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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, welche zur Stromerzeugung durch Verbrauchen eines einer Anode zugeführten Brenngases und eines einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases betrieben wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Beschreibung des Stands der Technik:
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Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet eine Membranelektrodenanordnung (Elektrolytelektrodenanordnung), welche eine Anode (Brennstoffelektrode), eine Kathode (Luftelektrode) sowie eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembran umfasst. Die Elektrolytmembran ist aus einer Polymer-Ionenaustauschmembran hergestellt. Die Membranelektrodenanordnung bildet zusammen mit Separatoren, die die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen, kollektiv eine Einheit einer Stromerzeugungszelle (Einheitszelle), welche Elektrizität erzeugt. Allgemein sind in Gebrauchsanordnungen eine vorbestimmte Anzahl von Einheitszellen zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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In dem Brennstoffzellenstapel wird ein Brenngas, etwa wasserstoffhaltiges Gas, einem Brenngasströmungsfeld zugeführt. Das Brenngas strömt durch das Brenngasströmungsfeld und entlang der Anode. Ein in der Anode enthaltener Katalysator induziert eine chemische Reaktion in dem Brenngas, um Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffionen und Elektronen aufzuspalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich zu der Kathode hin durch eine geeignet befeuchtete Elektrolytmembran, wodurch die Elektronen durch eine externe Schaltung zu der Kathode fließen und dadurch elektrische Gleichstromenergie erzeugen. Ferner wird in der Brennstoffzelle ein sauerstoffhaltiges Gas, etwa Luft, dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, wobei das sauerstoffhaltige Gas entlang der Kathode strömt, um eine Reaktion zu induzieren. In der Kathode kombinieren Wasserstoffionen von der Anode mit den Elektronen und Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
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Die Effizienz dieses Typs der Brennstoffzelle tendiert dazu, sich abhängig vom Umgebungsdruck leicht zu ändern. Wenn beispielsweise die Brennstoffzelle in einer Umgebung mit hohem Druck betrieben wird, wird die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle effizient ausgeführt. Ein Kompressor zum Zuführen von Luft zu der Kathode arbeitet sehr effizient, wenn die Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Kompressionsverhältnisbereichs betrieben wird. Jedoch muss in großen Höhen, in denen der Atmosphärendruck niedrig ist, weil die atmosphärische Luftdichte niedrig ist, das Kompressionsverhältnis erhöht werden, wodurch die Effizienz des Kompressors verringert wird.
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In dieser Hinsicht offenbart die
JP 2001-345112 A ein Brennstoffzellensystem, wie es in
6 gezeigt ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle
1, einen Brennstoffprozessor
2 zur Zufuhr von Wasserstoff zu einer Anode (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle
1, einen Kompressor
3 zur Zufuhr von Sauerstoff zu einer Kathode (nicht gezeigt) der Brennstoffzelle
1, einen Druckregler
4 zum Ändern des Hinterdrucks eines Kathodenrestgases, Druckerfassungssensoren
5a bis
5d sowie eine Steuer-/Regeleinheit
6.
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Der Drucksensor 5a erfasst eines Einlassdruck des Kompressors 3, wohingegen der Drucksensor 5b einen Auslassdruck des Kompressors 3 erfasst, d. h. den Druck, der entlang einer Leitung 7 auftritt, erfasst. Der Drucksensor 5c erfasst einen Druck entlang einer anderen Leitung 8, welcher der Hinterdruck ist, der auf das System durch den Druckregler 4 ausgeübt wird. Der Drucksensor 5d erfasst einen Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) in der Nähe des Brennstoffzellensystems.
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In der obigen Konfiguration ist es wünschenswert, den Auslassdruck des Kompressors 3 auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel zu halten, und zwar ungeachtet des Umgebungsdrucks. Wenn daher das Brennstoffzellensystem in großer Höhe betrieben wird, etwa am Gipfel eines Bergs, überwacht der Drucksensor 5b den Druck entlang der Leitung 7. Wenn der Druck entlang der Leitung 7 einhergehend mit dem Anstieg in der Höhe beginnt abzunehmen, gibt der Drucksensor 5b ein Signal zu der Steuer-/Regeleinheit 6 aus, wodurch die Steuer-/Regeleinheit 6 ein Signal an den Druckregler 4 zum Erhöhen des Systemhinterdrucks auf einen gewünschten Druckwert ausgibt.
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Jedoch muss in der oben genannten herkömmlichen Technik ein Druckregler 4 vorgesehen sein und ferner muss die Ventilposition des Druckreglers 4 Fluktuationen im Umgebungsdruck entsprechend eingestellt werden. Daher ist die Steuerung/Regelung des Druckreglers 4 durch die Steuer-/Regeleinheit 6 ziemlich kompliziert.
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In der
DE 102 22 422 B4 , auf der Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4 beruht, wird der Gasdruck nur an der Kathodenseite erfasst, und die Kompressordrehzahl wird basierend auf dem Atmosphärendruck und der Gaspedalstellung geregelt. An der Anodenseite wird die Wasserstoffzufuhr basierend auf dem erfassten kathodenseitigen Druck, wie er von dem Kompressor erzeugt wird, geregelt.
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In der
JP 2005-158647 A wird der kathodenseitige Druck gemäß dem erfassten Atmosphärendruck korrigiert. Ein Luftdrucksensor erfasst den Einlassdruck an der Kathodenseite.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welches eine einfache Struktur aufweist und welches durch einfache Schritte betrieben wird, wobei die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems messbar verbessert sein kann, und zwar ungeachtet des Einflusses von Fluktuationen im Umgebungsdruck.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 4 angegeben.
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Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem bevorzugt eine Atmosphärendruck-Erfassungseinheit zum Erfassen des Atmosphärendrucks, eine Erfassungseinheit für differentiellen Druck zum Erfassen eines differentiellen Drucks zwischen dem Betriebsdruck-Sollwert für Brenngas auf der Seite der Anode und dem Betriebsdruck-Sollwert für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode und eine Einstelleinheit für einen oberen Grenzwert zum Einstellen eines oberen Grenzwerts für einen Brenngasbetriebsdruck auf der Seite der Anode auf Grundlage des Betriebsdruck-Sollwerts für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode, des Atmosphärendrucks und des differentiellen Drucks.
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In dem Verfahren wird vorzugsweise ein differentielller Druck zwischen einem Betriebsdruck-Sollwert für Brenngas auf der Seite der Anode und einem Betriebsdruck-Sollwert für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode erfasst und ein oberer Grenzwert für den Brenngasbetriebsdruck auf der Seite der Anode auf Grundlage des Betriebsdruck-Sollwerts für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode, des Atmosphärendrucks und des differentiellen Drucks eingestellt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Betriebsdruck-Sollwert für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode unter Verwendung eines Relativdrucks relativ zum Atmosphärendruck eingestellt. Wenn beispielsweise der Atmosphärendruck abnimmt, ist es daher nicht notwendig, das Kompressionsverhältnis des Kompressors, der das sauerstoffhaltige Gas zuführt, zu erhöhen, um den Betriebsdruck auf der Seite der Kathode aufrecht zu erhalten. Daher kann der Kompressor innerhalb eines Betriebsbereichs mit hoher Effizienz eingesetzt werden.
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Daher kann der Energieverbrauch des Kompressors in geeigneter Weise gesteuert/geregelt werden, und die Gesamtausgabeeffizienz (NETTO-Ausgabe) des Brennstoffzellensystems kann effektiv verbessert werden. Demzufolge kann mittels eines einfachen Prozessors und einer einfachen Struktur die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle in geeigneter Weise verbessert werden, ohne durch Fluktuationen im Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) beeinflusst zu sein.
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Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines illustrativen Beispiel gezeigt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm, das in schematischer Weise ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuer-/Regelvorrichtung des Brennstoffzellensystems zeigt,
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3 ist ein Schaubild, das einen akzeptablen Wert des differentiellen Drucks zwischen dem Anoden-Solldruck und dem Kathoden-Solldruck zeigt,
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Betreibens des Brennstoffzellensystems zeigt,
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5 ist ein Schaubild, das eine Brennstoffzellenausgabe auf ebenem Terrain, eine Brennstoffzellenausgabe gemäß einem Vergleichsbeispiel und eine Brennstoffzellenausgabe gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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6 ist ein Diagramm, das in schematischer Weise das in der
JP 2001-345112 A offenbarte Brennstoffzellensystem zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist ein Diagramm, das in schematischer Weise die Struktur eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 10, welche eine Stapelstruktur aufweist, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 14 in einer durch den Pfeil A angedeuteten Richtung gebildet ist. Endplatten 16a, 16b sind an entgegengesetzten Enden der Brennstoffzelle 12 vorgesehen. Die Bauteile zwischen den Endplatten 16a, 16b sind aneinander befestigt, um die Brennstoffzelle 12 zusammenzubauen.
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Jede der Stromerzeugungszellen 14 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 20, und Metall- oder Kohlenstoffseparatoren 22, 24, welche Membranelektrodenanordnung 20 zwischen sich aufnehmen. Die Membranelektrodenanordnung 20 umfasst eine Anode 20b, eine Kathode 20c und eine Festpolymerelektrolytmembran 20a, die zwischen der Anode 20b und der Kathode 20c angeordnet ist. Die Festpolymerelektrolytmembran 20a kann beispielsweise durch Imprägnieren einer dünnen Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser gebildet sein.
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Ein Brenngasströmungsfeld 26 ist zwischen dem Separator 22 und der Membranelektrodenanordnung 20 gebildet, und ein Strömungsfeld 28 für sauerstoffhaltiges Gas ist zwischen dem Separator 24 und der Membranelektrodenanordnung 20 gebildet. Ein Kühlmittelströmungsfeld 30 ist zwischen benachbarten Separatoren 22 und 24 gebildet.
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Die Endplatte 16a enthält eine Brenngaseinlassöffnung 32a zum Zuführen von Brenngas, etwa Wasserstoffgas, zu jedem der Brenngasströmungsfelder 26. Die Endplatte 16a enthält darüber hinaus eine Einlassöffnung 34a für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases, etwa Luft, zu jedem der Strömungsfelder 28 für sauerstoffhaltiges Gas sowie eine Kühlmitteleinlassöffnung 36a zum Zuführen eines Kühlmittels zu jedem der Kühlmittelströmungsfelder 30.
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Die Endplatte 16b enthält eine Brenngasabgabeöffnung 32b zum Abgeben von Abgas, welches nicht verbrauchtes Wasserstoffgas enthält, das von jedem der Brenngasstrbmungsfelder 26 abgegeben wurde, eine Abgabeöffnung 34b für sauerstoffhaltiges Gas zum Abgeben von Luft, die von jedem der Strömungsfelder 28 für sauerstoffhaltiges Gas abgegeben wurde, und eine Kühlmittelabgabeöffnung 36b zum Abgeben von Kühlmittel, das von jedem der Kühlmittelströmungsfelder 30 abgegeben wurde.
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Ein Brenngaszufuhrsystem 38, ein Zufuhrsystem 40 für sauerstoffhaltiges Gas und ein Kühlmittelzufuhrsystem 42 sind mit der Brennstoffzelle 12 verbunden. Das Brenngaszufuhrsystem 38 umfasst eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 46, welche mit einem Wasserstofftank 44 ausgestattet ist. Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 46 ist durch einen Wasserstoffzufuhrkanal 50 mit einer Wasserstoffzirkulationsvorrichtung 48 verbunden und wiederum mit der Brenngaseinlassöffnung 32a der Brennstoffzelle 12 verbunden. Die Wasserstoffzirkulationsvorrichtung 48 umfasst beispielsweise einen Ejektor (nicht gezeigt).
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Ein erster Drucksensor 52 ist zwischen der Wasserstoffzirkulationsvorrichtugn 48 und der Brenngaseinlassöffnung 32a angeordnet. Der erste Drucksensor 52 erfasst einen Betriebsdruck des der Anode 20b zugeführten Brenngases als einen Absolutdruck.
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Der erste Drucksensor 52 erfasst den Betriebsdruck des Brenngases als einen Manometerdruck und bestimmt ferner den Absolutdruck auf Grundlage des Atmosphärendrucks, welcher durch einen Atmosphärendrucksensor 80 (später beschrieben) und den Manometerdruck erfasst wird. Insbesondere ist der Absolutdruck gleich der Summe des Manometerdrucks und des Atmosphärendrucks. Wenn beispielsweise der Manometerdruck Null ist, ist der Absolutdruck einfach derselbe wie der Atmosphärendruck.
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Der Wassestoffzirkulationskanal 54 ist mit der Brenngasabgabeöffnung 32b der Brennstoffzelle 12 verbunden. Der Wasserstoffzirkulationskanal 54 mündet in den Wasserstoffzufuhrkanal 50 über die Wasserstoffzirkulationsvorrichtung 48. Ein Spülventil 58 ist mit einem Wasserstoffabgabekanal 56 verbunden, der von dem Wasserstoffzirkulationskanal 54 abzweigt.
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Das Zufuhrsystem 40 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst einen Luftkompressor (oder ein Aufladegebläse) 60 und einen Luftzufuhrkanal 62, der mit der Einlassöffnung 34a für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle 12 verbunden ist. Ein zweiter Drucksensor 64 ist in dem Luftzufuhrkanal 62 vorgesehen. Der zweite Drucksensor 64 erfasst einen Betriebsdruck der Luft, die der Kathode 20c zugeführt wird, als einen Relativdruck relativ zum Atmosphärendruck, d. h. als einen Manometerdruck. Der Manometerdruck ist ein Differentialdruck, der vom Atmosphärendruck abgeleitet ist. Wenn der Manometerdruck Null ist, gibt er den Atmosphärendruck wieder.
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Ein Luftabgabekanal 66 ist mit der Auslassöffnung 34b für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle 12 verbunden. Ein Druckregierventil 48 zum Regeln des Hinterdrucks ist in dem Luftabgabekanal 66, falls erforderlich, vorgesehen.
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Das Kühlmittelzufuhrsystem 42 umfasst einen Kühlmittelzirkulationskanal 70, der mit der Kühlmitteleinlassöffnung 36a und der Kühlmittelauslassöffnung 36b der Brennstoffzelle 12 verbunden ist. Eine Zirkulationspumpe 72 ist innerhalb des Kühlmittelzirkulationskanals 70 vorgesehen, wodurch die Zirkulationspumpe 72 ein Kühlmittel dem Kühlmittelströmungsfeld in einer zirkulierenden Weise zuführt.
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Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst darüber hinaus eine Steuer-/Regelvorrichtung 74 zum Einstellen eines Betriebsdruck-Sollwerts für ein sauerstoffhaltiges Gas (hierin im Folgenden als „Kathodensolldruck” bezeichnet) unter Verwendung des Relativdrucks relativ zum Atmosphärendruck, zum Einstellen eines Betriebsdruck-Sollwerts für ein Brenngas (hierin im Folgenden als ein „Anodensolldruck” bezeichnet) unter Verwendung des Absolutdrucks und zum Steuern/Regeln eines Energieerzeugungsstroms der Brennstoffzelle 12 unter Verwendung des Relativdrucks und des Absolutdrucks als Befehlswerte.
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Die Steuer-/Regelvorrichtung 74 steuert/regelt den Betrieb des Gesamt-Brennstoffzellensystems 10 und besitzt einen Speicher 76 zum Speichern von Daten darin, etwa einer ersten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 90 für die Seite der Kathode 20c, und einer zweiten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 92 für die Seite der Anode 20b.
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Ferner umfasst die Steuer-/Regelvorrichtung 74 eine Relativdruck-Erfassungseinheit 78, eine Atmosphärendruck-Erfassungseinheit 82 und eine Absolutdruck-Erfassungseinheit 84. Die Relativdruck-Erfassungseinheit 78 erfasst einen Betriebsdruck der der Kathode 20c zugeführten Luft als einen Manometerdruck, und zwar in Antwort auf ein Erfassungssignal von dem zweiten Drucksensor 64. Die Atmosphärendruck-Erfassungseinheit 82 erfasst den Atmosphärendruck PA in Antwort auf ein Erfassungssignal von dem Atmosphärendrucksensor 80. Die Absolutdruck-Erfassungseinheit 84 erfasst einen Absolutdruck des der Anode 20b zugeführten Brenngases auf Grundlage eines Erfassungssignals von dem ersten Drucksensor 52 und des Atmosphärendrucks.
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Ferner umfasst die Steuer-/Regelvorrichtung 74 eine Erfassungseinheit 86 für differentiellen Druck und eine Einstelleinheit 88 für einen oberen Grenzwert. Die Erfassungseinheit 86 für differentiellen Druck erfasst einen differentiellen Druck zwischen dem Anodensolldruck auf der Seite der Anode 20b und dem Kathodensolldruck auf der Seite der Kathode 20c. Die Einstelleinheit 88 für den oberen Grenzwert stellt einen oberen Grenzwert für den Anodensolldruck (d. h. einen oberen Grenzwert für den Brenngasbetriebsdruck) als einen Absolutdruck ein.
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Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Steuer-/Regelvorrichtung 74 innerhalb des Speichers 76 die erste Betriebsdruck-Berechnungstabelle 90 auf der Seite der Kathode 20c sowie die zweite Betriebsdruck-Berechnungstabelle 92 auf der Seite der Anode 20b. Der Kathodensolldruck, der aus der ersten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 90 berechnet wird, wird als ein Kathodenbetriebsdruck-Zählwert (Manometerdruck) ausgegeben und zu einem ersten Addierer 94 übertragen.
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Ein akzeptabler Wert des differentiellen Drucks zwischen dem Kathodensolldruck und dem Anodensolldruck wird in den ersten Addierer 94 eingegeben, wodurch der obere Grenzwert für den Anodensolldruck (Manometerdruck) der Anode 20b durch den ersten Addierer 94 erhalten wird. Der akzeptable Wert des differentiellen Drucks ist eingestellt, wie in 3 gezeigt ist. Der Anodensolldruck wird unter Verwendung des Absolutdrucks eingestellt, wohingegen der Kathodensolldruck unter Verwendung des Relativdrucks relativ zum Atmosphärendruck eingestellt wird. Wenn der Atmosphärendruck niedrig ist, wird daher, weil der Kathodensolldruck niedrig ist, der differentielle Druck zwischen dem Anodensolldruck und dem Kathodensolldruck groß. Der akzeptable Wert des differentiellen Drucks wird derart eingestellt, dass Schaden an der Festpolymerelektrolytmembran 20a aufgrund von übermäßig großen differentiellen Drücken vermieden wird.
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Wie in 2 gezeigt ist, wird der obere Grenzwert des Anodensolldrucks (Manometerdruck) zum zweiten Addierer 96 übertragen. Der obere Grenzwert des Anodensolldrucks (Manometerdruck) und der Atmosphärendruck PA werden in den zweiten Addierer 96 eingegeben, wodurch der obere Grenzwert des Anodensolldrucks (Absolutdruck) der Anode 20b erhalten wird. Der obere Grenzwert des Anodensolldrucks (Absolutwert) wird an eine Begrenzungseinheit 98 für die Betriebsdruckobergrenze übertragen. Ferner wird der Anodensolldruck der Anode 20b von der zweiten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 92 in die Begrenzungseinheit 98 für die Betriebsdruckobergrenze eingegeben. Von der Begrenzungseinheit 98 für die Betriebsdruckobergrenze wird ein Anodenbetriebsdruck-Befehlswert (Absolutdruck) der Anode 20b erhalten.
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Nachfolgend soll die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das in 4 gezeigte Flussdiagramm beschrieben werden.
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Obwohl nicht gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 10 in einem Fahrzeug, etwa einem Automobil, angebracht. Zunächst wird ein Soll-Energieerzeugungsstrom in der Steuer-/Regelvorrichtung 74 eingegeben (JA in Schritt S1), und die Routine geht weiter zu Schritt S2. In Schritt S2 wird, dem Soll-Energieerzeugungsstrom entsprechend, ein Kathodensolldruck Pca aus der ersten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 90 berechnet und ein Anodensolldruck Pan aus der zweiten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 92 berechnet.
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Danach wird in Schritt S3 der Kathodensolldruck Pca durch den ersten Addierer 94 zu dem akzeptablen Wert des differentiellen Drucks addiert, um einen oberen Grenzwert für den Anodensolldruck (Manometerdruck) zu erzeugen. Der Manometerdruck wird zum zweiten Addierer 96 übertragen. Ferner wird der Atmosphärendruck PA in den zweiten Addierer 96 eingegeben, um einen oberen Grenzwert PanL (Absolutdruck) für den Anodensolldruck zu erhalten.
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Wenn dann in Schritt S4 in der Begrenzungseinheit 98 für die Betriebsdruckobergrenze bestimmt wird, dass der Anodensolldruck Pan, der von der zweiten Betriebsdruck-Berechnungstabelle 92 erhalten wird, größer ist als der obere Grenzwert PanL für den Anodensolldruck (JA in Schritt S4), die Routine weiter zu Schritt S5, wodurch der Anodenbetriebsdruck auf den oberen Grenzwert PanL für den Anodensolldruck eingestellt wird.
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Wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass der Anodensolldruck Pan kleiner ist als der obere Grenzwert PanL für den Anodensolldruck (NEIN in Schritt S4), geht die Routine weiter zu Schritt S6, wodurch der Anodenbetriebsdruck auf den Anodensolldruck Pan eingestellt wird.
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Die Steuer-/Regelvorrichtung 74 steuert/regelt den Betrieb des Zufuhrsystems 40 für sauerstoffhaltiges Gas derart, dass der Kathodensolldruck (Kathodenbetriebsdruck) Pca erhalten wird, und steuert/regelt darüber hinaus den Betrieb des Brenngaszufuhrsystems 38 derart, dass der Anodenbetriebsdruck erhalten wird. Ferner wird der Betrieb des Kühlmittelzufuhrsystems 42 derart gesteuert/geregelt, dass das Brennstoffzellensystem auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
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Wie in 1 gezeigt ist, strömt in dem Brenngaszufuhrsystem 38 Wasserstoffgas, welches von dem Wasserstofftank 44 der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 46 zugeführt wird, durch den Wasserstoffzufuhrkanal 50 der Wasserstoffzirkulationsvorrichtung 48 und strömt dann in die Brenngaseinlassöffnung 32a der Brennstoffzelle 12. Der Druck des Wasserstoffgases wird derart reguliert, dass er beim Anodensolldruck bleibt, während das Wasserstoffgas in das Brenngassträmungsfeld 26 jeder der Stromerzeugungszellen 14 zugeführt wird, wobei es in Richtung zu der Anode 20b derselben strömt.
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In dem Zufuhrsystem 40 für sauerstoffhaltiges Gas wird Luft durch den Luftkompressor 60 zu einem vorbestimmten Druck (Kathodensolldruck) unter Druck gesetzt, und strömt danach von dem Luftzufuhrkanal 62 in die Einlassöffnung 34a für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle 12. Die Luft wird dem Strömungsfeld 28 für sauerstoffhaltiges Gas jeder der Stromerzeugungszellen 14 zugeführt und strömt zu der Kathode 20 derselben hin. Daher wird in jeder der Membranelektrodenanordnungen der Anode 20b zugeführtes Wasserstoffgas und der Kathode 20c zugeführte Luft in elektrochemischen Reaktionen verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Abgas, welches nicht verbrauchten Wasserstoff enthält, der von der Anode 20b abgegeben wird, strömt von der Brenngasauslassöffnung 32 mit der Brennstoffzelle 12 in den Wasserstoffzirkulationskanal 54. Das Abgas strömt durch den Wasserstoffzirkulationskanal 54 und von der Wasserstoffzirkulationsvorrichtung zu dem Wasserstoffzufuhrkanal 50, wo das Abgas erneut als ein Brenngas der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
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Ferner wird an der Kathode 20c verbrauchte Luft von der Auslassöffnung 34b für sauerstoffhaltiges Gas in den Luftabgabekanal 66 abgegeben. in der Brennstoffzelle 12 wird Kühlmittel zugeführt und durch das Kühlmittelströmungsfeld 30 unter Betrieb der Zirkulationspumpe 72 des Kühlmittelzufuhrsystems 42 zirkuliert.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird der Anodensolldruck auf der Seite der Anode 20b unter Verwendung eines Absolutdrucks eingestellt, wohingegen der Kathodensolldruck auf der Seite der Kathode 20c unter Verwendung eines Relativdrucks relativ zum Atmosphärendruck eingestellt wird. Wenn daher das Brennstoffzellensystem in großen Höhen betrieben wird, braucht das Kompressiansverhältnis des Luftkompressors 60 nicht erhöht zu werden, um den Kathodensolldruck beizubehalten.
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Normalerweise ist der Luftkompressor 60 in einer solchen Weise konfiguriert, dass der Luftkompressor 60 in ebenem Terrain effizient arbeitet. Wenn das Kompressionsverhältnis zur Verwendung in höheren Höhen mit geringer Luftdichte erhöht wird, arbeitet der Luftkompressor 60 innerhalb eines Betriebsbereichs mit niedriger Effizienz. In dieser Hinsicht kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform, aufgrund dessen, dass der Kathodensolldruck unter Verwendung des Relativdrucks eingestellt wird, der Luftkompressor 60 weiterhin innerhalb eines Betriebsbereichs mit hoher Effizienz betrieben werden. Daher kann der Energieverbrauch des Luftkompressors 60 in geeigneter Weise verringert werden.
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5 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen einer Ausgabe der Brennstoffzelle (FC), wenn diese in ebenem Terrain betrieben wird, einer Ausgabe einer Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel, wenn diese in großer Höhe betrieben wird, und einer Ausgabe der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn diese in großer Höhe betrieben wird. Hinsichtlich der Brennstoffzellenausgabe arbeitet dann, wenn die Brennstoffzelle in ebenem Terrain betrieben wird, der Luftkompressor 60 sehr effizient. Daher ist der Stromverbrauch des Luftkompressors 16 minimiert und eine hohe Ausgabe (NETTO-Ausgabe) des Brennstoffzellensystems 10 kann effizient erhalten werden.
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Im Vergleichsbeispiel, in dem der Betrieb des Luftkompressors 16 unter Verwendung des Absolutdrucks gesteuert/geregelt wird, steigt der Energieverbrauch des Luftkompressors 16 stark an, obwohl die Gesamtausgabe (BRUTTO-Ausgabe) gleich der Brennstoffzellenausgabe ist, wenn diese in ebenem Terrain betrieben wird, während die NETTO-Ausgabe der Brennstoffzelle signifikant abnimmt.
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Im Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Gesamtenergieverbrauch des Luftkompressors 16 geeignet gesteuert/geregelt, obwohl die Gesamtausgabe (BRUTTO-Ausgabe) der Brennstoffzelle im Vergleich mit der Brennstoffzellenausgabe, wenn diese in ebenem Terrain betrieben wird, verringert ist, und zwar als ein Ergebnis der Verringerung des Kathodenbetriebsdrucks durch den Luftkompressors 60, wenn dieser in grollen Höhen betrieben wird. Im Ergebnis steigt, im Vergleich zu dem Fall des Vergleichsbeispiels, die NETTO-Ausgabe der Brennstoffzelle effektiv an.
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Daher ist das Brennstoffzellensystem 10 nicht durch Fluktuationen im Umgebungsdruck bei großen Höhen oder dergleichen beeinflusst. Durch Implementieren von einfachen Schritten und unter Verwendung einer einfachen Struktur kann eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz der Brennstaffzelle 12 erreicht werden.
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Ferner ist eine herkömmliche Steuer/Regeleinheit zum Steuern/Regeln des Kathodendruckregulierventils (Druckregulierventil 68) nicht erforderlich. Das Kathodendruckregulierventil braucht nicht verwendet zu werden. Daher ist die Struktur des Brennstoffzellensystems 10 und sind die Schritte zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 vereinfacht. Ferner wird durch Verhindern der Verminderung des stöchiometrischen Verhältnisses ein Vorteil bezüglich der Stromerzeugungsstabilität erreicht.
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Wie in 3 gezeigt ist, wird ferner durch Einstellen eines akzeptablen Werts des differentiellen Drucks zwischen dem Anodensolldruck und dem Kathodensolldruck kein differentieller Druck, der einen akzeptablen Wert überschreitet, auf die Brennstoffzelle 10 ausgeübt. Daher ist es beispielsweise möglich, Schaden an der Festpolymerelektrolytmembran 20a zu verhindern.
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Ein Brennstoffzellensystem (10) umfasst eine Steuer-/Regeleinrichtung (74) zum Einstellen eines Betriebsdruck-Sollwerts für sauerstoffhaltiges Gas auf der Seite der Kathode (20c) unter Verwendung eines Relativdrucks relativ zum Atmosphärendruck, zum Einstellen eines Betriebsdruck-Sollwerts für Brenngas auf der Seite der Anode (20b) unter Verwendung eines Absolutdrucks und zum Steuern/Regeln Energieerzeugungsstroms der Brennstoffzelle (12) unter Verwendung des Relativdrucks und des Absolutdrucks als Befehlswerte. Die Steuer-/Regeleinrichtung regelt den Betrieb des gesamten Brennstoffzellensystems (10).
