelsüblichen Mikrocomputer und Peripherschaltungen auf. Der Mikrocomputer wird üblicherweise von einem Prozessor (CPU), einem Read-Only-Memory (ROM), einem Random-Access-Memory (RAM) und so weiter ausgebildet. Die Steuervorrichtung 50 ist konfiguriert, um Steuersignale zu erzeugen und an die Ejektorpumpe 35 auszugeben. Die Ejektorpumpe 35 empfängt die Steuersignale, welche von der Steuervorrichtung 50 übermittelt werden, und stellt ihre Düsenöffnung basierend auf den Steuersignalen ein, um die Menge des durch die Abgaszirkulationsleitung 32 strömenden Gases einzustellen. Die Steuervorrichtung 50 erzeugt ferner Steuersignale (in den Zeichnungen weggelassen) und gibt diese an eine Luftversorgungsvorrichtung 22, ein Gegendruckventil 23, die Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33, das Absaug- bzw. Entlüftungsventil 36 und an andere Konfigurationsbestandteile (in den Zeichnungen weggelassen) im Brennstoffzellensystem aus. Diese Bestandteile sind konfiguriert um basierend auf den von der Steuervorrichtung 50 übermittelten Steuersignalen zu arbeiten.
Bei dem Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform entsprechen die Ejektorpumpe 35 und die Steuervorrichtung 50 einer in den Ansprüchen definierten Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung.
Nachfolgend wird der Betrieb einer Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung, welche den Gasfluss in den Wasserstoffversorgungsleitungen 30 und 31 sowie der Abgaszirkulationsleitung 32 im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Wie in 2 gezeigt, weist die Brennstoffzelle 10 eine Mehrzahl von laminierten Zelleinheiten 100 auf, im allgemeinen etwa 100 bis 400 Zelleinheiten. Das Brennstoffgas (oder Wasserstoffgas), welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, wird in jede Zelleinheit 100 verzweigt oder aufgeteilt.
Da Luft (als stickstoffreiches Gas oder Anfangsgas) mit Atmosphärendruck in die Wasserstoffelektrode während einer Unterbrechung des Betriebs der Brennstoffzelle 10 gefüllt wird, ist es, um die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle wieder zu starten, notwendig, die Luft (als Anfangsgas) auszustoßen und die Wasserstoffelektrode mit dem Wasserstoffgas zu füllen, um die Luft (oder das Anfangsgas) durch das Wasserstoffgas (oder das Brennstoffgas) zu ersetzen. Demgemäß führt das Brennstoffzellensystem in der ersten Ausführungsform die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung aus, um das Anfangsgas (oder das stickstoffreiche Gas) am Wasserstoffelektrodenende der Brennstoffzelle 10 durch Zuführen des Wasserstoffgases durch die Wasserstoffzuführleitungen bzw. -versorgungsleitungen 30 und 31 zur Brennstoffzelle 10 auszustoßen.
Das aus der Brennstoffzelle 10 in der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung ausgestoßene stickstoffreiche Gas strömt durch die Abgaszirkulationsleitung 32 und erreicht die zweite Wasserstoffversorgungsleitung 31, welche mit dem Einlass der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Das stickstoffreiche Gas wird dadurch mit dem Wasserstoffgas gemischt, welches von der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 zugeführt wird, und dann der Brennstoffzelle 10 durch die Elektropumpe 35 zugeführt. Das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird derart gesteuert, dass ein Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt wird, beispielsweise innerhalb von 0,2 bis 1,0 in der ersten Ausführungsform, wobei A ein Molfluß des in der zweiten Wasserversorgungsleitung 31 strömenden Gases ist, und B ein Molfluß des in der Abgaszirkulationsleitung 32 strömenden Gases ist.
Nachfolgend wird die untere Grenze bzw. Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A erklärt.
Wenn das Zirkulationsverhältnis B/A einen kleinen Wert einnimmt, wird die Menge des Zirkulationsflusses des Abgases, welches durch die Abgaszirkulationsleitung 32 strömt, ungenügend, und die Menge des Ausstoßes an stickstoffreichen Gas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 wird ungenügend. Dies verursacht das restliche stickstoffreiche Gas in den peripheren Bereichen der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10. Dies verursacht ferner, dass ungenügend gemischtes Gas den Zelleinheiten 100 zugeführt wird, in welchen das restliche stickstoffreiche Gas weiterhin verbleibt. Als ein Ergebnis weist die Zelleinheit 100 ungenügend Wasserstoffgas und das verbleibende stickstoffreiche Gas auf. Beim Start der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle unter dieser Bedingung führt das Brennstoffzellensystem eine instabile elektrische Erzeugung aus, aufgrund des ungenügenden Wasserstoffgases in der Zelleinheit 100. Um die instabile elektrische Erzeugung zu vermeiden, ist es notwendig, alles restliche stickstoffreiche Gas in der Brennstoffzelle auszustoßen, wenn das Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 10 zu Beginn der elektrischen Erzeugung in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Daher wird die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A auf ein Zirkulationsverhältnis festgesetzt bzw. eingestellt, bei welchem die gesamte Menge des stickstoffreichen Gases in der Wasserstoffelektrode vor Start der elektrischen Erzeugung in der Brennstoffzelle 10 vollständig ausgestoßen wird. In einem konkreten Beispiel wird die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A basierend auf einem Volumen der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31, einem Volumen der Abgaszirkulationsleitung 32 und einem Versorgungsdruck des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 10 beim Start der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, bestimmt, wobei das Volumen der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 durch dicke schräge Linien in 2 dargestellt wird, das Volumen umfasst nämlich sowohl das Volumen des Krümmers am Wasserstoffeinlassende (oder dem Einlass) der Brennstoffzelle 10 und das Volumen der Wasserstoffelektrode. Das Volumen der Abgaszirkulationsleitung 32 wird durch die dünnen schrägen Linien in 2 dargestellt, das Volumen umfasst nämlich das Volumen des Krümmers des Wasserstoffauslassendes der Brennstoffzelle 10.
Wenn das Volumen der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 größer als das der Abgaszirkulationsleitung 32 ist, ist es notwendig, ein großes Zirkulationsverhältnis B/A zu wählen, da der Ausstoß einer großen Menge von Gas aus dem Wasserstoffelektrodenende der Brennstoffzelle 10 notwendig ist. Im Gegensatz dazu ist es, wenn das Volumen der Wasserstoffversorgungsleitung 31 kleiner ist als das der Abgaszirkulationsleitung 32, notwendig, ein kleines Zirkulationsverhältnis B/A zu wählen, da der Ausstoß einer kleinen Menge von Gas aus den Wasserstoffelektrodenende der Brennstoffzelle 10 notwendig ist.
3 zeigt ein Schaltbild, das eine Beziehung zwischen einem Eingangsdruck bzw. Einbringungsdruck des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, und der Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 zeigt einen Fall, bei dem das Volumen des Volumens der Mischgasversorgungsleitung 31 (nämlich der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31) einschließlich des Volumens der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 fünf Liter ist (5 Liter) und das Volumen der Abgaszirkulationsleitung 32 0,3 Liter ist. Bei dem in 3 dargestellten Fall wird das zu Beginn des Betriebs der Brennstoffzelle 10 notwendige Zirkulationsverhältnis B/A etwa 0,5 wenn der Wasserstoffeingangsdruck 200 kPa·abs ist, und das notwendige Zirkulationsverhältnis B/A wird etwa 0,2 wenn der Druck 300 kPa·abs ist.
Nachfolgend wird die obere Grenze bzw. Obergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A im Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform beschrieben.
Falls das Zirkulationsverhältnis B/A ein größerer Wert ist, wird die Menge des stickstoffreichen Gases, welches von der Wasserelektrode der Brennstoffzelle 10, aus gestoßen wird, groß, als ein Ergebnis wird die Stickstoffkonzentration im Mischgas, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt, hoch, und im Gegensatz dazu wird die Wasserstoffkonzentration davon niedrig. Dies verursacht eine instabile elektrische Erzeugung aufgrund der ungenügenden Menge an Wasserstoffgas.
Um dies zu vermeiden, wird die Obergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A basierend auf der Wasserstoffkonzentration bestimmt, die benötigt ist, um eine stabile elektrische Erzeugung in der Brennstoffzelle 10 auszuführen. Beispielsweise wird die Obergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A eins, wenn die Wasserstoffkonzentration, welches zum Ausführen der stabilen elektrischen Erzeugung notwendig ist, einen Wert annimmt, der nicht weniger als 50 Prozent des gemischtes Gases bzw. Mischgases entspricht, welches von der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 zugeführt werden soll.
Nachfolgend wird die Einstellweise des Zirkulationsverhältnisses B/A im Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Ejektorpumpe 35 ist in der Lage, die Menge des in der Abgaszirkulationsleitung 32 strömenden Gases durch Verändern ihrer Düsenöffnung einzustellen, selbst wenn der Wasserstoffdruck (als Primärdruck der Ejektorpumpe 35), welcher durch die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 strömt, vom Druckregulierungsmechanismus 34 konstant ist. Es ist möglich, das Zirkulationsverhältnis B/A durch Ändern der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 anzupassen.
4 zeigt eine Beziehung zwischen der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 und dem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 4 dargestellt, nimmt die Ejektorpumpe 35 im Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform das Zirkulationsverhältnis B/A von 1 unter der Bedingung an, dass die Düsenöffnung 20 Prozent ist, und nimmt das Zirkulationsverhältnis B/A von 0,2 unter der Bedingung an, dass die Düsenöffnung 50 Prozent ist. Demgemäß ist es möglich, das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb von 0,2 bis 1 einzustel len, wenn die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 innerhalb von 20 bis 50 Prozent eingestellt ist.
Beim Anfangszustand vor dem Starten der Brennstoffzelle 10 werden die Wasserstoffversorgungsleitung 31 und die Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 mit Luft gefüllt, welche Atmosphärendruck hat. Bei der ersten Ausführungsform wird die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 auf 40 Prozent gestellt, bei der Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10, und das Wasserstoffgas wird dann von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 35 zur Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 zugeführt, bis die Wasserstoffkonzentration nicht geringer als 50 Prozent wird, und der Wasserstoffdruck nicht weniger als 300 kPa·abs wird. Diese Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10 wird für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeführt. Diese vorbestimmte Zeitdauer ist die Zeit bis der Druck des der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Wasserstoffgases einen Anfangsversorgungsdruck erreicht. Das bedeutet, die vorbestimmte Zeitdauer wird basierend auf der Versorgungsmenge des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, dem Volumen der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31, welches durch die dicken schrägen Linien in 2 dargestellt wird, und dem Volumen der Abgaszirkulationsleitung 32, welches durch die dünnen schrägen Linien in 2 dargestellt wird, bestimmt. Nach Verstreichen der vorbestimmten Zeitdauer, gezählt von Beginn der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung, beginnt die Brennstoffzelle 10 mit dem elektrischen Erzeugungsbetrieb.
Wie vorstehend beschrieben, ist es durch Ausführung der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung basierend auf dem Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vor dem Starten der Brennstoffzelle 10 möglich, das Anfangsgas, welches beispielsweise aus stickstoffreichem Gas gebildet wird, aus der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 auszustoßen, und dieses vollständig durch Wasserstoffgas zu ersetzen, um die Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten. Gemäß dem Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform wird verbleibendes bzw. Restanfangsgas, welches beispielsweise aus stickstoffreichem Gas gebildet wird, in der Was serstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 nicht aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ausgestoßen, wenn das Restgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch Wasserstoffgas ersetzt wird. Daher ist es, selbst wenn das Restanfangsgas das Wasserstoffgas in der Wasserstoffelektrode enthält, unmittelbar auf eine zeitweilige Unterbrechung der elektrischen Erzeugung folgend möglich, zu verhindern, dass Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellensystem nach außen geliefert wird.
Ferner wird, gemäß der ersten Ausführungsform, durch Setzen des Zirkulationsverhältnisses B/A innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, etwa 0,2 bis 1,0 beim Start der Brennstoffzelle 10, das stickstoffreiche Gas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen (nicht aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ausgestoßen) und dann mit dem Wasserstoffgas vermischt und das gemischte Gas wird der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Daher wird das Anfangsgas, welches das stickstoffreiche Gas enthält, in der ersten Ausführungsform nicht aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ausgestoßen, sondern wird aus der Wasserstoffelektrode zur Abgaszirkulationsleitung 32 ausgestoßen und mit dem von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführten Wasserstoffgas gemischt. Als ein Ergebnis erhöht dies den Viskositätskoeffizienten des gemischten Gases, welches aus Wasserstoffgas und Stickstoffgas besteht, und fördert das Ausstoßen des Stickstoffgases in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10. Dieses Merkmal wird nachfolgend erklärt.
5 zeigt eine Beziehung einer Zusammensetzung des gemischten Gases, welches aus Wasserstoffgas und Stickstoffgas besteht, und dem Koeffizienten der Viskosität bzw. Viskositätskoeffizienten des gemischten Gases in dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform.
Im allgemeinen ist die Viskosität von Stickstoff in etwa doppelt so groß wie die von Wasserstoff. Da ein Druckverlust einer laminaren Strömung in einer Strömungsleitung proportional zu einer Viskosität des Gasflusses bzw. der Gasströmung ist, wird der Druckverlust, wenn die Zelleinheit 100 hauptsächlich Stickstoff enthält, in etwa doppelt so groß wie der Druckverlust für den Fall, dass die Zelleinheit 100 hauptsächlich Was serstoff enthält. Die Menge an Gasfluss in jede Zelleinheit, welche hauptsächlich Wasserstoff enthält, wird in etwa zwei mal so groß wie die in jede Zelleinheit, welche hauptsächlich Stickstoff enthält. Demgemäß strömt das gemischte Gas hauptsächlich in die Zelleinheit 100, welche wasserstoffreiches Gas mit einer hohen Konzentration an Wasserstoff enthält.
Zu Beginn der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10 wird das Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 10 eingebracht, und die Zelleinheiten 100 in der Nähe des Einlassendes des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle 10 werden zuerst mit dem gemischten Gas gefüllt. Wenn das gemischte Gas das Wasserstoffgas mit hoher Konzentration enthält, strömt das gemischte Gas hauptsächlich in die Zelleinheiten 100 in der Nähe des Einlassendes der Brennstoffzelle 10. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, das stickstoffreiche Gas mit dem Wasserstoffgas in den Zelleinheiten 100 zu ersetzen, welche vom Einlassende der Brennstoffzelle 10 entfernt sind. Dies verursacht, dass jede Zelleinheit 100 eine unterschiedliche Wasserstoffkonzentration hat, mit anderen Worten, die Variation der Wasserstoffkonzentration tritt zwischen den Zelleinheiten 100 auf.
Um dieses Phänomen zu vermeiden, wird, gemäß dem Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, beim Starten bzw. zu Beginn der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10, das Zirkulationsverhältnis B/A auf einen Bereich innerhalb von etwa 0,2 bis 1,0 eingestellt, und die Geschwindigkeit des gemischten Gases, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, wird hoch, da das Wasserstoffgas mit dem Stickstoffgas gemischt wird. Dadurch wird die Geschwindigkeit des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Mischgases in etwa gleich der Geschwindigkeit des stickstoffreichen Gases in der Wasserstoffelektrode zu Beginn oder bei einem Neustart der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10. Als ein Ergebnis wird das gemischte Gas allen Zelleinheiten 100 in der Nähe und ebenso entfernt vom Einlass der Brennstoffzelle 10 zugeführt, und eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffgases an die Zelleinheiten 100 kann erreicht werden, und jede Zelleinheit 100 hat die gleiche Wasserstoffkonzentration.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben.
6 zeigt eine schematische Darstellung, welche das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform zeigt. Bei der zweiten Ausführungsform hat die Ejektorpumpe 35 eine feste Düsenöffnung und, der Druckregulierungsmechanismus 34 hat im Gegensatz dazu ein einstellbares Ventil, dessen Öffnung verändert wird, um den Versorgungsdruck des Wasserstoffgases zu regulieren. Der Druckregulierungsmechanismus 34 ist konfiguriert um den Wasserstoffversorgungsdruck in einem Bereich von 100 bis 500 kPa·abs zu regulieren. Das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform reguliert die Menge des Abgases, welches durch die Abgaszirkulationsleitung 32 strömt, durch Ändern des Versorgungsdrucks (als den primären Druck der Ejektorpumpe 35) des Wasserstoffgases, welches vom Druckregulierungsmechanismus 34 der Ejektorpumpe 35 zugeführt wird. Sowohl der Druckregulierungsmechanismus 34 als auch die Ejektorpumpe 35 entsprechen einer in den Ansprüchen definierten Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung.
Wie in 6 dargestellt ist, ist ein Sperrventil 37 zwischen dem Druckregulierungsmechanismus 34 und der Ejektorpumpe 35 an der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 montiert. Das Sperrventil 37 ist konfiguriert, um die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 zu öffnen und zu schließen. Ferner ist bei der Konfiguration der zweiten Ausführungsform ein Drucksensor 38 an der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 angebracht und konfiguriert, um den Druck des durch die zweite Wasserstoffversorgungsleitung 31 strömenden Gases zu erfassen. Es ist auch akzeptabel, den Drucksensor 38 an die Abgaszirkulationsleitung 32 anstelle der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 zu montieren.
Die Steuervorrichtung 50 ist konfiguriert, um ein Messsignal, welches vom Drucksensor 38 übermittelt wurde, einzugeben, und um ferner Steuersignale zu erzeu gen und sowohl an den Druckregulierungsmechanismus 34 als auch an das Sperrventil 37 auszugeben. Wenn der Druckregulierungsmechanismus 34 das Steuersignal von der Steuervorrichtung 50 empfängt, stellt er den Wasserstoffversorgungsdruck des Wasserstoffgases, welches der Ejektorpumpe 35 zugeführt werden soll, basierend auf dem empfangenen Steuersignal ein. Wenn das Sperrventil 37 die Steuersignale von der Steuervorrichtung 50 empfängt, führt es einen Öffnungs-/Schließenbetrieb der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 basierend auf dem empfangenen Steuersignal aus.
7 zeigt ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen dem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 und dem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
Wie in 7 dargestellt ist, wird das Zirkulationsverhältnis B/A 0,2, wenn der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 400 kPa·abs ist, und das Zirkulationsverhältnis B/A wird 1,0, wenn der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 500 kPa·abs ist. Um das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 1,0 einzustellen, ist es daher notwendig, dass der Druckregulierungsmechanismus 34 den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 auf den Bereich von 400 bis 500 kPa·abs einstellt.
Bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform wird unter der Steuerung der Steuervorrichtung 50 der Primärdruck in der Ejektorpumpe auf 450 kPa·abs durch den Druckregulierungsmechanismus 34 eingestellt, und das Sperrventil 37 wird geöffnet. Das Wasserstoffgas wird dadurch von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführt, und das stickstoffreiche Gas wird von der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen, und das stickstoffreiche Gas wird durch das Wasserstoffgas in der Wasserstoffelektrode ersetzt. Das stickstoffreiche Gas wird nicht aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ausgestoßen. Wenn der Druck der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31, welcher durch den Drucksensor 38 erfasst wird, 300 kPa·abs erreicht, übermittelt die Steuervorrichtung 50 das Steuersignal an das Sperrventil, um das Sperrventil 37 zu schließen. Der Druckregulierungsmechanismus 34 setzt oder stellt den Wasserstoffversorgungsdruck auf einen normalen Wasserstoffver sorgungsdruck zurück, der bei einer üblichen elektrischen Erzeugung verwendet wird, und die Steuervorrichtung 50 übermittelt das Steuersignal an das Sperrventil 37, um das Sperrventil 37 zu öffnen. Das Brennstoffzellensystem beginnt die übliche elektrische Erzeugung.
Wie vorstehend beschrieben, erhöht das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform zeitweilig den Primärdruck der Ejektorpumpe 35, um die Menge des Abgases, das nicht weniger als das der herkömmlichen elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle 10 ist, zu erhöhen.
Es ist dadurch möglich, das Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode auszustoßen und es mit dem Wasserstoffgas zu ersetzen, während vermieden wird, dass das Anfangsgas aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ausgestoßen wird. Dies kann die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit starten.
Verglichen mit der Konfiguration der ersten Ausführungsform zum Regulieren der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 kann die Konfiguration des Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform das Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zuführen.
Darüber hinaus wird gemäß der zweiten Ausführungsform die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung gestoppt oder abgeschlossen, wenn der Druck in der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 einen vorbestimmten Wert erreicht, der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 kann nur erhöht werden, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung ausgeführt wird, und der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 kann, während des normalen Betriebs der elektrischen Erzeugung, verringert werden. Dies kann die Sicherheit der elektrischen Erzeugung beim Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform erhöhen.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration und ein Betrieb des Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
Bei der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform ist, zusätzlich zur Ejektorpumpe 35 mit der veränderbaren Düsenöffnung der ersten Ausführungsform der Druckregulierungsmechanismus 34 konfiguriert, ähnlich zur zweiten Ausführungsform, um den Wasserstoffversorgungsdruck des zuzuführenden Wasserstoffgases zu regulieren. Das bedeutet, die dritte Ausführungsform hat die Konfiguration der ersten und zweiten Ausführungsform und die Konfiguration des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform wird daher aus den Zeichnungen weggelassen. Der Druckregulierungsmechanismus 34 ist in der Lage den Wasserstoffversorgungsdruck innerhalb eines Bereichs von 100 bis 500 kPa·abs zu verändern.
Bei der dritten Ausführungsform kann das Zirkulationsverhältnis B/A durch Verändern der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 und ferner durch Verändern des Wasserstoffversorgungsdruckes des Druckregulierungsmechanismus 34 eingestellt werden.
Der Druckregulierungsmechanismus 34 der Ejektorpumpe 35 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der in den Ansprüchen definierten Zirkulationsverhältniseinstellungseinrichtung.
8 zeigt eine Beziehung zwischen der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 und dem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 und zeigt auch eine Beziehung zwischen dem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 und dem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem der dritten Ausführungsform. 8 zeigt den Fall, dass das Brennstoffgas (als Wasserstoffgas) der Brennstoffzelle 10 mit einer Gaszuführmenge von 500 NL/min (Normliter) zugeführt wird.
Wie in 8 dargestellt ist es notwendig, um das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 1,0 einzustellen, den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 innerhalb eines Bereichs von 300 bis 800 kPa·abs einzustellen. Ferner ist es notwendig, um die Brennstoffgaseinbringungsmenge auf 500 NL/min zu setzen, unter der Bedingung, dass Primärdruck der Ejektorpumpe 35 innerhalb des Bereichs von 300 bis 800 kPa·abs ist, die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 innerhalb des Bereichs von 20 bis 60 Prozent einzustellen.
Bei der dritten Ausführungsform stellt der Druckregulierungsmechanismus den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 auf 500 kPa·abs und die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 auf 40 Prozent. Unter diesen Bedingungen wird Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführt und die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung wird gestartet. Die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung wird nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 verringert und der Druckregulierungsmechanismus 34 verringert den Wasserstoffversorgungsdruck, um den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 auf 300 kPa·abs zum Ausführen des üblichen Betriebs der elektrischen Erzeugung einzustellen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der Konfiguration und dem Betrieb des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform möglich, das Anfangsgas von der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas zu ersetzen, während die Abgabe bzw. Ausstoßen des Anfangsgases beispielsweise des stickstoffreichen Gases und Wasserstoffgases von dem Brennstoffzellensystem nach außen verhindert werden kann, und dadurch ist es möglich, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Vierte Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration und ein Betrieb des Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben.
Ähnlich zur ersten Ausführungsform stellt die Konfiguration des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform die Ejektorpumpe 35 mit veränderbarer Düsenöffnung bereit. Der Druckregulierungsmechanismus 34 der vierten Ausführungsform ist konfiguriert, um den Wasserstoffversorgungsdruck auf einen festen Wert von 300 Pa·abs einzustellen. Es ist daher möglich, das Zirkulationsverhältnis durch Ändern der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 einzustellen.
Der Druckregulierungsmechanismus 34 der Ejektorpumpe 35 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der in den Ansprüchen definierten Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung.
9 zeigt eine schematische Darstellung, die das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 9 dargestellt, ist ein Bypass 39 zwischen dem Druckregulierungsmechanismus 34 und dem Sperrventil 37 ausgebildet oder angeordnet. Durch den Bypass 39 überbrückt der Fluss des Wasserstoffgases, welcher von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführt wird, den Druckregulierungsmechanismus 34 und das Sperrventil 37. Der Bypass 39 ist mit einem Sperrventil 37 als Öffnen-/Schließeneinrichtung zum Öffnen und Schließen des Bypasses 39 ausgestattet. Das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführte Wasserstoffgas strömt nur durch die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30, wenn das Sperrventil 40 durch die Steuervorrichtung 50 geschlossen ist. Das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführte Wasserstoffgas strömt sowohl durch die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 als auch den Bypass 39, wenn das Sperrventil 40 durch die Steuervorrichtung 50 geöffnet ist. Wenn das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführte Wasserstoffgas den Druckregulierungsmechanismus 34 überbrückt, da eine Möglichkeit gegeben ist, dass der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 höher als ein Widerstandsdruck der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 10 wird, ist es notwendig, durch Begrenzen der Öffnungszeit des Sperrventils 40, welches am Bypass 39 montiert ist zu verhindern bzw. zu vermeiden, dass ein Überdruck auf die Brennstoffzelle 10 aufgebracht wird.
10 zeigt ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Öffnungszeit der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 und der Öffnungszeit des Sperrventils 40, welches am Bypass 39 angebracht ist, im Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Wie in 10 gezeigt, wird, wenn die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 größer ist, die Öffnungszeit des Sperrventils 40 für den Bypass 39 kurz, und im Gegensatz dazu wird, wenn die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 gering ist, die Öffnungszeit des Sperrventils 40, welches am Bypass 39 montiert ist, lang. Die Beziehung zwischen der Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 und der Öffnungszeit des Sperrventils 40, welches am Bypass 39 montiert ist, wird vorab basierend auf experimentellen Ergebnissen und Simulationsergebnissen aufgezeichnet. Ferner wird die Öffnungszeit des am Bypass 39 montierten Sperrventils gemäß dem Volumen einer Zirkulationsleitung, die aus der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 einschließlich der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 und der Abgaszirkulationsleitung 32 zusammengesetzt wird, dem Wasserstoffdruck beim Start des Betriebs der Brennstoffzelle 10 und dem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 geändert.
Bei dem Brennstoffzellensystem der vierten Ausführungsform wird die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung durch Zuführen des Wasserstoffgases von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 unter der Bedingung, dass die Ejektorpumpe 35 die Düsenöffnung von 40 Prozent hat gestartet. Während der Vorbehandlung für elektrische Erzeugung ist das am Bypass 39 montierte Sperrventil 40 für eine vorbestimmte Zeit geöffnet, die vorab eingestellt wird, um den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 auf 500 kPa·abs einzustellen, was höher ist als der übliche Druck des Druckregulierungsmechanismus 34 von 300 kPa·abs. Nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit, gezählt vom Beginn der Vorbehandlung, wird die Vorbehandlung gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 verringert und der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 wird auf den üblichen Druck von 300 kPa·abs gesetzt oder zurückgeführt, und die übliche elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 wird dann ausgeführt.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystem der vierten Ausführungsform, ähnlich wie bei den ersten bis dritten Ausführungsformen möglich, das restliche Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 mit Wasserstoffgas zu ersetzen, während das Ausstoßen des Anfangsgases beispielsweise des stickstoffreichen Gases aus dem Brennstoffzellensystem nach außen verhindert wird, und dadurch ist es möglich, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Zusätzlich wird gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystem der vierten Ausführungsform, da das von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 zugeführte Wasserstoffgas den Druckregulierungsmechanismus 34 überbrückt, der an der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 angebracht ist, die als Widerstand für den Wasserstofffluss fungiert, der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 zeitweilig erhöht. Dies kann die Fähigkeit des Zirkulationsflusses des Abgases durch die Ejektorpumpe 35 erhöhen, und es ist dadurch möglich, das Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas schnell zu ersetzen. Ferner ist es möglich, einen Überdruck auf die Brennstoffzelle 10 durch Begrenzen der Öffnungszeit des Sperrventils 40, welches am Bypass 39 angebracht ist, auf eine vorbestimmte Zeit, die vorab eingestellt wird, zu verhindern.
Fünfte Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
11 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Verglichen mit der Konfiguration der zweiten Ausführungsform umfasst die Konfiguration des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform eine Abgaszirkulationspumpe 41 anstelle der Ejektorpumpe 45, welche im Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform enthalten war. Die Abgaszirkulationspumpe 41 dient als die Abgaszirkulationseinrich tung zum Zirkulieren des Abgases durch die Abgaszirkulationsleitung 32. Die Abgaszirkulationspumpe 41 hat eine Maximalflussmenge von 300 NL/min. Die Steuervorrichtung 50 erzeugt und übermittelt ein Steuersignal zur Abgaszirkulationspumpe 41. Wenn die Abgaszirkulationspumpe 41 das Steuersignal von Steuervorrichtung 50 empfängt, ist diese konfiguriert, um den Zirkulationsflussbetrag bzw. die Zirkulation des Abgases zu ändern oder regulieren. Der Druckregulierungsmechanismus 34 der fünften Ausführungsform ist dazu geeignet, den Wasserstoffversorgungsdruck in einem Bereich von 100 bis 300 kPa·abs zu ändern oder zu regulieren.
Der Druckregulierungsmechanismus 34, die Abgaszirkulationspumpe 41 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung, die in den Ansprüche definiert ist.
Bei dem Brennstoffzellensystem der fünften Ausführungsform arbeitet die Abgaszirkulationspumpe 41 vor Ausführung der Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung bei ihrer Maximalflussmenge von 300 NL/min.
Um das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb des vorbestimmten Bereichs von 0,2 bis 1,0 einzustellen, ist es notwendig, der Brennstoffzelle 10 das Wasserstoffgas mit der Flussmenge von 300 bis 1500 NL/min zuzuführen. Da die Abgaszirkulationspumpe 41 in der fünften Ausführungsform die Flussmenge der Abgaszirkulation von 300 NL/min hat, ist es notwendig, die Flussmenge des Wasserstoffgases auf 600 NL/min einzustellen um der Brennstoffzelle 10 das Wasserstoffgas zuzuführen, während das Zirkulationsverhältnis B/A bei 0,5 gehalten wird. Um die vorgenannte Bedingung zu erfüllen erhöht die fünfte Ausführungsform schrittweise den Wasserstoffversorgungsdruck des Druckregulierungsmechanismus 34 um einen vorbestimmten Erhöhungsfaktor. In der fünften Ausführungsform ist das Gesamtvolumen der Zirkulationsleitungen 31 und 32, nämlich der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31 einschließlich der Brennstoffzelle 10 und der Abgaszirkulationsleitung 32 10 Liter. Demgemäß erhöht der Druckregulierungsmechanismus 34 der fünften Ausführungsform vor Ausführung der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung schrittweise den Wasserstoffversorgungsdruck des Wasserstoff gases auf 300 kPa·abs mit einem Erhöhungsbetrag der von 100 kPa/min (= 600 NL/min/10 L × 100 kPa/60 s), um den Wasserstoffversorgungsbetrag von 600 NL/min zu erreichen und das Zirkulationsverhältnis B/A von 0,5 aufrechtzuerhalten. Nachdem die Vorbehandlung für eine vorbestimmte Zeit ausgeführt wurde, wird die Vorbehandlung gestoppt und die übliche elektrische Erzeugung wird begonnen.
Beim Brennstoffzellensystem der fünften Ausführungsform wird die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung gestartet, während das Abgas mit maximaler Flussmenge von der Abgaszirkulationspumpe 41 zirkuliert, das Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 geliefert und der Wasserstoffversorgungsdruck mit dem Erhöhungsfaktor 100 kPa·abs erhöht wird. Die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung wird gestoppt, wenn der Druck der zweiten Versorgungsleitung 31, der vom Drucksensor 38 erfasst wird, 300 kPa·abs erreicht, und dann wird der herkömmliche elektrische Erzeugungsvorgang gestartet.
Wie vorstehend beschrieben ist es, gemäß der Konfiguration und dem Betrieb des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform möglich, wie bei den ersten bis vierten Ausführungsformen, das Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas zu ersetzen, während die Abgabe oder der Ausstoß das Anfangsgases, wie beispielsweise stickstoffreiches Gas, an die Außenseite des Brennstoffzellensystems verhindert wird, wodurch es möglich ist, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Zusätzlich wird, gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform, da die Abgaszirkulationspumpe 41 an der Abgaszirkulationsleitung 32 montiert ist, das Abgas sicher in einem Zustand niedriger Wasserstoffgas-Zufuhrmenge zur Brennstoffelle 10 zirkuliert. Ferner ist es möglich, durch Begrenzen der Flussmenge des Wasserstoffgases zur Brennstoffzelle 10 durch schrittweises Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdruckes durch den Druckregulierungsmechanismus 34, wenn die Abgaszirkulationspumpe 41 bei der maximalen Flussmenge arbeitet, das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb eines vorbestimmten Bereichs einzustellen.
Sechste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration sowie ein Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
12 ist eine schematische Darstellung, welche das Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Vergleich mit der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem der sechsten Ausführungsform mit einem Sperrventil 37 in der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 ausgestattet, und der Bypass 39 zum Überbrücken des Sperrventils 37 ist an der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 montiert. Eine Düse bzw. Ausflussöffnung 42 ist am Bypass 39 montiert. Die Ausflussöffnung 42 ist in der Lage, den Querschnittbereich der Strömungsleitung, welche durch das Sperrventil 40 und dem Bypass 39 gebildet wird, zu verringern.
Bei der sechsten Ausführungsform ist der Druckregulierungsmechanismus 34 konfiguriert, um den Wasserstoffversorgungsdruck bzw. Wasserstoffzufuhrdruck auf einen festen Wert (300 kPa·abs) zu setzen, und der maximale Flussbetrag der Abgaszirkulationspumpe 41 ist 200 NL/min.
Der Druckregulierungsmechanismus 34, die Abgaszirkulationspumpe 41, die Ausflussöffnung 42 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung, die in den Ansprüchen definiert ist.
Beim Brennstoffzellensystem der sechsten Ausführungsform arbeitet die Abgaszirkulationspumpe 41 vor Ausführung der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung bei der maximalen Flussmenge von 200 NL/min. Um das Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von 0,2 bis 1,0 einzustellen, ist es notwendig, das Wasserstoffgas mit der Flussmenge von 200 bis 1000 NL/min der Brennstoffzelle 10 zuzuführen. Da die Abgaszirkulationspumpe 41 in der sechsten Ausführungs form die Flussmenge der Abgaszirkulation von 200 NL/min hat, ist es notwendig, die Flussmenge des Wasserstoffgases auf 1000 NL/min zu setzen, um der Brennstoffzelle 10 das Wasserstoffgas zuzuführen, während das Zirkulationsverhältnis B/A bei 0,2 gehalten wird.
Bei der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform wird die Wasserstoffversorgungsmenge nicht weniger als 1000 NL/min, und das Zirkulationsverhältnis B/A wird daher nicht größer als 0,2, wenn das Wasserstoffgas durch die erste Wasserstoffversorgungsleitung 30 und die zweite Wasserstoffversorgungsleitung 31 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Um dies zu vermeiden weist die sechste Ausführungsform das an der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 montierte Sperrventil 37 auf, um das von der Wasserstoffversorgungseinrichtung 33 gelieferte Wasserstoffgas während der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung lediglich durch den Bypass 39 zu strömen, und die sechste Ausführungsform hat ferner die Durchflussöffnung 42, welche am Bypass 39 montiert ist, die in der Lage ist, den Flussbereich des Bypasses 39 zu begrenzen, um den Wasserstoffversorgungsflussbetrag zur Brennstoffzelle 10 zu begrenzen. Der Durchmesser der Durchflussöffnung 42 wird so eingestellt, dass die maximale Flussmenge der Wasserstoffgasversorgung 1000 NL/min wird.
Bei der Konfiguration der sechsten Ausführungsform ist das Sperrventil 37 geschlossen und das Sperrventil 40, welches am Bypass 39 montiert ist, ist geöffnet, während das Abgas mit der maximalen Flussmenge durch die Abgaszirkulationspumpe 41 zirkuliert wird, und die Wasserstoffversorgung von der Wasserstoffversorgungseinrichtung 33 wird gestartet und die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung wird dadurch gestartet. Die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung wird gestoppt, wenn der Druck der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31, der durch den Drucksensor 38 erfasst wird, 300 kPa·abs erreicht, das Sperrventil 40 für den Bypass 39 wird geschlossen, das Sperrventil 39, welches an der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 montiert ist, wird geöffnet, und die herkömmliche elektrische Erzeugung wird gestartet.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der Konfiguration und dem Betrieb des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform ähnlich zu den ersten bis fünften Ausführungsformen möglich, das Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas zu ersetzten, während die Abgabe oder der Ausstoß des Anfangsgases, beispielsweise stickstoffreiches Gas, an die Außenseite des Brennstoffzellensystems verhindert wird, und dadurch ist es möglich, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Zusätzlich wird, gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform, die Wasserstoffversorgungsflussmenge durch die am Bypass 39 montierte Durchflussöffnung eingestellt oder reguliert. Es ist daher möglich, die Wasserstoffversorgungsflussmenge zur Brennstoffzelle 10 während der Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung mit einer einfachen Konfiguration zu regulieren oder einzustellen, und es ist möglich, dass Zirkulationsverhältnis B/A innerhalb des vorbestimmten Bereichs einzustellen.
Siebte Ausführungsform
Nachfolgend wird nun eine Konfiguration sowie ein Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
13 zeigt eine schematische Darstellung, welche das Brennstoffzellensystem gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 13 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem der siebten Ausführungsform, verglichen mit der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform, mit einem Flussmengenregulierungsventil 43 ausgestattet, welches an einem stromaufwärtigen Ende des Druckregulierungsmechanismus 34 in der ersten Wasserstoffversorgungsleitung 30 angeordnet ist, anstelle des Bypasses 39 und der Durchflussöffnung 42, welche in der sechsten Ausführungsform verwendet wurden. Die siebte Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass das Flussmengenregulierungsventil 43 die maximale Flussmenge 1000 NL/min von Wasserstoffgas hat.
Der Druckregulierungsmechanismus 34 der Abgaszirkulationspumpe 41, das Flussmengenregulierungsventil 43 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung, die in den Ansprüchen definiert ist.
Bei der siebten Ausführungsform wird, während das Abgas durch die Abgaszirkulationspumpe 41 mit maximaler Flussmenge unter Steuerung der Steuervorrichtung 50 zirkuliert wird, Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 durch das Flussmengenregulierungsventil 43 mit der Wasserstoffversorgungsflussmenge 1000 NL/min geliefert. Die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle wird dadurch gestartet. Somit begrenzt das Flussmengenregulierungsventil 43 die Wasserstoffversorgungsmenge während der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung.
Wenn der Druck der zweiten Wasserstoffversorgungsleitung 31, welcher durch den Drucksensor 38 erfasst wird, 300 kPa·abs erreicht, wird die Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung gestoppt. Das Wasserstoffgas wird dann mit der maximalen Wasserstoffversorgungsmenge durch das Flussmengenregulierungsventil 43 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 50 geliefert und die herkömmliche elektrische Erzeugung wird dann gestartet.
Daher arbeitet oder löst sich das Flussmengenregulierungsventil 43 in der siebten Ausführungsform während des herkömmlichen elektrischen Erzeugungsvorgangs nicht von seinem Betrieb, und die Flussmenge des Wasserstoffgases, das geliefert werden soll, wird durch den Druckregulierungsmechanismus 34 während der herkömmlichen elektrischen Erzeugung gesteuert.
Wie vorstehend beschrieben ist es gemäß dem Brennstoffzellensystem der siebten Ausführungsform, wie bei den Ausführungsformen eins bis sechs möglich, das Anfangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas zu ersetzen, während der Ausstoß des Anfangsgases, beispielsweise stickstoffreichen Gases an die Außenseite des Brennstoffzellensystem verhindert werden kann, und da durch ist es möglich, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Achte Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Konfiguration sowie ein Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 14 bis 16 beschrieben.
14 ist eine schematische Darstellung, die das Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 14 dargestellt, ist, verglichen mit der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform, welches in 8 gezeigt ist, das Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform mit einem Gasbehälter 44 mit einem gewünschten Volumen in der Abgaszirkulationsleitung 32 ausgestattet.
Der Druckregulierungsmechanismus 34, die Injektorpumpe 35 und die Steuervorrichtung 50 entsprechen der in den Ansprüchen definierten Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung.
15 zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Einbringungsdruck des Wasserstoffs, der zur Brennstoffzelle 10 geliefert werden soll, und einer Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A des Wasserstoffgases im Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform darstellt. 15 zeigt die drei Fälle, wobei der erste Fall in der Abgaszirkulationsleitung 32 den Behälter 44 nicht hat, der zweite Fall den Behälter 44 aufweist, dessen Volumen ein Liter ist, und der dritte Fall den Behälter 44 aufweist, dessen Volumen drei Liter ist. Wie in 15 deutlich dargestellt, kann das Vorhandensein des Behälters 44 in der Abgaszirkulationsleitung 32 die Untergrenze des Abgaszirkulationsverhältnisses B/A, welches für den gleichen Wasserstoffdruck notwendig ist, verringern. Ferner kann, wie in 15 dargestellt, die Zunahme des Volumens des Behälters 44 die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A verringern. Das Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform verwendet oder bezieht den Behälter 44 mit einem Liter ein, um die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses B/A auf 0,1 zu setzen.
16 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Düsenöffnung und einem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 sowie eine Beziehung zwischen dem Primärdruck der Ejektorpumpe 35 und dem Zirkulationsverhältnis B/A im Brennstoffzellensystem gemäß der achten Ausführungsform zeigt. 16 zeigt den Fall, bei welchem das Brennstoffgas der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, wobei die Gaszufuhrmenge 500 NL/mit ist.
Wie in 16 dargestellt, ist es, um das Zirkulationsverhältnis B/A in einen vorbestimmten Bereich von 0,1 bis 1,0 zu halten, notwendig, den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 innerhalb des Bereichs von 200 bis 800 kPa·abs einzustellen. Ferner ist es notwendig, um die Brennstoffgaseinbringungsmenge auf 500 NL/min einzustellen, wenn der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 innerhalb von 200 bis 800 kPa·abs ist, die Düsenöffnung der Ejektorpumpe 35 auf einen Betrag von 20 bis 80 Prozent zu setzen.
Bei dem Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform stellt der Druckregulierungsmechanismus 34 den Primärdruck der Ejektorpumpe 35 auf 300 kPa·abs und die Düsenöffnung der Ejektorpumpe wird auf 60 Prozent eingestellt. Die Zufuhr des Wasserstoffgases von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 33 wird dann gestartet. Die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung wird dadurch gestartet. Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer, gezählt vom Beginn der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung, wird die Vorbehandlung gestoppt. Die Düsenöffnung der der Ejektorpumpe 35 wird verringert und der Druckregulierungsmechanismus 34 verringert seinen Wasserstoffversorgungsdruck, und der Primärdruck der Ejektorpumpe 35 wird auf 300 kPa·abs eingestellt, und die Brennstoffzelle 10 beginnt dadurch die herkömmliche elektrische Erzeugung.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß dem Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform, wie bei den Ausführungsformen eins bis sieben, möglich, das An fangsgas in der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffgas zu ersetzen, während der Ausstoß das Anfangsgases, beispielsweise stickstoffreiches Gas, an die Außenseite des Brennstoffzellensystems verhindert wird, wodurch es möglich ist, die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 10 in kurzer Zeit zu starten.
Wie in der achten Ausführungsform beschrieben kann das Vorhandensein des Behälters 44 mit einem vorbestimmten Volumen in der Abgaszirkulationsleitung 32 die Abgaszirkulationsfähigkeit, zum Zirkulieren des Abgases von der Abgaszirkulationseinrichtung, welche durch den Druckregulierungsmechanismus 34 und die Ejektorpumpe 35 gebildet wird, verringern.
Andere bevorzugte Ausführungsformen
Das Konzept des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die erste bis achte Ausführungsform, welche vorstehend beschrieben wurden, beschränkt. Es ist möglich, die Konfigurationen des Brennstoffzellensystems der ersten bis achten Ausführungsform zu kombinieren. Unterschiedliche Modifikationen, welche durch die Kombination der ersten bis achten Ausführungsformen erhalten werden, haben dieselben Effekte der vorliegenden Erfindung.
Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung
Wie vorstehend im Detail beschrieben, umfasst das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffgasversorgungsleitung, eine Abgaszirkulationsleitung, sowie eine Zirkulationsverhältniseinstelleinheit. Die Brennstoffzelle ist konfiguriert, um elektrische Erzeugung in einer elektrochemischen Reaktion durch Kombination von Brennstoffgas und Sauerstoffgas zu erzeugen. Die Brennstoffgasversorgungsleitung ist mit einem Einlass der Brennstoffzelle verbunden. Durch die Brennstoffgasversorgungsleitung wird das Brennstoffgas der Brennstoffzelle zugeführt. Die Abgaszirkulationsleitung verbindet einen Auslass der Brennstoffzelle mit der Brennstoffgasversorgungsleitung. Durch den Auslass der Brennstoffzelle wird ein Abgas in einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßen. Die Abgaszirkulationseinrichtung ist konfiguriert, um das Abgas von der Brennstoff elektrode der Brennstoffzelle zur Brennstoffgasversorgungsleitung zu zirkulieren. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung ist konfiguriert, um ein Zirkulationsverhältnis eines Molflusses des Brennstoffgases und eines Molflusses des Abgases durch Steuerung von zumindest einem von einer Brennstoffgasflussmenge und einer Abgasflussmenge einzustellen, so dass das Zirkulationsverhältnis innerhalb eines vorbestimmten Zirkulationsverhältnisses eingestellt wird, während einer Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle, um alles verbleibende Gas in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle, welches vor Beginn der Vorbehandlung verblieben ist, zu entfernen.
Gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Anfangsgas in der Brennstoffelektrode (beispielsweise der Wasserstoffelektrode) der Brennstoffzelle, welches in der Brennstoffelektrode vor der Vorbehandlung verblieben ist, durch das Brennstoffgas (beispielsweise Wasserstoffgas) zu ersetzen, während das Anfangsgas durch die Abgaszirkulationsleitung zirkuliert wird, und während die Abgabe oder der Ausstoß des Anfangsgases beispielsweise stickstoffreichen Gases an die Außenseite des Brennstoffzellensystems verhindert wird. Es ist dadurch möglich die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle in kurzer Zeit zu beginnen. Dies kann verhindern, dass das Brennstoffgas vom Brennstoffzellensystem nach außen abgegeben wird, selbst wenn Brennstoffgas in der Brennstoffelektrode verblieben ist, unmittelbar nach Unterbrechung der elektrischen Erzeugung.
Die Untergrenze des vorbestimmten Bereichs des Zirkulationsverhältnisses wird auf einen Wert eingestellt, durch welchen alle Gase in der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellensystems von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle durch Zufuhr des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle vor Beginn der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung ausgestoßen werden. Dies kann eine instabile elektrische Erzeugung, welche durch die Anwesenheit des restlichen Anfangsgases in der Brennstoffelektrode vor der elektrischen Erzeugung verursacht wird, verhindern.
Die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses wird basierend auf dem Volumen der Brennstoffgasversorgungsleitung einschließlich des Volumens der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle, dem Volumen der Abgaszirkulationsleitung und einem Versorgungsdruck des Brennstoffgases, welches an die Brennstoffzelle geliefert werden soll, wenn die Vorbehandlung begonnen wird, bestimmt.
Ferner wird, gemäß dem Brennstoffzellensystem, wie in der vorliegenden Erfindung definiert, die obere Grenze des vorbestimmten Bereichs des Zirkulationsverhältnisses auf einen Wert gesetzt, der einer Gaskonzentration des Mischgases, das von Abgas und Brennstoffgas, welches zur Brennstoffzelle geliefert werden soll, gebildet wird, entspricht, der zur elektrischen Erzeugung notwendig ist. Dies kann jegliches Auftreten einer ungenügenden Konzentration des Brennstoffgases in Mischgas verhindern, und kann ferner eine instabile elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle verhindern.
Ferner ist gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung das Zirkulationsverhältniseinstellmittel an einem Verbindungspunkt befestigt, an welchem die Abgaszirkulationsleitung mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung umfasst die Ejektorpumpe mit der Düse, welche das Brennstoffgas ausstößt, um das Abgas einzusaugen, um das Brennstoffgas und das Abgas zu mischen und das gemischte Gas zu entladen. Das Zirkulationsverhältniseinstellmittel stellt die Düsenöffnung der Düse ein, um das Mischverhältnis des Abgases und des Brennstoffgases zu regulieren. Die Zirkulationsverhältniseinstellvorrichtung reguliert die Düsenöffnung der Düse der Ejektorpumpe um das Zirkulationsverhältnis innerhalb des vorbestimmten Bereichs einzustellen, wenn die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung ausgeführt wird. Daher ist es, selbst wenn der Versorgungsdruck des Brennstoffgases zur Ejektorpumpe konstant ist, möglich, das Zirkulationsverhältnis auf einen optimalen Wert zum Einstellen der Abgasflussmenge zu setzen, während die Flussmenge des Brennstoffgases durch Einstellen der Düsenöffnung der Injektorpumpe reguliert wird.
Ferner ist gemäß dem Brennstoffzellensystem, wie in der vorliegenden Erfindung definiert, das Zirkulationsverhältniseinstellmittel an einem Verbindungspunkt angebracht, an dem die Abgaszirkulationsleitung mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist. Das Zirkulationsverhältniseinstellmittel umfasst die Injektorpumpe und den Druckregulierungsmechanismus. Die Ejektorpumpe hat die Düse, welche das Brennstoffgas ausgibt, um das Abgas anzusaugen. Die Ejektorpumpe mischt das Brennstoffgas und das Abgas und gibt das Mischgas aus. Der Druckregulierungsmechanismus, der an einem stromaufwärtigen Ende der Ejektorpumpe in der Brennstoffgasversorgungsleitung angeordnet ist, ist in der Lage, den Brennstoffgasversorgungsdruck zu regulieren. Der Druckregulierungsmechanismus reguliert den Brennstoffgasversorgungsdruck des Brennstoffgases um das Zirkulationsverhältnis in den vorbestimmten Bereich einzustellen, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung ausgeführt wird.
Es ist daher möglich, die Abgaszirkulationsflussmenge, durch Verändern des Brennstoffgasversorgungsdrucks und der Steuerung des Druckregulierungsmechanismus zu regulieren, selbst wenn die Brennstoffgasflussmenge konstant ist und es ist möglich, das Zirkulationsverhältnis auf den Optimalwert einzustellen.
Darüber hinaus weist das in der vorliegenden Erfindung definierte Brennstoffzellensystem den Bypass auf, der konfiguriert ist, um einen Teil des Brennstoffgases, welches durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömt, zu überbrücken, und das Öffnen- und Schließventil, welches konfiguriert ist, um den Bypass zu öffnen und zu schließen. Das Öffnen- und Schließenventil wird geöffnet, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Erzeugung ausgeführt wird. Es ist dadurch möglich, zeitweise den Brennstoffgasversorgungsdruck zur Ejektorpumpe zu erhöhen, um die Abgaszirkulationsfähigkeit zu erweitern.
Zusätzlich ist bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die Ejektorpumpe konfiguriert, um ein Mischungsverhältnis des Brennstoffgases und des Abgases durch Einstellen seiner Düsenöffnung zu regulieren.
Ferner ist es gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, das Auftreten von zu hohem aufgebrachten Druck, nämlich dem erhöhten Gasdruck, auf die Brennstoffzelle durch Öffnen des Öffnen- und Schließenventils für eine vorbestimmte Zeit zu verhindern.
Darüber hinaus wird gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die vorbestimmte Zeit auf eine Zeit eingestellt, bei welcher der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung einen Druck erreicht, der notwendig ist zum Beginn der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle. Die vorbestimmte Zeit wird basierend auf dem Volumen der Brennstoffelektrode in der Brennstoffzelle, dem Volumen des stromabwärtigen Endes der Brennstoffgasversorgungsleitung vom Verbindungspunkt zwischen der Brennstoffgasversorgungsleitung und der Abgaszirkulationsleitung, dem Volumen der Abgaszirkulationsleitung und der Versorgungsmenge des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle eingestellt.
Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung das Druckerfassungsmittel auf, welches konfiguriert ist, um einen Druck in der Leitung am stromabwärtigen Ende der Verbindung zwischen der Brennstoffgasversorgungsleitung und der Abgaszirkulationsleitung und/oder einen Druck in der Abgaszirkulationsleitung zu erfassen. Das Öffnen- und Schließenventil wird geöffnet bis der Druck in der Abgasversorgungsleitung, der durch die Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, über einem vorbestimmten Wert ist. Es ist dadurch möglich, das Auftreten eines überhöhten Drucks, nämlich eines erhöhten Gasdrucks zur Brennstoffzelle zu verhindern.
Ferner weist die Zirkulationsverhältniseinstellvorrichtung gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die Abgaszirkulationspumpe und den Druckregulierungsmechanismus auf. Die Abgaszirkulationspumpe ist konfiguriert, um das Abgas in der Abgasversorgungsleitung gezwungen zu liefern. Der Druckregulierungsmechanismus ist konfiguriert, um einen Versorgungsdruck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung zu regulieren. Das Zirkulationsverhältniseinstellmittel betätigt die Abgaszirkulationspumpe und weist den Druckregulierungsmechanismus an, den Versorgungsdruck des Brennstoffgases um einen vorbestimmten Erhöhungsfaktor zu erhöhen, um das Zirkulationsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich zu erfüllen, während die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung ausgeführt wird. Es ist dadurch möglich, das Zirkulationsverhältnis innerhalb eines vorbestimmten Bereichs durch schrittweises Erhöhen des Brennstoffgasesversorgungsdrucks durch den Druckregulierungsmechanismus einzustellen, um die Wasserstoffgasversorgungsmenge zur Brennstoffzelle zu begrenzen.
Darüber hinaus umfasst, gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung, die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung die Abgaszirkulationspumpe, den Druckregulierungsmechanismus, das erste Öffnen- und Schließenventil, den Bypass, das zweite Öffnen- und Schließenventil und die Ausflussöffnung. Die Abgaszirkulationspumpe ist konfiguriert, um das Abgas in der Abgaszirkulationsleitung zwangszuliefern. Der Druckregulierungsmechanismus ist konfiguriert, um einen Versorgungsdruck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung auf einen vorbestimmten Druckwert zu setzen. Das erste Öffnen- und Schließenventil ist in einem stromaufwärtigen Ende vom Druckregulierungsmechanismus in der Brennstoffgasversorgungsleitung angeordnet. Das erste Öffnnen- und Schließenventil ist konfiguriert, um die Brennstoffgasversorgungsleitung zu öffnen und zu schließen. Durch den Bypass überbrückt das Brennstoffgas, welches durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömt, das erste Öffnen- und Schließenventil. Das zweite Öffnen- und Schließenventil ist konfiguriert, um den Bypass zu öffnen und zu schließen. Die Ausflussöffnung ist konfiguriert, um den Flussquerschnittbereich des Bypasses zu verringern. Die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung steuert das erste Öffnen- und Schließenventil derart, dass es geschlossen wird und das zweite Öffnen- und Schließenventil geöffnet wird, während die Abgaszirkulationspumpe bei der Vorbehandlung zur elektrischen Erzeugung betätigt wird. Es ist daher möglich, die Flussmenge des Brennstoffgases durch Verändern des Durchmessers der Durchflussöffnung, die in der Lage ist, einen Flussquerschnittsbereich zu verringern, zu regulieren, um dadurch das Zirkulationsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich einzustellen.
Darüber hinaus ist gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung, das zweite Öffnen- und Schließenventil konfiguriert, um für eine vorbestimmte Zeit zu öffnen. Die vorbestimmte Zeit wird auf eine Zeit eingestellt, in welcher der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung einen Druck erreicht, der zum Starten der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle notwendig ist. Es ist dadurch möglich, das Auftreten eines erhöhten Drucks, nämlich erhöhten Gasdrucks, zur Brennstoffzelle zu verhindern.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die Druckerfassungseinrichtung, welche konfiguriert ist, um entweder einen Druck der Brennstoffgasversorgungsleitung an einem stromabwärtigen Ende des Verbindungspunktes, an welchem die Brennstoffgasversorgungsleitung mit der Abgaszirkulationsleitung verbunden ist, oder einen Druck der Abgaszirkulationsleitung zu erfassen. Das zweite Öffnen- und Schließenventil ist geöffnet, bis der Druck in der Brennstoffgasversorgungsleitung, der durch die Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, über einem vorbestimmten Wert ist. Daher ist es, wie bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, das Auftreten von Überdruck, nämlich erhöhtem Gasdruck zur Brennstoffzelle zu verhindern.
Darüber hinaus umfasst das Zirkulationsverhältniseinstellmittel gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die Abgaszirkulationspumpe und den Flussmengenregulierungsmechanismus. Die Abgaszirkulationspumpe ist konfiguriert, um das Abgas in der Abgaszirkulationsleitung zwangszuliefern. Der Flussmengenregulierungsmechanismus ist konfiguriert, um eine Flussmenge des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung zu regulieren. Das Zirkulationsverhältniseinstellmittel stellt die Brennstoffgasversorgungsmenge zur Brennstoffzelle derart ein, dass das Zirkulationsverhältnis innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt ist, durch den Flussmengenregulierungsmechanismus, während die Abgaszirkulationspumpe bei der Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung betätigt wird. Es ist dadurch möglich, das Zirkulationsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich durch Regulieren der Brennstoffgasflussmenge durch den Flussmengenregulierungsmechanismus einzustellen.
Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung den Behälter mit einem vorbestimmten Volumen, der am stromaufwärtigen Ende des Abgaszirkulationsmittels in der Abgaszirkulationsleitung montiert ist, auf. Es ist dadurch möglich, die Untergrenze des Zirkulationsverhältnisses zu verringern, wenn die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung ausgeführt wird, so dass die Zirkulationsfähigkeit der Abgaszirkulationseinrichtung verringert werden kann. Mit anderen Worten: Es ist auch möglich die Abgaszirkulationseinrichtung mit einer niedrigen Zirkulationsfähigkeit zu verwenden.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein beweglicher Körper mit einem jeden der Brennstoffzellensysteme der vorliegenden Erfindung ausgerüstet.
Obgleich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist für jene, die über entsprechendes Fachwissen verfügen, ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen zu jenen Details im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung gemacht werden können. Demgemäß sind die einzelnen Anordnungen, welche offenbart sind, lediglich illustrativ gedacht und nicht einschränkend für den Umfang der vorliegenden Erfindung, der in seiner folgenden Breite durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente bestimmt wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung der elektrischen Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung bei einer chemischen Reaktion durch Kombination von Brennstoffgas und Sauerstoffgas; eine Brennstoffgasversorgungsleitung, durch welche das Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Abgaszirkulationsleitung, durch welche ein Auslass der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist, wobei die Abgaszirkulationsleitung von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßenes Abgas der Brennstoffgasversorgungsleitung bereitstellt, um dem Brennstoffgas das Abgas beizumischen; eine Abgaszirkulationseinrichtung, zur Zirkulation des Abgases durch die Abgaszirkulationsleitung; und eine Zirkulationsverhältniseinrichtung, zur Einstellung eines Zirkulationsverhältnisses eines Molflusses des Brennstoffgases, welches durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömt, zu einem Molfluss des Abgases, welches durch die Abgaszirkulationsleitung strömt, durch Steuern von zumindest einem der Brennstoffgasflussmenge und der Abgasflussmenge, umfassend die Schritte: Zuführen des von der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßenen Abgases zu der Brennstoffgasversorgungsleitung durch die Abgaszirkulationsleitung, Beimischen des Abgases zu dem Brennstoffgas und Zuführung des gemischten Gases zu der Brennstoffzelle, Ausführen einer Vorbehandlung vor Beginn der elektrischen Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle unter Steuerung der Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung, so dass das Zirkulationsverhältnis auf ein vorbestimmtes Zirkulationsverhältnis gesetzt wird, und eine untere Grenze des vorbestimmten Zirkulationsverhältnisses auf einen Wert gesetzt wird, bei welchem alles in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle verbliebene Restgas durch Zufuhr des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle während der Vorbehandlung und vor Beginn der elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine obere Grenze des vorbestimmten Zirkulationsverhältnisses auf eine Gaskonzentration des vom Brennstoffgas, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, und dem Abgas gebildeten Mischgases eingestellt wird, durch welches die Brennstoffzelle die elektrische Erzeugung ausführen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung an einem Verbindungspunkt befestigt wird an welchem die Abgaszirkulationsleitung mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist, und wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung eine Ejektorpumpe aufweist, welche eine Düse hat, welche das Brennstoffgas ausgibt, um das Abgas einzusaugen, und wobei die Ejektorpumpe das Brennstoffgas und das Abgas mischt und das Mischgas entlädt, und wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung die Düsenöffnung der Düse einstellt, um das Mischungsverhältnis des Brennstoffgases und des Abgases zu regulieren und die Düsenöffnung der Düse der Ejektorpumpe reguliert, um das Zirkulationsverhältnis in dem vorbestimmten Bereich einzustellen, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Leistungserzeugung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung an einem Verbindungspunkt montiert ist, an welchem die Abgaszirkulationsleitung mit der Brennstoffgasversorgungsleitung verbunden ist, und wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung aufweist: eine Ejektorpumpe mit einer Düse, welche das Brennstoffgas ausgibt, um das Abgas einzusaugen, wobei die Ejektorpumpe das Brennstoffgas und das Abgas mischt und das Mischgas entlädt; und einen Druckregulierungsmechanismus, welcher am stromaufwärtigen Ende der Ejektorpumpe in der Brennstoffgasversorgungsleitung angeordnet ist, der in der Lage ist, den Brennstoffgasversorgungsdruck zu regulieren, um das Zirkulationsverhältnis im vorbestimmten Bereich einzustellen, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Leistungserzeugung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner aufweisend: einen Bypass, zur Überbrückung eines Teiles des durch die Brennstoffgasversorgungsleitung strömenden Brennstoffgases; und ein Öffnen- und Schließen-Ventil, zum Öffnen und Schließen des Bypass, wobei das Öffnen- und Schließen-Ventil geöffnet wird, wenn die Vorbehandlung der elektrischen Leistungserzeugung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ejektorpumpe das Mischungsverhältnis des Abgases und des Brennstoffgases durch Einstellen der Düsenöffnung reguliert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Öffnen- und Schließen-Ventil für eine vorbestimmte Zeit geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Zeit auf einen Zeit eingestellt wird, bei welcher der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung einen Druck erreicht, der zum Starten der elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle notwendig ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend: eine Druckerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Druckes in der Leitung am stromabwärtigen Ende des Verbindungspunkts zwischen der Brennstoffgasversorgungsleitung und der Abgaszirkulationsleitung und/oder einen Druck in der Abgaszirkulationsleitung, und wobei das Öffnen- und Schließenventil geöffnet wird, bis der Druck in der Brennstoffgasversorgungsleitung, welche durch die Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, über einem vorbestimmten Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung aufweist: eine Abgaszirkulationspumpe, zur zwangsweisen Zuführung des Abgases in der Abgaszirkulationsleitung; und einen Druckregulierungsmechanismus, zur Regulierung eines Versorgungsdruckes des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung, und wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung die Abgaszirkulationspumpe betätigt und den Druckregulierungsmechanismus anweist, den Versorgungsdruck des Brennstoffgases um einen vorbestimmten Erhöhungsfaktor zu erhöhen, um das Zirkulationsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich einzustellen, während die Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung aufweist: eine Abgaszirkulationspumpe, zur zwangsweisen Zuführung des Abgases in der Abgaszirkulationsleitung; einen Druckregulierungsmechanismus, zur Einstellung eines Versorgungsdruckes des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung auf einen vorbestimmten Druckwert; ein erstes Öffnen- und Schließen-Ventil, das an einem stromaufwärtigen Ende des Druckregulierungsmechanismus in der Brennstoffgasversorgungsleitung angeordnet ist zum Öffnen und Schließen der Brennstoffgasversorgungsleitung am stromaufwärtigen Ende des Druckregulierungsmechanismus; einen Bypass, zur Überbrückung des ersten Öffnen- und Schließen-Ventil in der Brennstoffgasversorgungsleitung; ein zweites Öffnen- und Schließen-Ventil, zum Öffnen und Schließen des Bypasses; und eine Durchflussöffnung, zur Verringerung eines Strömungsquerschnittsbereichs des Bypasses und wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung steuert, dass das erste Öffnen- und Schließen-Ventil geschlossen wird und das zweite Öffnen- und Schließen-Ventil geöffnet wird, während die Abgaszirkulationspumpe bei der Vorbehandlung für die elektrische Erzeugung betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das zweite Öffnen- und Schließen-Ventil zur Öffnung für eine vorbestimmte Zeit, und die vorbestimmte Zeit auf eine Zeit eingestellt wird, in welcher der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsanleitung einen Druck erreicht, der notwendig ist, um die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle zu starten.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: eine Druckerfassungseinrichtung, zur Erfassung eines Druckes der Brennstoffgasversorgungsleitung an einem stromabwärtigen Ende des Verbindungspunktes, an welchem die Brennstoffgasversorgungsleitung mit der Abgaszirkulationsleitung verbunden ist, und einem Druck der Abgaszirkulationsleitung, wobei das zweite Öffnen- und Schließen-Ventil geöffnet wird, bis der Druck in der Brennstoffgasversorgungsleitung, der durch die Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, über einem vorbestimmten Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung aufweist: eine Abgaszirkulationspumpe, zur zwangsweisen Zuführung des Abgases in der Abgaszirkulationsleitung; und einen Flussmengenregulierungsmechanismus zur Regulierung einer Flussmenge des Brennstoffgases in der Brennstoffgasversorgungsleitung, wobei die Zirkulationsverhältniseinstelleinrichtung die Brennstoffgaszufuhrmenge zur Brennstoffzelle durch den Flussmengenregulierungsmechanismus derart einstellt, dass das Zirkulationsverhältnis in einem vorbestimmten Bereich eingestellt wird, während die Abgaszirkulationspumpe bei der Vorbehandlung der elektrischen Leistungserzeugung betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Behälter mit einem vorbestimmten Volumen, welcher an einem stromaufwärtigen Ende des Abgaszirkulationsmittels in der Abgaszirkulationsleitung montiert ist.
Beweglicher Körper, der mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung der elektrischen Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren, während der Vorbehandlung vor Beginn der elektrischen Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle, ein Einstellen eines Molflusses des Brennstoffgases zu einem Molfluss des Abgases durch Steuern des zumindest einen einer Brennstoffgasflussmenge und einer Abgasflussmenge aufweist, so dass das Zirkulationsverhältnis auf ein vorbestimmtes Zirkulationsverhältnis eingestellt wird, während der Vorbehandlung vor dem Beginn der elektrischen Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle, und um alles Restgas in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle, welches verblieben ist, auszustoßen.
Verfahren zum Durchführen einer Vorbehandlung vor dem Beginn einer herkömmlichen elektrischen Leistungserzeugung in einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, das ein Ausführen der Vorbehandlung vor Beginn der herkömmlichen elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle aufweist, wobei die Vorbehandlung folgende Schritte aufweist: Beimischen von Brennstoffgas zum Abgas, welches von einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle ausgestoßen wurde; und Zuführen des Mischgases zur Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Zirkulationsverhältnis, während zumindest eines von einer Brennstoffgasflussmenge und einer Abgasflussmenge eingestellt wird, um alles Restgas in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle, vor Beginn der elektrischen Leistungserzeugung der Brennstoffzelle auszustoßen, wobei das Zirkulationsverhältnis ein Verhältnis eines Molflusses eines Brennstoffgases zu einem Molfluss des Abgases ist.